李 学 军

(华亭煤电股份有限公司陈家沟煤矿，甘肃 华亭 744100)

陈家沟煤矿岩巷支护参数设计方法研究

李 学 军

(华亭煤电股份有限公司陈家沟煤矿，甘肃 华亭 744100)

结合陈家沟煤矿的地质勘探资料和设计资料，运用理论计算和数值模拟的方法，对岩巷的塑性区进行数值模拟和计算，根据两者的计算结果，得出塑性区的范围，为锚杆的支护提供参数依据，同时计算结果表明，锚杆设计参数符合数值计算和理论计算的结果。

理论计算，塑性区，数值模拟

0 引言

煤矿永久性巷道服务年限长，在地质条件和生产布局允许的情况下大多沿煤层顶底板送巷，为满足运输、行人、通风需要，一般断面较大，设计上要便于与采区车场衔接，兼顾安全保护煤岩柱宽度。在此基础上，永久性巷道的支护方式和支护参数设计选取的科学合理性十分重要，决定着巷道的安全性，而且提高一次支护的有效性，可以避免因巷道围岩塑性破坏后需增大维修支护径向深度及支护强度给设计和现场施工带来的困难。设计合理，支护有效，则可以避免和减弱巷道变形破坏，减少对失修巷道维修加固的材料和人力成本，提高矿井经济效益。陈家沟煤矿在多年的生产实践中逐渐实现了巷道支护锚网化，总结出了锚杆、锚索、钢筋梯梁、喷射混凝土等支护多搭联合支护的多种支护方式，在支护参数的选取上也进行了一些有益的探索实践。

1 巷道概况

陈家沟煤矿某水平轨道大巷，岩巷段约380 m，沿煤层底板送巷，巷道坡度+4‰，巷道揭露岩石：煤泥岩，灰色、灰黑色，均匀层理，泥质胶结，具水平层理，含较多的炭化植物茎部化石碎片。砂质泥岩，灰褐色，灰黑色，泥质胶结，均匀层理，局部具揉搓滑面。岩体较完整。半圆拱形巷道，净断面为14.6 m2，掘进断面为17.3 m2，采用钢筋托梁+锚网喷+锚索联合支护，锚杆长度2 400 mm，锚索长度7 300 mm。

2 理论计算

2.1 锚杆锚索规格验算

2.1.1 按悬吊理论计算锚杆参数

L=KH+L1+L2

(1)

其中，L为锚杆长度，m；H为冒落拱高度，m，H=B/2f=5.1/2×3=0.85 m，f为岩石坚固性系数，取3；K为安全系数，一般取K=2；L1为锚杆锚入稳定岩层的深度，一般按经验取0.4 m；L2为锚杆在巷道中的外露长度，一般取0.1 m。计算得出的锚杆长度为2.2 m。

2.1.2 按围岩加固范围计算锚索长度

锚索宜锚固在围岩内部较稳定的岩层中，锚索长度按式(2)计算：

L′=La+Lb+Lc+Ld

(2)

其中，L′为锚索的总长度，m；Lb为需悬吊的不稳定岩层厚度，取1.7 m；Lc为上托板及锚具的厚度，一般不小于0.1 m；Ld为需要外露的张拉长度，一般不小于0.1 m。

经计算，锚索长度最少需要5.28 m，考虑同一水平岩石大巷掘进经验，锚索长度确定为7.3 m较为合理。

2.2 按照围岩塑性区估算

在岩体中，巷道的开挖不可避免地破坏岩体中原有的应力状态，直接表现是周边的径向应力减小、围岩强度明显降低，切向应力增加，出现应力集中现象。当应力集中超过岩体的强度时，岩体进入塑性状态。岩体塑性区的范围，是锚杆参数的重要依据。圆形巷道围岩塑性区见图1。

岩巷的支护设计如图2所示，锚索为7 300 mm，锚杆为2 400 mm，岩巷的断面为L=4 840 mm，R=4 840 mm，H=1 500 mm，根据实际情况，R0的取值为该断面的最大半径，如图3所示。

