深井巷道正交法锚网支护设计

收藏 打印 发给朋友 发布者：蔡正委1 侯俊领 2 袁 琳 2，3，4

热度0票  浏览66次 时间：2021年6月08日 09:32

关键词：锚杆支护；支护设计；煤巷；正交试验

1引言

对照巷道的围岩构造、地应力规律及支护断面，依据条件基本相同的已建巷道的结构确定设计巷道结构尺寸的设计方法叫工程类比法。工程类比法可以分为：直接对比法和间接类比法。直接对比法一般就围岩的强度和完整性、工作面巷道深度、巷道尺寸、地应力等方面因素进行比较，将条件基本相同的已建巷道结构作为设计隧道的结构。间接类比法，根据主要分类指标对大量相同巷道围岩进行分类，并给出相应的设计参数，可用于拟建巷道的设计。

数值模拟又称数值分析方法，是用计算机程序来求解数学模型的近似解，又称计算机模拟。在工程技术应用中，很多情况下无法及时进行分析实验，如采矿问题等，数值模拟企业内部控制程序有相应的计算教学方法，能模拟较复杂过程。数值模拟方法是对某个测点或则某个进行应力分析和位移分析。

信息反馈设计法是一种以对地应力场、巷道矿压显现以及锚杆承载工况进行实测为基础，辅以计算机数值模拟的锚杆支护设计方法。区别于传统设计方法的最大特点在于把锚杆支护设计看作为一个动态过程，这个过程包括 4 个阶段：（1）在现场地质力学实测与评估的基础上提出初始设计；（2）对按初始设计支护的巷道进行综合观测；（3）根据观测结果对初始设计加以验证，进行必要的修改、调整优化，形成正式设计；（4）对按正式设计支护的巷道进行日常矿压观测。

正交实验法就是利用排列整齐的表-正交表来对试验进行整体设计、综合比较、统计分析，实现通过少数的实验次数找到较好的生产条件，以达到最高生产工艺效果，这种试验设计法是从大量的试验点中挑选适量的具有代表性的点，利用已经造好的表格——正交表来安排试验，并使用直观分析法进行数据分析的方法。

2 正交试验表设计

淮南矿业集团顾桥矿的 1126（1）工作面地质和开采技术条件为背景，模型沿 X 走向长 100m，沿 Y 方向宽为 100m，模型高度为 93.71m。本支护设计采用锚杆、锚索支护，故选择锚杆性能参数：锚杆长度、锚杆间排距和锚固预紧力作为实验因素。并且创新性的将水平地应力与巷道轴线夹角作为因素之一，这也是首次将水平地应力与巷道轴线夹角作为正交因素，期望以此得到地应力与巷道轴线夹角对围岩稳定性影响的有效分析，加强深井孤岛工作面的地应力控制效果。

需要进行正交试验的因素及水平如下表 1：

表 1 四因素三水平表

水平

A水平地应力与

巷道轴线夹角/°

B锚索

布置形式

B锚杆间排距

/mm×mm

D锚固预

紧力/KN

1  0  5-5  600×600  0

2  45  5-0-5  800×800  20

3  90  5-0-0-5  1000×1000  60

根据四因素三水平表设计出正交试验表 2：

表 2 正交试验表

实验

编号

因素

A 水平地应力与

巷道轴线夹角

B 锚索布置

形式

C 锚杆

间排距

D 锚固

预紧力

实验 1  A1  B1  C1  D1

实验 2  A1  B2  C2  D2

实验 3  A1  B3  C3  D3

实验 4  A2  B1  C2  D3

实验 5  A2  B2  C3  D1

实验 6  A2  B3  C1  D2

实验 7  A3  B1  C3  D2

实验 8  A3  B2  C1  D3

实验 9  A3  B3  C2  D1

正交试验表的设计到此完成，正交支护试验过程以此为准。为了获取具体的试验巷道数据，以便数值模拟，接下来对进行正交支护设计的回采巷道做地质力学评估，评估内容包括：地应力显现规律和巷道围岩的物理力学性质。

