煤矿快速掘进技术中锚杆支护分析

王 晓

（长治市煤矿工程质量监督站， 山西 长治 046000）

引言

随着矿物质的开采，巷道越挖越深，对于巷道的快速防护措施关注点也越来越高。快速、安全、可靠的煤矿开采支护技术为技术工人提供有力的安全保障。据不完全统计，我国国有煤矿每年新掘进的巷道总长达12 000 km，80%以上是煤巷与半煤岩巷，巷道工程规模巨大，对煤矿安全、产量与效益有显著的影响，因此，巷道快速支护理论与技术一直是煤矿岩层控制的核心研究内容之一[1]。

1 锚杆支护技术的发展

1911年，美国阿伯施莱辛的弗里登斯煤矿在巷道中首先使用了岩石锚杆支护技术。

1934年，阿尔及利亚的舍尔法大坝的加高工程采用预应力锚杆支护技术进行加固，并取得成功，对锚杆的预应力达到10 000 kN级，这是世界上首次采用预应力技术加固锚杆。此后预应力锚杆支护技术被广泛的应用于煤矿工程、水利工程、建筑工程等领域。

我国煤矿于1956年在围岩比较稳定的岩巷中最先开始采用锚杆支护，当时主要采用楔缝式、倒楔式等机械锚固锚杆和钢丝绳砂浆锚杆[2]。随着我国逐步重视锚杆支护技术，并被列为国家重点研究项目，直至20世纪，锚杆支护技术已在我国煤矿产业中得到广泛应用。

锚杆支护施工快速简单，因此，锚杆技术的研究也实现了多个理论支持。对于不同施工环境条件采用不同的理论方法进行分析，保证施工环境的安全。

2 锚杆支护技术理论

锚杆是当代煤矿巷道中重要的支护技术，利用锚杆快速加强围岩稳定性、安全性，使围岩自身支护自身。发展到今天，锚杆支护技术也形成了多个理论支持。

2.1 悬吊理论

悬吊理论是由Louis.A.Panek于20世纪60年代发表，锚杆支护的悬吊理论认为通过锚杆使煤矿巷道顶层岩壁固定在一个稳定状态，防止顶层岩层变形、下层及坍塌（如图1所示）。

图1 锚杆的悬吊作用示意图

2.2 组合梁理论

锚杆支护组合梁理论也是最早的研究理论之一。组合梁理论被认为是把各个相对较薄的岩层通过锚杆连接组合到一起，形成一根梁结构，来增加巷道岩层的安全性和稳定性（如图2所示），防止各个岩层之间的滑动，出现分离现象，并增大岩层所能承受的剪切力。

图2 锚杆的组合梁作用示意图

2.3 组合拱理论

组合拱理论认为：在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩，带即承压拱，这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载[3]（如下页图3所示）。

2.4 水平应力理论

水平应力理论认为巷道岩层的水平应力比垂直应力大，最大水平应力是最小水平应力的1.5～2.5倍，且水平应力具有方向性，水平应力影响巷道顶板的稳定性，且易使巷道岩层发生滑移、下沉、坍塌等现象。

图3 锚杆的组合拱作用示意图

2.5 围岩强度强化理论

应用锚杆技术后，使围岩整体结构加强，安全系数增加，围岩应力结构发生改变。技术理论强调了锚杆技术在巷道岩层支护中所起到的作用，表达了锚杆支护的作用机理。

2.6 松动圈理论

松动圈理论是由董方庭等提出的一种针对岩层防护理论[2]。松动圈支护理论是基于煤矿巷道围岩松动圈，支护对象为松动圈围岩的一种理论，通过声测方法确定巷道围岩的破裂带，并以此为根据，以围岩松动圈尺寸为指标的围岩防护理论。

3 锚杆支护的设计及应用

锚杆的应用关系到施工过程的安全，所以在设计锚杆时，应严格遵守《煤矿安全规程》、《煤炭行业标准》等国家标准和行业标准。锚杆的支护设计包括选型、确定锚杆支护的形式、计算锚杆的设计参数及验证结果。

3.1 锚杆类型及支护形式

锚杆划分形式多种多样，根据受力形式、施用对象、锚杆结构、锚固方式等划分，目前国内外常用的划分方式为锚固方式及锚固长度划分。按照锚固长度划分，可分集中锚固和全长锚固两大种类。由于煤矿工程地理环境的复杂性，使得施工现场测量难度系数变大，因此，要考察巷道岩层情况，估算所需锚固力大小，锚杆服务年限，针对不同施工环境，应用不同种类的锚杆。

锚杆支护形式有多种，锚喷、锚网喷等应用于服务年限较长的巷道，锚带、锚网、锚梁等支护形式应用于服务年限较短的围岩巷道。根据考察得到巷道情况、服务年限、所需锚固力大小选择合适的锚杆支护形式。

3.2 锚杆参数设计

沿着煤矿巷道挖掘，一般巷道顶部为碎岩层，易下沉、掉落、坍塌。所以对于锚杆的设计计算应考虑实际工程情况来选择相适应的技术理论，以便在快速施工的同时保证现场施工的安全。

首先根据巷道岩层情况，选取合适的设计理论，计算锚固力，确定锚杆各个尺寸参数，锚杆间距、排距。其次根据现场施工实际情况，加入适当加固理论、预应力理论等计算锚杆参数。最后利用数值模拟软件ANSYS、UDEC、FLAC3D等软件模拟实际情况，验证设计结果。锚杆设计过程如图4所示。

图4 锚杆参数设计过程

3.3 锚杆的施工流程

按照锚杆参数设计结果选型，根据受力形式、施用对象选取锚杆结构和锚固方式。按照锚杆的施工流程进行工程的快速施工，其流程为：放线定位→钻孔→安放锚杆及防腐处理→清孔、注浆→张拉锁定→腰梁或冠梁施工

1）根据设计要求定位，选择合适的工具及钻孔方式进行钻孔。钻孔时应满足安装和施工的要求。

2）选择合适尺寸的锚杆进行安装，安装时防止杆体扭曲、弯折及各零部件松脱。并采取在锚杆表面涂润滑油、防腐漆、水泥浆等防腐措施。

3）采用合适比例的灌浆料，清洁安装孔，把配好的灌浆料注入安装孔中。

4）安装锚杆时，考虑锚杆的张拉顺序，按照技术要求采用锚具锁定，如果发现有预应力损失，及时进行补偿张拉。

4 锚杆支护在快速掘进技术中的应用实例分析

图5 锚杆支护示意图

某矿巷道地质情况为巷道高度为2.8 m，顶部岩层厚度为1.5 m，顶部煤厚度约为2.5 m。

因此巷道顶部厚度约为4.0 m，考虑到支护层较厚，应选取全长锚杆进行支护防护。巷道顶层地质较软，在进行锚杆支护时，防止岩层较软坍塌，考虑与锚索相结合的形式进行支护。锚索形成外拱，锚杆形成内拱，锚索加锚杆相结合成组合拱的形式，共同对巷道进行支护（如图5所示）。结合实际情况，计算锚杆有效承受岩层的重量与锚杆抗剪强度，通过合适的额间距与排距，进行数值模拟分析，使巷道整体保持在一个安全施工范围。

5 结语

锚杆支护安装快速简单、施用灵活、占地面积小，是一项重要的煤矿巷道安全技术措施，能够有效阻止巷道岩层滑移、下沉、坍塌等现象的发生，不仅起到安全防范的作用，而且对于快速施工、降低成本、增加效益同样具有重要的意义。