基于FLAC3D的煤巷锚杆支护参数的模拟分析

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1、万方数据2011年第6期煤炭工程基于FLAC3D的煤巷锚杆支护参数的模拟分析张飞，张朋，王瑞智，王政伟(内蒙古科技大学矿业工程学院，内蒙古包头014000)摘要：以神华集团平沟煤矿0908综采工作面为背景，运用FLAC3D对煤巷锚杆支护进行数值模拟分析，通过改变巷道锚杆的长度、直径、排距等参数，从顶底板、巷道两帮变形来研究不同锚杆参数在控制围岩变形方面的作用，从而对锚杆参数进行优化以获得合理的支护参数。关键词：FLAC如；锚杆支护；支护参数；模拟分析中图分类号：TD353+．6文献标识码：B文章编号：1671—0959(2011)06-0097旬3锚杆支护具有工艺简单、安装速度快、效率高、劳

2、动强度低、成本低等优点，是一种十分重要的煤矿巷道支护形式⋯。但是，由于煤矿巷道支护的理论发展滞后于现场实践口．3】，造成支护设计参数很难确定。随着计算机技术的快速发展，数值模拟在井巷工程分析中得到了广泛应用。文章应用FLAG”软件模拟煤巷锚杆的支护，分析不同的锚杆参数对巷道支护的影响。’1煤巷地质概况平沟煤矿位于桌子山背斜西翼之中北部，因受岗德尔逆断层逆冲影响，使地层上挠而成不对称平缓向斜，全区的构造形态为向西倾斜的单斜地层为主，倾角为6。一10。。全区断裂可分两组，一组F1和岗德尔逆断层，为近南北走向的逆断层，形成矿区内的西部自然边界；另一组为近东西走向的正断层，断层落差较大，延伸较长为各

3、煤矿及采区之间的自然边界。试验巷道所服务的0908工作面位于中组煤9—2。层，为走向长壁后退式布置。9—2’层煤层走向近南北，倾向近东西，该煤层均厚为2．73m，属较稳定的中厚煤层，煤层结构简单，裂隙较发育，煤层中部含一层厚约0．28m夹石(泥岩)为9牟和9睾的标志层。煤层顶底板岩性：直接顶为煤岩互层，厚度为2．30m，节理发育，抗压强度极低。老顶为粗砂岩，厚度为1．49m，灰黑色，厚层状、较坚硬。直接底为泥岩及砂质泥岩，厚度为2．20m，灰黑色，偶夹煤线，厚度变化较大，局部地段遇水泥化。煤层及其顶底板岩层的物理力学参数见表1。表1煤层及其顶底板岩层的物理力学参数2锚杆参数．巷道开掘以后，两

4、帮与顶底板都不同程度地出现一定范围的破坏区M‘6】。锚杆支护的作用就在于保持破坏区范围内岩层的稳定性。锚杆支护设计关系到巷道锚杆支护工程的质量优劣、是否安全可靠以及经济是否合理等重要问题，因而广泛被国内外学者所重视。锚杆支护系统的设计取决于巷道地应力分布、围岩岩层的力学特性，以及巷道的允许变形程度等条件n’8】。2．1锚杆长度锚杆长度计算公式为：L=KH+￡l+如(1)式中￡广_—锚杆长度，m；J；『二一软弱岩层厚度或冒落拱高度，m；Ii=—一安全系数，一般取2；厶——锚杆锚入稳定岩层的深度，一般可按经验取0．5m；厶——锚杆的外露长度。本规程中规定锚杆外露长度≤50mmo代入相关数据，由式

5、(1)得：L=2．15m。2．2锚杆直径锚杆直径计算公式为：收稿日期：2010—06一19作者简介：张飞(1959一)，男，内蒙古包头人，教授、硕士生导师，主要从事采矿工程、岩土工程、岩石力学教学与科研工作。万方数据煤炭工程2011年第6期一s6√罟㈤式中d—锚杆直径，m；p——锚固力，kN；F。——杆体抗拉强度，MPa。23锚杆的间距、排距设计时设锚杆间、排距均为n．则由悬吊理论：。=√最(3)式中d——锚杆的问、排距，m；p_——瞄杆的设计锚同力，取70kN；巾一被悬吊岩石的重力密度，取25kN／m3。代^相关数据。南式(3)得：口=132m。3数值模拟分析31模型建立针对神华集用平沟煤

6、矿的地质采矿条件，根据采矿工程问题特点，建立相应的数值分析模型，考虑采空区的影响，模型水平方向上取60m，这样既可以模拟已开采煤层对地表的影响和采空区周边周岩的响应状态，又可以模拟工作面巷道掘进的影响。根据岩层情况．竖直方向上取53m．巷道设计高×宽=25mx4m。采用应力边界条件，模型的上边界施加均匀的垂直压应力，模型的左右边界限制水平向移动．模型下边界同定，上边界自由”1，模型如图1所示。围1模型边界示意圈(mm)32教值试验结果度分析通过数值模拟，可以褥采用锚杆支护后的巷遣位移矢量圈(如图2所示)。由图2可知，采用锚杆支护后位移等值区域分布较均匀，说明变形协调性较好，锚杆吏护系统和围岩

7、在强度和刚度上耦台效果明显。巷道围岩变形得到了控制。321围岩位移分析I)直径的影响。通过计算．得到支护巷道围岩随锚杆直径、长度、问排距等参数的变形曲线，如图3、4、598所示。：i墓，00装z呻1咒田6肿E500善400翟300普f2001000园500400量300塌萎一1000縻田2巷道位移矢量圈1000x㈣Ⅻ×90D800x800700x700锚杆n"排PE，mm圈s支护巷道圈岩变形量随锚杆闻排距变形