根据图3可得R0的值：

(3)

圆形巷道塑性区的估算方法如下：

(4)

假如岩巷不考虑任何支护条件，即p1=0，认为塑性区得到了充分发展，其半径最大值为Rmax，即：

(5)

其中，R0为岩巷半径，R0=2 847.17 mm；p0为原岩应力；c为粘聚力；φ为内摩擦角。

在应用上式进行塑性区计算时，应考虑实际情况对c，φ值进行折减，c，φ值的折减一般按照下述经验方法：1)选取c值时，如果计算塑性区最大半径Rmax，可以取实验值的20%～25%；2)选取φ值时，如果岩体中无充填物，按照其实验值的90%为计算值。

根据上述经验方法，结合陈家沟煤矿地质资料，上覆岩层的等效荷载为13.8 MPa，岩巷所在位置为粗砂岩，泊松比μ=0.17,c=2 MPa，内摩擦角φ=35°。根据式(5)计算，塑性区的范围为：

即：

RP=4 030 mm。

两帮塑性区的长度为：Lt=4 030-2 420=1 610 mm。

锚杆设计长度为2 400 mm，大于两帮塑性区长度，满足设计要求，同理，锚索也满足设计要求。

3 数值模拟

本文采用有限元软件ABAQUS，ABAQUS是一套功能强大的工程数值仿真软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS具有丰富的岩土材料本构模型，本文采用摩尔库仑准则来模拟岩土材料。

表1 数值计算模拟的岩石力学参数

结合陈家沟煤矿地质勘测报告和相关的力学实验参数(见表1)，本文建立了岩巷的数值计算模型(见图4)，为了简化计算模型，上覆岩层采用等效荷载的方式传递到数值计算模型上。

计算结果表明，岩巷两侧的塑性区域距两侧边缘在1 370 mm左右，岩巷顶板的塑性分布距离顶板边缘在6 900 mm左右，和理论计算相比较：

岩巷两侧的塑性区理论计算值和数值模拟结果误差14%，短锚长度为L=2 400 mm>1 370 mm，满足要求，锚索的长度为L=7 300 mm>6 900 mm，满足要求。

4 结语

1)陈家沟该岩巷的塑性区的理论计算值分别为2 200 mm，1 600 mm，锚杆和锚索满足设计要求。

2)数值模拟结果的塑性区在岩巷的两侧范围在1 370 mm，在顶部的范围在6 900 mm，锚杆和锚索同样满足设计要求。

3)理论结果和数值模拟结果较为吻合，两者可以作为岩巷支护设计的重要方法。

[1] 王金安，王树仁，冯锦艳，等.岩土工程数值计算方法实用教程[M].北京：科学出版社，2010.

[2] 庄 茁.基于ABAQUS的有限元分析和应用[M].北京：清华大学出版社，2012.

[3] 费 康.ABAQUS在岩土工程中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[4] 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元讲解[M].北京：机械工业出版社，2006.

[5] 陶龙光，刘 波，侯公羽.城市地下工程[M].北京：科学出版社，2011.

[6] 康红普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M].北京：煤炭工业出版社,2007:361.

[7] 周华强.巷道支护限制与稳定作用理论及其应用[M].徐州：中国矿业大学出版社,2006:143.

[8] 贺永年.深部巷道稳定的若干岩石力学问题[J].中国矿业大学学报，2006(3)：288-295.

Chenjiagou coal rock tunnel supporting parameters design rationality analysis research

Li Xuejun

(ChenjiagouCoalMine,HuatingCoalandElectricityCo.,Ltd,Huating744100,China)

Combination of Chenjiagou coal geological exploration data and design data, using the method of theoretical calculation and numerical simulation, numerical simulation and calculation of rock plastic zone. According to the calculation results of the two, it is concluded that the range of plastic area, basis for bolt supporting parameters. The results show that the bolt design parameters in accordance with numerical computation and theoretical calculation results.

theoretical calculation, plastic zone, numerical simulation

1009-6825(2015)07- 0047- 02

2014-12-31

李学军(1974- )，男，工程师

TD263

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