基于多目标正交试验的锚杆支护参数设计

刘云强

(陕西华彬煤业股份有限公司蒋家河煤矿，陕西 彬州 713500)

0 引言

2010年以来，新掘巷道采用锚杆支护技术占比已经在90%以上，常用的锚杆支护设计方法有工程类比法、理论分析法和以地应力测试为基础的动态系统设计方法等[1]。动态系数设计方法以其准确性、适应地质条件多变性特点在煤矿锚杆支护设计中得到较好地应用，而地应力、煤岩力学特性及围岩结构测试技术的长足进步，推动了该设计方法在煤矿中的进一步应用。

进行锚杆支护参数优化时，动态系统设计方法较多地采用单一参数比较法和正交试验法，尤其是正交试验法以其能分析优化参数之间是否存在交叉影响关系而更能准确地反映锚杆支护参数对围岩稳定性的影响规律。近十年来，国内外学者针对锚杆支护参数正交试验进行了较多研究。刘海雁等[2]采用正交数值模拟方法，系统研究不同锚杆长度、预紧力及顶角锚杆安装角度下的塑性区体积、顶底板移近量和两帮收敛量的变化规律，在此基础上，提出巷道锚杆支护正交设计矩阵分析方法[3-8]。马生徽等[9]采用正交试验极差分析法分析不同支护参数组合对支护效果的影响，为玻璃钢锚杆合理支护参数的选取提供依据；郭保华等[10]对不同围岩强度下交岔点巷道的支护参数进行了极差和方差分析；孟超等[11]采用正交试验极差分析法对沿空掘巷条件下的锚杆长度、锚杆间距、锚杆预紧力、锚杆直径4项锚杆支护主要参数的敏感性进行了对比分析研究；董宗斌[12]应用正交试验的方法，以现场实测围岩变形为标准，对围岩力学参数进行了反演，基于反演得到的围岩力学参数和地应力测试结果，进行了锚杆支护设计。

目前，国内外学者较多以顶底板移近量或两帮移近量单目标作为锚杆支护参数的正交试验方案选择依据，而往往忽视了两者的综合影响，需进一步提高支护设计的准确性。

1 工程概况

蒋家河煤矿ZF215工作面位于二采区3条大巷的北侧，南侧为二采区设计变更后2条大巷护巷煤柱，西侧为二采区未采实煤体，东侧为ZF213工作面，北邻矿井边界保护煤柱，埋深约440～500 m。所采煤层为4号煤，属稳定煤层，厚度2.6～6.1 m，平均4.0 m。煤层结构单一，局部含1层0.1～0.3 m厚的夹矸，普氏硬度系数1.9～2.7。ZF215工作面回风巷设计断面为矩形5.0 m×3.1 m(宽×高)，巷道顶底板岩体特性见表1。

表1 顶底板岩体特性

2 正交试验及分析

2.1 正交试验因素水平确定

2.1.1 锚杆直径

依据煤矿巷道锚杆支护技术相关规范，钻孔直径与锚杆杆体直径之差应为6～10 mm。因此，对于目前煤矿普遍使用的28 mm钻孔，适宜锚固的锚杆直径为18～22 mm，选取锚杆直径18 mm、20 mm、22 mm共3个水平参与正交试验。

2.1.2 预紧力

我国锚杆预紧力设计一般要求达到锚杆屈服载荷的30%～60%，蒋家河煤矿采用材质为HRB335的锚杆，预紧力上限范围为51.2～76.4 kN(直径18～22 mm)。选取锚杆预紧力50 kN、60 kN、70 kN共3个水平参与正交试验。

2.1.3 锚杆长度

对类似地质条件巷道ZF211工作面回风巷进行地质雷达探测，结果如图1所示。依据ZF211工作面回风巷围岩松动圈探测结果，ZF215工作面地质条件类似，围岩松动范围1.8～2.0 m，考虑到探测时间为回采期间，巷道开挖时间较长，确定围岩松动圈为1.8 m。取锚杆锚入稳定岩层的深度0.5 m，外露长度0.1 m，锚杆长度要大于2.4 m，选取锚杆有效长度2.2 m、2.4 m、2.6 m共3个水平参与正交试验。

图1 围岩松动圈地质雷达探测Fig.1 Detection of surrounding rock loose circle by geological radar

