不同锚杆支护效果对煤巷围岩位移的对比分析

李百林

（西山煤电建筑工程集团有限公司矿建分公司， 山西 太原 030000）

引言

锚杆支护不仅能够加固巷道的围岩，还能够提高围岩的强度和承载力，同时具有支护效果好、支护造价低等优点，已被广泛应用[1]。巷道锚杆支护的理论有：悬吊原理，将煤矿巷道顶部破碎的围岩通过悬吊作用于坚固的围岩上，避免柔弱岩层出现下沉现象；组合梁原理，利用锚杆的组合梁作用，不仅能够承载自身的重量，且对巷道顶部围岩也有一定的支撑作用[2]；压缩拱原理，不同锚杆间会产生重叠锥形压力区域，使相关巷道围岩形成压缩拱作用形式，进而提升围岩的强度和支撑能力；松动圈原理，可用来抵挡岩石产生的碎胀力，防止相关围岩的松动圈出现持续扩大的现象；围岩强度机理，可提升围岩的内聚力等物理强度，保证巷道围岩的稳固[3]。因此，本文在常规支护、帮部支护及强帮强角支护三种不同锚杆支护方案下，对比分析煤巷围岩位移的变化情况，进而减小煤巷顶板和帮部的变形，增加围岩的稳定性和安全性。

1 不同锚杆支护方案下煤巷围岩位移的对比分析

煤矿巷道锚杆支护效果最直接的表现是煤巷围岩位移，而围岩的相对位移则更能直观地反映出围岩的破坏变形程度[4]，本文设计三种锚杆支护方案进行对比研究，具体如下：

方案一：常规锚杆支护。煤巷顶锚杆采用左旋螺纹钢锚杆，规格是Φ20 mm×2 200 mm，每排设置5根，间排距950 mm×1 350 mm；两帮采用规格是Φ16 mm×1 800 mm 的圆钢锚杆，两帮每排各设置3根，间排距1 1001 mm×1 350 mm。

方案二：强帮锚杆支护。煤巷顶锚杆支护参数同方案一，而帮部支护参数为：两帮采用左旋螺纹钢锚杆的规格是Φ20 mm×2 400 mm，两帮每排各设置4根，间排距950 mm×1 350 mm。

方案三：强帮强角锚杆支护。煤巷顶板和两帮锚杆的设计参数均同方案二，并在方案二的基础上，将顶板两侧角锚杆倾斜向外30°，同样将两帮上侧角锚杆倾斜向上30°。其中，方案二和方案三的锚杆支护示意图如图1 所示。

图1 煤巷不同锚杆支护的示意图（单位：mm）

本文在上述三种不同锚杆支护方案下，对比分析煤巷围岩位移的变化情况，并确定最优的锚杆支护方案。

通过在煤巷顶板岩层位置设置5 个位移监测点，监测顶板的位移及相对位移量，具体测点为①②③④和⑤，得到如下页图2 所示的顶板岩层位移图。

图2 不同锚杆支护，煤巷顶板岩层位移的变化曲线

从下页图2 对比可看出，方案二中的顶板岩层位移都大幅降低，降低比例依次是43.4%、43.2%、42.9%、42.9%和43.1%。对于方案三，顶板位移继续降低，相比方案一，五个监测点的降低比例分别是52.8%、52.7%、52.5%、52.5%和52.7%；相比方案二，五个监测点的降低比例分别是16.6%、16、7%、16.8%、16.8%和16.9%。因此，对比可知，通过施加帮部和角部锚杆支护后，大幅度降低了煤巷顶板岩层的下沉量。

另外，施加帮部和角部支护后，顶板岩层的相对位移量也大幅降低，对比计算测点①到测点⑤的相对位移量，方案二中的相对位移量降低47.6%。对于方案三，相对位移量继续降低，相比方案一降低53.8%；相比方案二降低11.8%。通过分析还可知，相对位移量的降低比例幅度明显大于位移量的降低比例，因此，施加帮部和角部支护后，不仅使顶板岩层的整体下沉量得到控制，且使顶板岩层的相对变形量也降低。

通过在煤巷左帮位置设置5 个位移监测点，监测左帮的位移及相对位移量，具体测点为⑥⑦⑧⑨和⑩，得到图3 所示的左帮围岩位移图。

从图3 可看出，对比三种锚杆支护，测点⑥⑦变化显著，而测点⑧⑨⑩变化不大。对于方案二，测点⑥的位移降低34.9%，测点⑦的位移降低12.8%。对于方案三，测点⑥的位移，相比方案一降低47.7%，相比方案二降低19.7%；测点⑦的位移，相比方案一降低33.4%，相比方案二降低23.7%。因此，对比可得出，施加帮部和角部支护能够有效降低左帮的位移量。

图3 不同锚杆支护，煤巷左帮位移的变化曲线

再深入对比分析测点⑥至⑩的相对位移量，对于方案二，左帮相对位移量降低35.3%。对于方案三，相对位移量仍继续降低，相比方案一降低48.1%；相比方案二降低19.7%，因此，对比可知，施加帮部和角部支护后，显著降低了左帮相对位移量，且相对位移量降低幅度更大，表明强帮强角支护能够很好地控制左帮围岩的变形。

通过在煤巷右帮位置设置5 个位移监测点，监测右帮的位移及相对位移量，具体测点为1○12○13○14○和15○，得到图4 所示的右帮围岩位移图。

图4 不同锚杆支护，煤巷右帮位移的变化曲线

从图4 中可以看出，右帮位移的变化趋势基本等同于左帮，即11○12○测点的变化显著，其余三个测点变化不明显。对于方案二，测点1○的位移降低37.4%，测点12○的位移降低23.7%。对于方案三，相比方案一，测点1○12○的位移分别降低47.8%和33.5%；相比方案二，分别降低16.5%和12.9%。

再深入分析右帮的相对位移量，从测点11○到测点15○进行计算分析，施加帮部支护后，右帮相对位移量降低37.8%。对于方案三，相对位移量仍继续降低，相比方案一降低48.1%，相比方案二降低16.5%，因此，对比可知，强帮强角支护能够显著降低右帮的位移和相对位移量，且能够很好地增加煤巷帮部的稳定性。

2 结论

1）强帮强角锚杆支护，能够降低煤巷顶板的整体下沉量，有效改善顶板对帮部的挤压，从而降低帮部围岩的变形量，提高煤巷顶板的支撑能力。

2）强帮强角锚杆支护，还能降低顶板岩层和两侧帮部的相对位移量，且相对位移量降低比例幅度明显要大于位移量的降低幅度，不仅减小了顶板岩层的损伤，还有效控制了两侧帮部的变形。