3 计算过程

依据巷道具体地质条件，建立采场工作面 FLAC3D 三维计算模型进行数值模拟，对以上 9 种方案进行数值计算。以实验 3 计算方案为例，水平地应力与巷道轴线夹角 0°，锚索布置形式5-0-0-5，锚杆间排距 1000mm×1000mm，锚固预紧力 60KN；模型体表面应力 SZZ 为 18.7MPa，SXX 表面应力为 28MPa，SYY 表面应力为 14MPa。图 1 为工作面布置，图 2-4 为模拟计算结果云图。

图 1 1126（1）工作面布置情况 图 2 szz 应力分布切面云图图 3 第三个模型位移切面云图 图 4 第三个模型锚杆轴力图4 试验结果

按照正交试验内容表，依次进行 9 次数值模拟实验[13]，并记录实验所得的围岩位移近量数据。为方便实验结果分析，围岩位移近量以极差表格形式生成，实验结果如表 3、4 所示。

表 3 围岩位移近量表

单位/mm  1  2  3  4  5  6  7  8  9

顶板位移 35.28 35.43 35.36 41.69 41.46 41.44 27.62 27.60 27.42底板位移 40.07 40.07 40.07 51.42 51.42 51.42 64.91 64.91 64.91左帮位移 0.27 0.26 0.27 0.28 0.28 0.28 0.26 0.26 0.25右帮位移 0.29 0.30 0.29 0.29 0.29 0.28 0.15 0.14 0.17表 3 为围岩位移近量表，分别记录了各个方案的顶板位移量、底板位移近量、左帮位移近量和右帮位移近量。这些位移近量直观的表现出各个方案对实验结果的影响，方便接下来做数据直观分析。

表 4 位移量求和表

单位/mm3  1 2 3 4  5  6  7  8  9

顶板位移近量 4.79 4.64 4.71 9.73 9.96 9.98 37.29 37.31 37.49两帮位移近量 0.56 0.56 0.56 0.57 0.57 0.57 0.41 0.41 0.43将顶底板和两帮的围岩位移近量分别相加，可以得到巷道在水平方向和竖直方向的围岩位移近量。根据正交试验所得结果表3，结合实验方案表可得到表 5 实验结果总表。

表 5 实验结果总表

实验

编号

A 夹角

B 锚索布

置形式

C 锚杆

间排距

D 锚固

预紧力

顶底板

位移近量

两侧帮位

移近量

实验 1 A1  B1  C1  D1  4.79  0.56

实验 2 A1  B2  C2  D2  4.64  0.56

实验 3 A1  B3  C3  D3  4.71  0.56

实验 4 A2  B1  C2  D3  9.73  0.57

实验 5 A2  B2  C3  D1  9.96  0.57

实验 6 A2  B3  C1  D2  9.98  0.57

实验 7 A3  B1  C3  D2  37.29  0.41

实验 8 A3  B2  C1  D3  37.31  0.41

实验 9 A3  B3  C2  D1  37.49  0.43

5 试验结果

由直观分析结果可知，各个因素对顶底板的围岩稳定性的影响要大于对两帮围岩稳定性的影响，故在进行巷道支护时，应加强对顶底板的围岩支护。且对深井巷道围岩稳定性的影响大小依次为：水平地应力与巷道轴线夹角、锚杆长度、锚固预紧力及锚杆间排距。支护效果最好的方案为：水平地应力与巷道轴线夹角0°，锚索布置形式为“5-0-5”，锚固预紧力 60KN，锚杆间排距600mm×600mm。

参考文献

[1]陈鑫源. 深部高应力巷道锚杆支护优化设计研究[D]. 湖南科技大学，2015（06）：24-34.

[2]翟灵俊. 深井高地应力大断面沿空巷道支护方案优化[J].

机械管理开发，2019.（02）：146-147.

[3]邢振海. 煤巷破碎顶板条件下锚固支护研究[D]. 山东：山东科技大学，2006（11）：22-24.

[4]余荣春，岳鹏飞. 深部软岩回采巷道支护方案分析[J].煤炭技术，2015（07）：151-152.

[5]朱家锐，毛明发，常伟. 基于正交试验对深部巷道锚喷网支护参数的设计与优化[J]. 煤矿技术，2017（12）：22-24.

作者简介：蔡正委（1982-），男，四川内江人，硕士，高级工程师，从事煤矿安全方向研究。