锚杆支护参数对巷道变形的影响分析

2022-05-12黄成龙

机械管理开发 2022年2期

黄成龙

（晋能控股煤业集团马脊梁矿质检组，山西大同 037000）

引言

锚杆支护是通过锚杆来加固巷道围岩，使其具有较高的承载力，并与锚固范围内的基岩相互作用，进而形成锚固体，不仅能够抵抗巷道围岩的变形，还可大幅提高围岩的强度。所以，锚杆是利用对表层围岩的支护及内部围岩的加固来发挥作用，其中表层支护主要表现在通过安设锚杆来改善围岩的应力状态，使围岩的径向抗压强度提升；内部加固主要表现在锚杆自身的抗剪强度远超过围岩，同时通过相互间作用产生的摩擦阻力，使锚固体的黏聚力增强，进而提升锚固体的抗剪强度。所以，从锚固体的角度来分析，锚杆的作用主要体现在使锚固体的刚度提高[1]。锚杆支护的机理有组合拱理论、悬吊理论、最大应力理论、围岩松动圈理论及加固拱理论等，利用锚杆支护的这些机理可降低对巷道围岩的破坏，具体有：一是改善围岩的应力状态，开挖前，围岩受三向力作用处于平衡稳定状态，而被开挖后，从原来的三向转变为两向的不平衡状态，降低了围岩的稳定性，使围岩易破坏失稳，采用锚杆支护可改善其应力状态；二是加强围岩的强度，锚杆通过相互作用于围岩形成锚固体，可提升锚固体的强度，进而提升围岩的稳定性[2]。而锚杆支护参数的选取对巷道围岩加固的效果影响也较大，如锚杆长度设计太短，会不利于巷道的稳定，若锚杆直径设计太大，支护效果既不明显又不经济[3]，因此，本文主要分析不同锚杆长度、锚杆直径对巷道变形的影响规律，进而确定最佳的锚杆支护参数，实现煤矿开采的安全高效。

1 锚杆支护参数对巷道变形的影响

在矿井巷道支护设计中，应选取合理的锚杆参数，锚杆参数一般有锚杆长度、横截面积、直径及锚杆间排距等，当锚杆参数选取太大时，不仅使巷道支护成本增加，且会影响经济效益；而当锚杆参数选取太小时，其在降低煤矿生产安全性的同时，使后期维修困难，再加上煤矿地质条件的复杂性，锚杆参数的选取就显得较困难。

巷道周边的破碎煤岩，在相互间的铰和作用下会产生较稳定的结构，并利用悬吊作用，锚杆将破碎的煤岩悬吊在相对稳定的基岩上，进而避免破碎煤岩的掉落，因此，锚杆长度是锚杆的锚固长度、有效长度及外露长度三者之和；而锚杆直径是利用锚杆的自身承载力及锚固力等计算确定[4]，计算公式为：

式中：d 为锚杆直径，mm；Q 为锚杆锚固力，kN，一般取值为60～80 kN；σmg为锚杆体材料拉拔强度，MPa，一般取值大于或等于570 MPa。通过计算可知，锚杆直径应选取的范围是19.4～21.3 mm。本文主要分析不同锚杆长度、锚杆直径对巷道顶底板变形的影响规律，保证煤炭开采的安全经济。

1.1 锚杆长度

本次选取锚杆间排距是900 mm×900 mm、直径是22mm，改变锚杆长度L 分别是1600mm、1800mm、2 000 mm、2 200 mm 及2 500 mm，分析对巷道变形的影响规律，分别得到下页图1 和图2 所示的巷道顶板下沉量与底板底鼓量变化曲线。

图2 不同锚杆长度对巷道底板变形的影响曲线

由图1 可以看出，当锚杆长度较短时，随着锚杆长度的增大，巷道围岩变形增大，这是由于短锚杆都处于围岩的破碎区，在采动作用的影响下，巷道围岩发生变形，锚杆的锚固效果差，因此，此时巷道围岩的稳定性较差。

图1 不同锚杆长度对巷道顶板变形的影响曲线

由图2 可知，当锚杆长度较短时，随着锚杆长度的增大，巷道底板变形也呈现相同的变化趋势。对比图1 和图2 可发现，当锚杆长度增加至2 000 mm时，锚杆的锚固作用开始发挥作用，因此，巷道围岩的变形逐渐减小；当锚杆长度再增加至2 200 mm 和2 500 mm 时，巷道围岩变形大致相同；当锚杆长度再继续增大时，能够更好地控制围岩变形。综上可知，锚杆支护长度应大于2 000 mm，因此，宜选取长度是2 500 mm 的锚杆，以维护巷道围岩的稳定。

1.2 锚杆直径

本次选取锚杆间排距是900 mm×900 mm、长度是2 500 mm，改变锚杆直径D 分别是16 mm、18 mm、20 mm、22 mm 及24 mm，分析对巷道变形的影响规律，分别得到图3 和图4 所示的巷道顶板下沉量与底板底鼓量变化曲线。

由图3 可以看出，随着锚杆直径的增大，巷道顶板位移逐渐减小。当锚杆直径为16 mm 时，锚杆支护作用效果不明显，不能很好地控制围岩的变形；而当直径位于18～22 mm 范围内，锚杆支护能够发挥作用，因此，此时巷道顶板两侧的位移减小。

图3 不同锚杆直径对巷道顶板变形的影响曲线

由图4 可看出，随着锚杆直径的增大，巷道底板位移也同样减小，尽管在局部区间出现底板位移增大的现象，但整体变化趋势是减小的。

图4 不同锚杆直径对巷道底板变形的影响曲线

对比图3 和图4 可看出，由于巷道顶板的作用，在支护相对薄弱的底板时，还会受到上覆岩体的压力，因此，使得底板位移出现不减反增的现象。当锚杆直径是24 mm 时，在锚杆的控制作用下，顶板较稳定，但是锚杆直径的选取并不是越大越好，一般要求达到所需的预紧力，并能够抑制巷道围岩的变形即可，因此宜选取直径为22 mm 的锚杆进行巷道支护。