锚杆分次支护优化技术对巷道围岩影响的分析研究

2021-10-15荣叶明

机械管理开发 2021年9期

荣叶明

（临汾宏大隆博煤业有限公司，山西临汾 042100）

引言

锚杆支护技术是利用围岩自身的力量承载压力，从而提高岩体周围的强度，并与保护区相互作用形成完整的载重体，进而达到支护煤矿巷道的效果[1]。锚杆支护技术利用锚杆可连接巷道顶部和深部牢靠的岩层，控制巷道的下沉及掉落；组合梁作用，利用锚杆产生的锚固力提高围岩的抗变形力，进而提高围岩的抗剪切力，控制围岩产生位移变形，产生组合横梁作用；复合拱作用，利用锚杆支护施加预应力，将锚固范围内的围岩形成压缩拱的压缩带，实现围岩的三向应力状态转变，从而提高围岩的支护强度[2]。通过分析锚杆的支护作用，可知锚杆与围岩的作用效果有：一是采用锚杆支护井下巷道，提高了巷道围岩的各项性能，增强了围岩的屈服强度，进而改善了围岩的破坏变形；二是经过锚杆支护后的巷道强度进一步得到增强，在减小围岩变形的同时提高围岩的抗剪切力，阻止围岩的变形移动；三是进行锚杆支护加强，可消除拉应力作用，增大围岩的抗拉强度，减小压应力作用，进而减小围岩产生的位移变形量。通过上述分析，采用锚杆支护技术不仅提高了围岩的内聚力，还可增大围岩的内摩擦角，增加围岩的形变模量[3]，具有很好的支护效果。因此，本文在对比研究锚杆分次支护优化技术和传统锚杆支护技术两种方式的基础上，分析其巷道围岩的变形和锚杆所受轴力的变化规律，进而引出锚杆分次支护的优化技术。

1 两种支护技术对比方案

本文以某矿为对象，选取两种方案对比研究，方案1采用原锚杆支护技术的巷道保护，方案2采用锚杆分次支护技术，其中原锚杆支护是来源于传统理论设计的，掘进机掘进一定深度后停止并退出，开始由外向开挖方向依次进行巷道的锚杆支护；而锚杆分次支护优化技术的不同之处在于先在开挖巷道的顶部进行锚杆支护，随后随巷道掘进作业开展的同时再进行帮部锚杆的支护，即帮部锚杆支护滞后进行[4]。每种方案选取100 m为研究段，分别选取3个分析面，每个分析面间隔20 m，具体的布置示意图如图1所示。

图1 对比两种方案的布置示意图

2 两种支护技术对巷道围岩的影响

2.1 巷道围岩变形的对比分析研究

对于分析巷道围岩变形的情况，本文采用三角形布点法进行研究，一组20 m，每组设置4个研究点，分别设置在开挖巷道顶部和帮部的中间位置，并在顶部和两侧帮部各布置两个研究点，研究布置的示意图如图2所示。

图2 分析巷道围岩变形的布置示意图

采用上述布点法分析巷道围岩的变形情况，得到如下页图3所示的示意图，从图中可以看出，对于方案1，顶部巷道围岩变形的最大值是14.9 mm，两侧帮部的最大值是6.7 mm；对于方案2，顶部巷道围岩变形的最大值是17.7 mm，两侧帮部的最大值是8.6 mm。

图3 对比两种方案的巷道围岩变形曲线图

通过图3对比还可知，在原支护技术和锚杆分次支护技术下，在距开挖掘进面大约45 m后，巷道围岩的变化平缓，变形量趋于稳定，但是，对比分析围岩变形的最大值，原支护技术比分次支护的顶部变形值小2.8 mm，两侧帮部变形小1.9 mm，由于采用传统的锚杆支护技术是一次支护成巷，限制了巷道围岩的变形，而锚杆分次支护技术在前期开挖施工中准许围岩存在变形，随后随巷道掘进的同时完成分次支护技术，因此，只要将巷道围岩的变形控制在合理的范围内，在开挖掘进阶段可随时保证掘进作业的安全，也就可以保证井下煤矿的安全。所以，对比分析可知，采用锚杆分次支护技术，其顶板变形量要大于传统支护，因两侧帮部锚杆滞后作业，其帮部变形量也大于传统支护，但是其变形量都在可控的范围内。但在实践应用中发现，采用锚杆分次支护可更有效地保证巷道的稳定安全，显著提高巷道掘进速度。

2.2 巷道锚杆所受轴力的对比分析研究

在巷道围岩掘进开挖时，由于对锚杆的挤压作用，锚杆就会受到轴力，对比研究两种支护技术下的锚杆所受的轴力，得到如图4所示的变化曲线图。

从图4可以看出，在距掘进面0~45 m区间内，巷道围岩变形量逐渐增大，锚杆所受到的轴力值也呈现出相同的变化趋势，逐渐增大，对于方案2锚杆分次支护技术，锚杆最大轴力值是41.5 kN，距掘进开挖面48 m左右时稳定；对于方案1传统锚杆支护技术，锚杆最大轴力值是39.2 kN，距掘进开挖面43 m左右时稳定。