2.1.4 锚杆间排距

锚杆间距依据支护实践经验确定为900 mm。选取700 mm、800 mm、900 mm共3个锚杆排距水平参与正交试验。

2.2 正交试验结果分析

ZF215工作面回风巷锚杆支护参数正交试验结果及极差分析结果如图2所示。由极差值R可知，随着锚杆预紧力的增加，顶板控制效果显著，而煤帮基本不变；锚杆间排距对顶底板、两帮变形均影响较大，间排距越小，围岩控制效果越好；锚杆直径对围岩变形影响相对次之，锚杆直径越大，控制围岩变形效果越好；而锚杆的直径达到一定长度后，继续增加，对围岩控制效果影响较小。且四因素之间基本不存在交互作用。随着锚杆预紧力的增加，两帮变形一直缓慢减小，而顶板变形在锚杆预紧力60 kN时最小，锚杆预紧力继续增大，顶板变形反而变大，因此，确定锚杆预紧力为60 kN。随着锚杆直径、锚杆长度的增加，围岩变形量呈线性减少，但锚杆直径对围岩变形减小的影响幅度远大于锚杆长度，因此，确定锚杆直径为22 mm，锚杆长度只需满足最低长度要求2.4 m。增加锚杆间排距，支护成本基本呈线性减少，但围岩变形呈线性增加，综合考虑围岩控制效果与支护成本，确定锚杆间排距为900 mm×800 mm。

图2 正交试验因素水平对围岩变形的影响趋势Fig.2 Influence of orthogonal test factors on surrounding rock deformation

3 工程应用

3.1 具体锚杆支护参数

3.1.1 顶锚杆支护

顶锚杆间排距为900 mm×800 mm，每排6根锚杆，锚杆为φ22 mm×2 400 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，采用1支K2360和1支Z2360树脂药卷全长锚固，锚固力要求大于120 kN，顶角锚杆外斜15°安装，其余锚杆均垂直岩面安装，安装扭矩为400 N·m。

3.1.2 帮锚杆支护

两帮锚杆间排距900 mm×800 mm，每排每帮4根锚杆，锚杆为φ22 mm×2 400 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，采用1支K2360和1支Z2360树脂药卷全长锚固，锚固力要求大于120 kN，底角、帮角锚杆外斜10°安装，其余锚杆均垂直岩面安装，安装扭矩为400 N·m。

3.1.3 锚索支护

顶板锚索参数为φ22 mm×7 300 mm，排距为1 600 mm，布置在两排锚杆中间。采用“三三布置”方式，顶板中部安装1根，两侧各安装1根，与煤帮水平距离1 000 mm，顶板锚索间距1 500 mm；实体煤帮锚索排距为1 600 mm，布置在两排锚杆中间，与顶帮锚索成排布置。采用“二二布置”方式，下排锚索距离底板750 mm垂直安装，参数为φ22 mm×4 800 mm，上排锚索距离顶板1 000 mm外斜10°安装，参数为φ22 mm×7 300 mm；煤柱帮锚索参数为φ22 mm×4 800 mm，排距为800 mm，布置在两排锚杆中间，与顶帮锚索成排布置。采用“二一二布置”方式，下排锚索距离底板750 mm垂直安装，上排锚索距离顶板1 000 mm垂直安装，单根成排的锚索布置在煤帮中部，距离底板高度1 550 mm。每根锚索均采用2支K2335和2支Z2360树脂药卷加长锚固。具体巷道支护参数如图3所示。

图3 巷道支护断面Fig.3 Section of roadway support

3.2 应用效果

工程应用效果表明，采用基于多目标交叉分析的锚杆支护参数正交试验有效控制了围岩变形，如图4所示。在巷道服务期间，两帮移近量572 mm，顶底板移近量425 mm，围岩控制效果较好。

图4 巷道变形与时间关系曲线Fig.4 Relationship between roadway deformation and time

4 结论

(1)基于多目标交叉分析的锚杆支护参数正交试验，确定了合理支护方案，给出了巷道支护参数。

(2)结合现场矿压观测数据，增加锚杆直径和锚杆预紧力对于控制巷道变形最为经济；增加锚杆布置密度对于控制巷道变形最为有效，而锚杆长度达到最低长度要求后，继续增加，作用较小。

(3)该支护方案应用于蒋家河煤矿ZF215工作面回风巷支护工程后，两帮移近量572 mm，顶底板移近量425 mm，围岩控制效果较好。