金家庄煤矿4#煤层11盘区大巷锚杆支护参数选定分析

范世锦，王 亮

(1.吕梁市煤矿通风与瓦斯防治中心，山西 离石 033000；2.北京高卓东升科技有限公司，北京 100083)

1 理论基础

本文在分析金家庄煤矿4#煤层11盘区大巷锚杆支护参数选定时，主要依据是中国矿业大学侯朝炯教授提出的煤矿巷道围岩锚杆强度强化理论[1]。其具体的内容主要包括以下几个方面：

1)锚杆和围岩是相互作用的统一体，应将锚固体看作统一的承载结构来分析。

2)锚杆支护能改善不同破裂及变形状态下的岩体(包括破碎区、塑性软化区及弹性区)的力学参数，相应提高锚固区内岩体的峰值强度、峰后强度及残余强度。

3)锚固体破坏前后的力学性都较破裂岩体有所改善，因而发生较大变形后，锚固体仍起作用。

4)锚杆支护增加围压，改善巷道围岩的应力状态，而软弱破碎岩石强度对围压值十分敏感，在低围压状态下随围压增加强度直线上升。

5)锚杆支护通过抑制围岩破碎区及塑性区的发展，从而控制了巷道围岩的最终变形和破坏。

2 4#煤巷道围岩地质条件

金家庄煤矿11盘区皮带大巷、轨道大巷与回风大巷三条大巷均位于3#煤层110302工作面采空区下，大巷断面尺寸为4m×3m，4#煤层与3#煤层的层间距约7m左右。

11盘区大巷距离ZK1-1钻孔较近，围岩地质条件以此钻孔为依据。

依据此钻孔揭露情况，金家庄4#煤层厚为4.35m，直接顶为3.71m的泥岩，其上为2.18m的砂质泥岩，底板为7.39m的泥岩，具体顶底板情况见表1。

表1 金家庄4#煤层大巷及顺槽围岩地质条件

3 锚杆支护参数确定方法

3.1 数值模型的建立

依据11盘区大巷围岩地质条件，建立数值计算力学模型，如图1所示。模型上方施加上覆岩层载荷，模型两侧及底部分别施加水平位移约束和垂直位移约束。建立模型网格后，依据试验室获得的岩石力学参数进行赋值，并施加载荷和约束。之后进行运算，使得模型达到初始应力状态。然后进行工作面和巷道的开挖，模拟计算不同支护参数条件下的巷道稳定性，选择较为合理的锚杆支护参数，主要包括锚杆长度、间排距等。数值计算模型如图2所示。

图1 金家庄11盘区大巷锚杆支护设计力学模型

图2 金家庄11盘区大巷锚杆支护参数数值计算模型图

11盘区大巷断面宽×高为4m×3m。4#煤层块体尺寸为0.5m×0.5m、直接底泥岩块体尺寸为1m×1m，直接顶块体尺寸为1m×2m，向上的岩层块体尺寸为1m×5m。上覆岩层块体尺寸较大，为10m×10m。模型总体尺寸为(宽×高)140m×89.9m，上边界载荷按采深200m计算，模型底边界垂直方向固定，左右边界水平方向固定，数值计算模型如图2所示。根据4#煤层顶、底板力学性质测试结果，参考相关资料，得到各层岩体物理力学参数，并给各岩层赋值。

3.2 锚杆一般参数确定

3.2.1 锚杆材质与直径的确定

为有效地控制巷道围岩变形和离层，锚杆必须给围岩可靠的支护阻力。当锚杆材质一定时，支护阻力的大小与杆体半径的平方成正比，也就是说，直径越大，支护阻力和锚杆支护系统刚度越大，对支护越有利。同时，需要考虑锚杆直径与钻孔孔径的合理匹配，如果差值太小，安装方面会有困难，而差值太大，则会降低锚杆锚固力。

大巷服务年限比一般巷道较长，且至少要受到两侧工作面两次回采影响。考虑支护阻力的需要，目前矿方施工机具条件以及经济等因素，确定顶板锚杆直径、两帮锚杆直径均为20mm，能够满足高锚固力、材料节约、施工方便的要求。

锚杆材质和直径确定的基础上，采用数值计算方法，对顶锚杆长度、帮锚杆长度以及锚杆的间排距进行选择。

3.2.2 锚杆长度的确定

锚杆长度是锚杆支护参数中的关键参数之一。就巷道支护整体结构而言，锚杆长度太短，在巷道围岩内形成的加固厚度较小，不利于巷道顶板的稳定。固定锚杆直径为20mm、间排距为800mm×800mm，模拟不同锚杆长度对大巷变形情况的影响。表2为不同锚杆长度下的围岩变形量。图3为随着顶板锚杆长度的变化围岩变形量的变化趋势。

