不同帮锚杆参数对煤巷支护效果的影响研究

田建杰

（山西焦煤集团有限责任公司东曲煤矿， 山西 太原 030200）

引言

锚杆支护为煤矿开采的主要支护构件，通过合理设置锚杆，可使煤巷顶板和两帮相互作用产生的锚固体形成统一的承载结构，这个承载结构不仅可以承受自身重量，也可以承受因变形产生的压力，从而限制外部围岩的变形，达到有效支护外部围岩的目的，进而保证煤巷的稳定[1]。在煤巷支护中，锚杆主要存在剪切和拉伸两种作用形式，所以锚杆的支护机理为提高锚固体的刚度和支护强度以及峰值后强度[2]。锚杆支护的理论：一是悬吊作用，将锚杆体直接进行挤压并悬吊在老顶上，可避免煤层顶板出现离层脱落的现象；二是组合梁作用，利用锚杆的预应力将原先相互独立的岩层压紧，不仅增大岩层间的摩擦力，且提升岩体的整体性；三是加固拱作用，在锚杆两侧可形成压缩区，通过合理设置间距锚杆，使每个单体锚杆作用产生的压缩区层层叠加，进而形成一定厚度的均质压缩带，可承载来自外围的压力[3]。通常，矿井煤巷多采用常规锚杆支护，即煤巷顶板设计高强度的支护，并作为控制的重点，而煤巷帮部设计的强度相比较低[4]。本文在上述支护的基础上，提出强帮强角锚杆支护的方案，并进一步分析不同帮锚杆横截面积、帮锚杆长度及帮锚杆角度对煤巷支护效果的影响，制定合理的参数范围，加强煤巷帮部和角部支护，从而大幅提高煤巷围岩的安全性。

1 不同参数对煤巷支护效果的影响

本文采用强帮强角锚杆支护的设计方案是：煤巷顶板和帮部均采用大直径螺纹钢锚杆、锚索、搭配W 型钢带及金属网共同联合支护，其中顶锚杆直径是Φ20 mm×2 200 mm，每排设置5 根锚杆，间排距是950 mm×1 350 mm；而帮部锚杆设计参数为：左旋螺纹钢直径是Φ20 mm×2 400 mm，两帮各排均设置4 根锚杆，间排距同顶板，且最上面锚杆距离顶板是260 mm。另外，对于煤巷顶板支护，将顶板两侧角的锚杆倾斜向外30°，帮部也同样将上侧角锚杆倾斜向上一定角度，具体支护示意图如图1 所示。

图1 强帮强角锚杆支护设计的示意图（单位：mm）

在上述基础上，进一步分析不同帮锚杆横截面积、帮锚杆长度及帮锚杆角度对煤巷支护效果的影响，达到有效控制煤巷帮部与顶底板变形的目的。

1.1 不同帮锚杆横截面积对煤巷支护效果的影响

选取不同帮锚杆直径分别是16mm、18mm、20mm、22 mm 和24 mm，计算得到相对应的帮锚杆横截面积分别是2.0 cm2、2.5 cm2、3.1 cm2、3.8 cm2和4.5 cm2，分析不同帮锚杆横截面积对煤巷支护效果的影响，得到下页图2 所示的围岩位移变化图。

从图2 中可看出，帮锚杆横截面积从2.0 cm2增大至4.5 cm2，即增加了124.9%后，煤巷顶板下沉量、左右帮位移量以及底板位移量减小比例分别是0.6%、3.3%、2.6%和0.4%，因此，对比可得出，随着帮锚杆横截面积的增大，对煤巷两帮的变形影响显著，很大程度上改善了顶底板的变形，也就是说，帮锚杆横截面积对煤巷两帮位移量有比较明显的影响，进而能有效控制顶底板的变形。

图2 不同帮锚杆横截面积对煤巷围岩位移变化的影响曲线图

1.2 不同帮锚杆长度对煤巷支护效果的影响

选取不同帮锚杆长度分别是1.6 m、1.8 m、2.0 m、2.2 m、2.4 m，分析不同锚杆长度对煤巷支护效果的影响，得到图3 所示的围岩位移变化图。

图3 不同帮锚杆长度对围岩位移变化的影响曲线图

从图3 可以看出，帮锚杆长度从1.6 m 增大至2.4 m，即增加了50%后，煤巷顶板下沉量、左右帮位移量以及底板位移量减小比例分别是6.4%、11.0%、12.1%及5.8%，因此，对比可得出，随着帮锚杆长度的增加，能够有效地改善煤巷围岩的变形，尤其是两帮的变形量有大幅的降低，对顶板的变形也有所改善。因此，帮锚杆对煤巷两帮位移量影响明显，同时能够显著地控制顶底板变形。

1.3 不同帮锚杆角度对煤巷支护效果的影响

将帮部最上排锚杆倾斜向上一定的角度，实现煤巷强帮强角支护的目的，选取不同倾斜角度从0°增加至45°，每5°为一个变化区间，共10 种情形，得到图4 所示的围岩位移变化图。

从图4 可以明显看出，帮部最上排锚杆倾斜向上的角度从0°增加至45°后，顶底板以及左右帮位移变化呈现先减小后增大的变化趋势，这表明此区间存在相对最优的一个角度值。当最上排帮锚杆角度从0°增大至20°后，顶板下沉量、右帮及底板位移量随着帮锚杆倾角的增大而逐渐减小，减小比例依次是1.6%、3.0%及0.6%；当最上排帮锚杆角度从20°增大至45°后，顶板下沉量、右帮及底板位移量随着帮锚杆倾角的增大而逐渐增大。另外，对于左帮位移量，当最上排帮锚杆角度从0°增大至25°后，其位移量随着帮锚杆倾角的增大而逐渐减小；当最上排帮锚杆角度从25°增大至45°后，其位移量随着帮锚杆倾角的增大而逐渐增大。

图4 不同帮锚杆倾斜角度对围岩位移变化的影响曲线图

因此，通过上述对比分析可知，将最上排帮锚杆倾斜向上一定角度后，即增加了竖向分力，可以有效增强煤巷角部的支护，对煤巷围岩变形也有明显的影响，且影响幅度从小到大依序是底板、顶板、右帮和左帮，并且存在着相对较优的一个角度值。

2 结论

为改善矿井巷道的应力状态，大幅提高煤巷围岩的稳定性，本文在强帮强角锚杆支护的研究基础上，深入分析不同帮锚杆横截面积、帮锚杆长度及帮锚杆角度对煤巷支护效果的影响，结论是：

1）帮锚杆横截面积和长度对加强巷道帮部支护强度的作用依序增大，且增大了帮锚杆的直径和长度，不仅可明显减小帮部的收敛量，同时，对顶底板变形量也有较明显的改善，有效改变煤巷围岩的受力状态。

2）帮锚杆倾斜向上的角度从从0°增加至45°后，顶底板以及左右帮位移变化呈现先减小后增大的变化趋势，其中当帮锚杆角度是20°时，能够有效控制煤巷围岩的变形。