大断面回采巷道支护参数作用机理研究

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1、大断面回采巷道支护参数数值研究王建生(中煤平朔集团有限公司山西朔州036800)摘要：本文通过理论分析与FLAC3D数值模拟软件相结合的方法，对余廿煤业公司S2205工作而回风顺槽在不同支护参数和支护方式下巷道围岩的应力场分布以及相互影响关系，从本质上说明了锚杆、锚索和围岩的作用机理，研究结果为实际施工提供理论依据。关键词：大断血；回采巷道；支护参数；研究1引言巷道支护技术是煤炭开采工程中的一项关键技术。安全、合理、有效的巷道支护技术是保证矿井高产高效的必要条件。然而众所周知，煤矿巷道的围岩条件是千变万化的，随

2、着开采深度加大，地质条件会更加复杂和恶劣。而动压将是影响巷道支护效果的一个主要因素,采用何种支护方式才能确保巷道的安全使用以及后期工作面的安全回采，是困扰广大工程技术人员的一大技术难题。2地质条件余吾煤业公司位于山西省屯留县境内，是一个接续矿井，设计能力为600Mt/aoS2205冋风顺槽属于3#煤层，肓接顶为砂质泥岩，厚度为1.33〜3.26m,老顶为细粒砂岩，厚度2.()〜2.5m,巷道断而5.2X3.6m。巷道西狈ij为S2205工作而实煤体；东侧为S2205I作而乩排巷；南接S2205T作面辅切(未掘)

3、；北接南二采区1#回风下山(已掘)。3巷道支护形式和参数选择原则为了使锚杆、锚索的支护作用效果更加明显，根据余吾煤业公司生产地质条件，现提出以下儿点设计原则：(1)一次支护原则。为了更能有效控制围岩的变形，应尽量采用一次支护原则，减少使用二次支护和多次支护方式。(2)预应力扩散和高预应力原则。预应力在锚杆支护中是决定主动支护和被动支护的重要参数，要使锚杆支护成为主动支护应使用高预应力锚杆。(3)“三高一低”原则。即选取锚杆时要坚持高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。(4)临界支护强度与刚度原则。(5)相互

4、匹配原则。为了最人限度地发挥锚杆、锚索支护的作用，锚杆和锚索的力学性能和参数应相互匹配；锚杆中个构件的力学性能和参数应相互匹配。(6)操作可行性原则。(7)在有效控制了巷道围岩变形的基础上，应综合考虑经济合理，尽量降低支护成本。4巷道支护参数数值分析4.1锚杆预应力锚杆支护效果的好坏主要取决于预应力。在高预应力作用下，由于锚杆作用产生附加应力大，围岩的受压范围广，使整个顶板都处丁压应力状态，成为一个整体，充分发挥了锚杆的主动支护作用。预应力过低，由于锚杆作用产生的附加应力小，顶板围岩的受压范围小,冇效压应力区不

5、能连续分布，因此顶板不能形成一个整体，锚杆的支护效果不明显。在选择锚杆预应力时应使锚杆的锚固区內没有拉应力和顶板离层存在。通过实验室力学实验和现场实践表明，预应力值0.3~0.5倍的杆体屈服强度是比较合理的。预应力值应随着锚杆直径、强度的增大而增大。锚杆预应力与螺母拧紧力矩、接触面形式、螺纹升角、螺距、螺纹加工精度、减摩热片性能等因素有关。高预应力支护系统对锚杆结构、加工工艺与精度提出更高的要求。a・预应力20kNSZZ(Pa)50002000050001000020000300Q040000500006000

6、070000b-预应力lOOkN图1不同锚杆预应力形成的附加应力场分布锚杆支护的效果収决于预应力的选取及支护过程中预应力的扩散（如图1所示）。巷道支护设计的关键是根据矿井巷道的具体地质条件选择预应力，并且使预应力能够有效的扩散。然而锚杆支护中单靠预应力作用是不够的，必须通过锚杆构件（托板、钢带和金属网等）的共同作用将预应力作用到距离顶板更远的囤岩中。在预应力的作用下，即使巷道表而的支护力很小也会有效控制控制围岩的变形和破坏。4.2锚杆长度和密度锚杆冇效压应力的作川范围与深度随着锚杆长度的增加而增大，但是锚杆长度

7、的中上部作用范围和锚杆与锚杆之间围岩的压应力却减小。在预应力和锚杆构件相同的条件下，预应力的作用效果随着长度的增加而减弱。因此可知，当锚杆的长度变大时，预应力也应适当增大；反之，通过提高锚杆的预应力，可适当减小其长度。在一定预应力下，单根锚杆周围形成了类似锥形的压应力分布区域，压应力在锚杆尾部附近最人，锚同起始处附近次之，锚杆自由段中部较小，锚杆端部处于近零应力和较小的拉应力状态。锚杆间距过大，单根锚杆形成的锥形压应力区域彼此是独立的，不能形成整体支护结构。随着锚杆间距缩小，单根锚杆形成的锥形压应力区逐渐靠近、

8、相互叠加，连成一体,形成整体支护结构，但是当锚杆个数增加到-•定数量，再进一步增加支护密度时锚杆的预应力的扩散和压应力区的扩大作用已经不明显。通过提高锚杆的预应力，可增加锚杆的间排距，明显降低锚杆支护密度。4.3锚固方式锚固方式不同，锚杆附加应力场分布有较大区别（如图2所示）。端部锚固锚杆预应力作用范I韦I较人，但是锚杆自由段屮部压应力较小，形成类似“葫芦”形的压应力分布区；加长锚固锚