由表2和图3可以看出，锚杆长度是影响巷道维护效果的重要参数。当锚杆长度从2100mm增大至2700mm时，顶板下沉量、底臌量及两帮相对移近量分别减小164mm、73mm、205mm。锚杆长度小于2500mm时，巷道表面变形量变化较大；锚杆长度大于等于2500mm时，巷道表面变形量变化较小。因为大巷服务年限较长，且顶板为泥岩或砂质泥岩，强度小，且受3#煤采动影响，考虑到一定的安全系数，顶板锚杆和两帮锚杆长度均取2500mm。

表2 锚杆长度对围岩变形的影响

图3 锚杆长度与围岩变形的关系

3.2.3 锚杆间排距确定

对巷道支护整体结构而言，间排距过大，支护强度变小，甚至不能形成连续的承载结构，难以有效控制巷道围岩变形。针对大巷断面尺寸、围岩地质条件以及采动状况，提出4种锚杆间排距方案，固定顶板锚杆间距700mm，帮锚杆间距为800mnm，排距按照1000mm、900mm、800mm、700mm进行模拟。表3为不同排距下的围岩变形量。图4为随着排距的变化围岩变形量的变化趋势。

由表3和图4可知，排距较大时，由于未能形成整体承载支护结构，围岩变形较大，随着排距的减小，围岩变形量逐渐减小，但减小至800mm时，再减小排距，对围岩变形影响较小。锚杆排距由1000mm减小至800mm时，顶板下沉量、底臌量以及两帮相对移近量分别减小145mm、82mm、120mm，继续由800mm减小至700mm时，分别减小15mm、25mm、23mm，巷道维护效果基本相同。综合考虑安全、经济等方面的因素，确定顶板锚杆间距为700mm,两帮锚杆间距为800mm，排距为800mm。

表3 回采期间巷道表面位移量

图4 锚杆间排距与围岩变形的关系

3.2.4 锚索支护

4#煤与3#煤的层间距7m左右，薄的地方5～6m，110403工作面顺槽掘进时，5m锚索锚不住，5m锚索时锚在3#煤采空区下方破碎岩层中。因此，层间距为7m时，一般锚索长度设计为5m，如果层间距变薄，要适当减小锚索长度，以保证锚索锚固在稳定岩层当中。锚索采用Φ17.8mm×5000mm钢绞线锚索，每排两根，间距1600mm，排距1600mm。

3.3 锚杆支护其他参数

锚杆支护参数包括锚杆材质、锚杆直径、锚杆长度、锚杆间排距、锚固方式、预紧力、附件等。

3.3.1 锚杆材质

大巷顶板和两帮锚杆选择材质为20MnSi的左旋螺纹钢锚杆，其屈服强度和极限强度大，控制围岩变形效果好，杆体表面具有凹凸纹理，能够保证锚杆与锚固剂之间较大的黏结力。

3.3.2 预紧力

锚杆预紧力对控制围岩变形有很重要的作用。据研究结果，认为锚杆预紧力的合理最小值为20～30kN。当预紧力小于此范围时，围岩变形量有较大增加，而预紧力大于此值时，对控制巷道围岩变形的作用不明显。因此，确定锚杆预紧力大于20kN，锚杆螺母上紧扭矩大于150N·m。

3.3.3 锚固剂及锚固长度

锚固剂采用树脂药卷， 凝结速度为超快、中速，

顶板、两帮锚杆采用的树脂药卷均为CK2340一支、Z2360一支；锚索采用树脂药卷为CK2340一支、Z2360两支。

3.3.4 锚杆支护附件

包括金属网、托盘等，顶板、两帮配套使用金属网，所有锚杆托盘使用钢托盘，托盘厚度10 mm。

4 锚杆支护效果检验

三条大巷锚杆采用上述参数支护后，矿山压力无明显显现，根据顶板离层仪观察，围岩无任何变形。顶板支护后处于稳定状态，巷帮采用锚网支护，不存在偏帮现象，支护成功。

[1]侯朝炯，勾攀峰.巷道锚杆支护围岩强度强化机理研究[J].岩石力学与工程学报，2000，19(3)：342-345.