煤矿巷道锚杆支护参数选取方式研究

2018-12-05唐禹

山东煤炭科技 2018年3期

唐禹

（同煤国电同忻煤矿有限公司，山西大同 037001）

关于锚杆的支护机理研究，主要有以下四种观点：第一，悬吊作用；第二，组合梁作用；第三，三铰拱机制；第四，经验公式。这些理论各有特点，通过这些理论得出的相关支护参数也不同，这几种理论也都有相应的适用条件。这主要由以下两方面因素决定：一是地质条件，二是巷道围岩条件。本文以同忻煤矿5107顺槽为背景，通过不同的锚杆支护理论得出相应的支护参数，并采用数值模拟方法来对比分析不同的支护参数，从而确定最佳的锚杆支护参数。

1 概况

同忻煤矿5107顺槽埋藏较深，巷道围岩中存在较大的应力。地质构造简单，无断层，岩石普氏系数较低，表现出较低的强度。顺槽岩层组成部分主要包括以下三种岩层：一是灰色页岩，二是暗灰色粉砂岩，三是暗灰色细砂岩。

5107顺槽掘进初期按照设计的锚杆支护，采用钢筋树脂锚杆，其规格Ф18×1800mm，支护密度700×700mm。在掘进过程中，巷道存在较为严重的变形，对正常生产产生了一定的影响。

2 支护参数计算方法

2.1 悬吊机制计算方法

悬吊理论是通过锚杆的锚固作用，将煤岩层顶板下部的强度较低的部分吊在其上部强度比较大的煤岩层。

支护参数的确定：

式中：

l-锚杆的总长度，m；

l1-锚杆的暴露长度，m；

l2-锚杆的被锚固长度，m；

l3-锚杆伸入老顶的长度，m；

R0-等效圆掘进半径，m；

RP-破碎带高度，m；

K-应力集中系数；

γ- 岩石容重，kN/m3；

H-巷道的埋藏深度，m；

φ、C-分别为岩体的内摩擦角和粘结强度（MPa）。

式中：

d-锚杆的直径，m；

Q、σt-锚杆的锚固力(kN)和锚杆的杆体抗拉强度（MPa），一般通过数据表获得。

式中：

a-锚杆的间排距，m。

2.2 组合梁机制计算方法

当没有坚硬而厚煤岩层顶板且存在多层薄煤岩层时，通过组合梁机制，即锚杆的预拉应力作用，来实现对各煤岩层的一种挤紧作用，从根本上提高了煤岩层的自身强度，进而提高了煤岩层的自承能力。

支护参数的确定：

式中：

t-组合拱厚度，m；

α-锚杆控制角，通常确定为45°。

2.3 三铰拱机制计算方法

若围岩在矿山压力的作用下出现了裂隙，形成了块状围岩，则比较适合应用三铰拱机制，该机制通过锚杆的悬吊作用，将块状围岩悬吊起来，使其彼此挤压，从而形成了一种特殊的结构，即二铰拱结构。与之前相比，这种结构比较稳定，既能将岩块固定在一块，又能强化岩块的整体性，从而提高了围岩的自承能力。

支护参数确定：

式中：

B-巷道宽度，m ；

f0-可取0。

2.4 经验公式计算方法

支护参数的确定：

式中：

N-与稳定性有关的系数；

q-锚杆密度，根/m2；

M-与围岩稳定性有关的系数。

3 支护参数设计计算与分析

3.1 支护参数设计

巷道相关尺寸具体详见图1。在地质条件已知的情况下，根据上述不同的锚杆支护机制，分别计算出相应的支护参数，详见表1。

图1 总回风巷道断面示意图（mm）

表1 不同支护参数的确定

3.2 模拟研究

对于上述四种理论机制下计算出的支护参数进行分析，可以得到不同支护参数下的巷道变形情况，确定巷道最佳的支护参数。根据巷道情况，建立数值分析模型，模型长度为30m，宽度为10m，高度为20m。模型上部采用垂直应力约束，其他部分采用固定位移约束。设定不同岩石的力学参数。下图2、图3分别为无支护和常见的悬吊理论下的模拟结果。

3.2.1 巷道帮部变形模拟

对5种锚杆支护参数下巷道帮部变形情况进行分析，其具体结果详见图4。