回采巷道支护参数优化研究

张明先

摘 要：巷道开挖后，巷道周围岩体中的原有力學静态平衡被破坏，引起应力重新分布，巷道围岩产生变形或位移。对这种变形或位移不能给予有效控制，将导致围岩破坏。为维护巷道的稳定，需要对巷道围岩进行有效支护，达到阻止围岩过度变形或松动，即限制围岩破裂的过度发展。锚杆支护作为一种柔性支护，它能够与围岩共同变形，并能很好的控制围岩的变形[1]。但锚杆支护在实际应用中，常出现支护参数不合理，锚杆作用不能得到充分发挥的情况，造成支护材料浪费，增加了支护成本。因此进行改进锚杆的支护参数设计的研究，优化锚杆支护参数，是十分重要的和必要的。

关键词：锚杆支护；围岩稳定；弹塑性

引言

锚杆支护参数优化是指在保证围岩稳定性的前提下，使锚杆的加固能力和围岩的自承能力同时得到充分发挥，实现锚杆与围岩相互作用形成锚固体共同承载，既能够获得良好的加固效果，又降低支护材料消耗和支护成本。锚杆支护设计优化采用理论计算和数值模拟等方法进行研究，所得成果存在理论性太强，普遍适用性受限制，取值的参数不够准确，难以推广应用等缺点[2]。研究认为通过理论推算，求出需要的支护载荷及巷道变形的范围或塑性圈半径，进而可能设计出合理的锚杆参数，再通过锚杆承载力监测对锚杆参数作进一步修改，最终可实现锚杆参数的优化。

1 围岩弹塑性变形与支护机理

巷道开挖后，巷道围岩应力重新分布，当二次应力达到一定值时，巷道围岩体产生弹塑性变形，并形成松动圈，塑性区，弹性区。把巷道断面按外接圆等效为圆形，按平面应变进行求解可得到轴对称圆形巷道周边的位移公式[3]：

巷道周边围岩的位移影响围岩支护阻力，围岩支护阻力由锚杆提供。可以看出锚杆的锚固力是随着巷道围岩的变形而变化的，巷道围岩变形越大，需要锚杆提供的阻力越小，因为围岩变形释放掉了一部分弹性能，减小了所需支护阻力。如果通过巷道周边位移监测，在围岩体位移马上到达破裂极限时，使锚杆支护发挥作用，限制围岩进一步变形，将有利于保持围岩体的平衡稳定。实现锚杆与围岩共同承载的目的，从而设计出更为合理的支护参数。

3.2 参数对比分析与优化

巷道原来的支护参数为：螺纹钢锚杆Φ18mm×1.1m，间排距1m×1m，此时锚杆锚固端在巷道围岩塑性区未到达弹性区，在塑性区内Rp随锚杆长度增加开始阶段显著减小，呈双曲线函数关系，但一定阶段后，Rp基本不发生变化，呈近水平直线变化。而锚杆锚固端在围岩塑性区半径处，将锚杆长度稍微增加锚固到弹性区时，Rp有适当减小，可充分发挥围岩体的承载能力。

优化后调整为Φ18mm×1.4m，间排距1.1m×1.1m。锚杆支护参数优化后使得锚杆支护更安全合理，节约了锚杆量，减少劳动时间，提高了巷道围岩的安全稳定性，使锚固作用和围岩的自承能力得到了充分的发挥，达到预期目的。

4 结论

在相同条件下，锚杆长度是改变巷道围岩塑性区范围的一个重要因素。根据巷道围岩塑性区半径，合理地选择锚杆长度，可以有效地控制围岩塑性区，并减小塑性区半径；既避免了围岩塑性区过大造成的巷道维护困难，又减少支护材料的消耗，更好发挥锚杆的支护作用和围岩自承能力，有利于实现巷道稳定。

参考文献：

[1]张社荣，顾岩，张宗亮.超大型地下洞室围岩锚杆支护方式的优化设计[J].水力发电学报，2007，26（5）：47-52.

[2]孔德森，蒋金泉.深部巷道锚杆支护参数优化设计[J].煤，2001，10（6）：1-3.

[3]李大伟，侯朝炯.锚杆支护对围岩稳定作用的弹塑性力学计算与应用[J].西安科技大学学报， 2006，3（1）：20-23.

[4]董礼.采准巷道锚杆支护参数选择研究[J].中国煤炭，2003，9（29）：34-35.