控制煤体滑动的锚杆支护技术数值分析与工程应用

为何煤矿安全仍然重要

深部地下煤矿为家庭和工业提供能源，但也潜藏剧烈的危险。其中最危险的隐患之一是煤体突发冲击，即突然释放的能量能将煤体横向推移并损坏巷道。本文研究通过重新设计金属锚杆在煤与岩之间的布置，来遏制这种力量，从而维持巷道稳定并保护矿工安全。

滑动的煤体与隐蔽薄弱面

在许多高应力矿区，靠近巷道的煤体并非简单崩落；它可能沿着与较硬围岩接触的界面作为整体滑动。此类滑动会释放地下储存的能量，可能冲坏设备并威胁人员安全。薄弱环节就在于煤—岩界面，常常无法抵抗强烈的横向推力。传统锚杆支护主要为支承顶板设计，并非为阻止整块煤沿该界面滑移。

锚杆：默默的守护者

作者聚焦锚杆如何将煤与岩钉结为一体，使其共同运动而不分离。跨越界面的锚杆可发挥两种作用。其一，压紧接触面，增加摩擦，从而降低滑移可能。其二，当煤体试图移动时，锚杆弯曲并拉伸，产生约束力抵抗滑动，并将荷载传递到围岩的更坚实部分。关键问题是锚杆角度如何决定其是以拉伸承载为主还是以剪切方式被切断。

锚杆角度的虚拟试验

为探讨这一点，团队建立了一个详细的三维数值模型，模拟由单根锚杆连接的煤与岩切片。利用数值模拟软件，他们推动煤体横向滑移，并观察锚杆在四种角度下的力学表现：相对于煤岩界面为30、45、60和90度。在30度和45度时，锚杆沿长度方向被拉伸，中部变细，最终发生典型的拉断破坏。在60度和90度时，锚杆则明显弯曲并沿平面失效，表明以剪切切割为主而非拉断。

寻找强度与能量吸收的最佳角度

模拟显示，当锚杆以拉伸为主时，破坏更缓和且能承受更高荷载。在30度，尤其是45度时，锚杆达到更高的峰值力，并在断裂前具有更大的安全拉应变。它们也吸收了更多的应变能，意味着能消散更多来自突发地层位移的冲击能量。较陡角度的锚杆承载力较低，破坏前变形较小，更易发生突发剪切破坏。这些结果指向45度作为在几何布置与力学强度之间的最有效折衷。

将设计应用于实际矿山

研究者随后在一处中国深部煤矿对该设计进行了现场验证。在一段回风顺槽中，一处保留原有支护系统；在相邻地质条件相似的路段，他们改变了边帮的支护布置：上排锚杆倾斜至45度，并配合更长的锚索锚固到上方和下方的更坚实地层。在整个掘进及后续采煤周期内，他们监测了顶板收敛、边帮位移及顶板裂理发展等，以观察围岩体的响应。

更安全的巷道与更小的位移

监测结果表明，优化后的支护明显提升了稳定性。掘进期间，试验路段的顶板闭合较小，顶板层间分离保持在较低水平。改进段的边帮位移较旧设计减少约28.6%。在采煤后应力进一步增加时，优化巷道的边帮位移约为传统支护的一半，较深处的顶板分离增长也显著放缓。这些发现表明，正确角度布置的锚杆，配合合理布置的锚索，能够有效夹牢煤与围岩，限制大规模滑移事件。

对矿山安全的意义

对普通读者而言，结论很直接。通过将锚杆倾斜使其以拉力工作而非剪切，工程师可以从相同的构件中获得更高的强度和能量吸收能力，将煤—岩接触从薄弱的滑面转变为牢固的锁结面。研究将45度指出为一个实用的目标角度，并在现场展示了该布置在高应力矿区减少巷道变形的效果。尽管对其他类型的岩爆情况仍需进一步研究，这一方法为在滑动煤体风险较高的地下巷道提供了明确的改进路径。

引用: Wang, C., Ma, S. Numerical analysis and engineering application of bolt support technology for controlling coal body sliding. Sci Rep 16, 15566 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46530-w

关键词: 煤震, 锚杆, 巷道支护, 数值模拟, 矿山稳定性