不同锚固方式下锚杆长度参数的优化研究

郝一楠

（晋能控股煤业集团马脊梁矿机掘六队，山西 大同 037000）

引言

矿井巷道开挖后，巷道四周存在的破碎岩层就丧失了原有的整体性，无法抵抗外部的压力，这就成为巷道围岩加固的范畴，此时，通过安设锚杆，不仅能够及时加固围岩，还能提升围岩的强度和承载力，因此，锚杆支护能被广泛应用在煤矿巷道中。锚杆支护围岩的理论有：一是当锚固体进入稳定的岩体中，借助杆体的支撑力，并通过悬吊作用提高围岩的强度，进而维护围岩的稳定；二是在巷道支护中，允许围岩产生一定的变形，并通过围岩的自身承载能力，在支护结构和围岩间实现强度理论；三是对支护形式及断面形状进行改变，控制因岩体变形产生的局部破坏情况，保证能够很好地支护巷道围岩[1]。此外，根据锚固的长度大小，锚杆可分为端头锚固、加长锚固和全长锚固，其中，对于端头锚固，其锚固长度要求小于钻孔深度的1/3，或者小于500 mm；对于全长锚固，其锚固长度要求满足钻孔深度的90%；对于加长锚固，其长度大小介于两者之间[2]，而本文主要分析端头锚固、全长锚固以及加长锚固三种不同锚固方式下，改变锚杆长度对巷道变形的影响分布，进而达到利用锚固长度来控制围岩作用的目的。

1 不同锚杆锚固方式的介绍

端头锚固是通过对锚杆体施加预紧力，利用产生的拉伸力挤压围岩，达到提高围岩强度、降低围岩变形的目的。此种方式适用于煤岩完整稳定，同时开挖掘进对巷道影响比较小的煤巷中[3]。

全长锚固是在最初安装锚杆后，因围岩未产生位移，不能与锚固体产生摩擦作用，因此，此时不能对围岩起到锚固作用；而当围岩产生变形，或者围岩与锚杆间产生相对位移时，在锚杆的剪应力作用下，对围岩起到约束作用，进而避免围岩发生横向变形[4]。

2 不同锚固方式下锚杆长度参数的优化研究

锚杆长度作为锚杆支护的关键参数之一，锚杆长度的选取应能保证巷道内形成的承载结构稳定且能力强，如果锚杆长度选取偏大，锚杆对锚固体的承载能力作用不明显；如果选取偏小，会缩小锚固区的范围，对巷道围岩的稳定效果也不好，所以，应当选取合理的锚杆长度范围。依据锚杆支护设计规范，锚杆长度大小要大于或等于松动圈范围，本文以某矿为对象，该矿回采巷道围岩松动圈大小是1 912 mm，选取不同锚杆长度1 900、2 200、2 500 和2 800 mm。

本文中锚杆间排距是800 mm，分析端头锚固、全长锚固以及加长锚固三种不同锚固方式下，改变锚杆长度对巷道变形的影响分布，为确定不同锚固方式下合理的锚杆长度提供理论基础。另外，不同锚杆锚固长度选取参数如表1 所示。

表1 不用锚杆长度研究参数选取

2.1 端头锚固下锚杆长度的选取

通过分析端头锚杆锚固方式下，改变锚杆长度对巷道顶底板以及两侧帮部变形的影响，得到下页图1 所示的变化曲线。

图1 端头锚固方式下，不同锚杆长度对巷道变形量的影响曲线

从图1 可以看出，巷道顶底板及两侧帮部的变形量随着锚杆长度的增大而逐渐减小。当锚杆长度大于2 200 mm 时，巷道岩帮的变形量减小不显著；当锚杆长度大于2 500 mm 时，巷道顶板、煤帮的变形量减小不显著。因此，综合分析可知，端头锚固方式下，岩帮锚杆长度宜选取2 200 mm，顶板、煤帮锚杆长度宜选取2 500 mm。

2.2 加长锚固下锚杆长度的选取

通过分析加长锚杆锚固方式下，改变锚杆长度对巷道顶底板以及两侧帮部变形的影响，得到图2所示的变化曲线。

图2 加长锚固方式下，不同锚杆长度对巷道变形量的影响曲线

从图2 可看出，巷道顶底板及两侧帮部的变形量随着锚杆长度的增大而逐渐减小。当锚杆长度为2 200 mm 时，再增大其长度，对巷道岩帮的作用不显著；当锚杆长度增大至2 500 mm，再继续增大，对巷道顶板、煤帮的作用也不显著。因此，综合分析可知，加长锚固方式下，岩帮锚杆长度宜选取2 200 mm，顶板、煤帮锚杆长度宜选取2 500 mm。

2.3 全长锚固下锚杆长度的选取

通过分析全长锚杆锚固方式下，改变锚杆长度对巷道顶底板以及两侧帮部变形的影响，得到图3所示的变化曲线。

从图3 可知，巷道顶底板及两侧帮部的变形量随着锚杆长度的增大而逐渐减小。当锚杆长度增大至2 200 mm 后，再继续增大，对巷道变形量减小不显著。因此，综合分析可知，全长锚固方式下，锚杆长度宜选取2 200 mm。

图3 全长锚固方式下，不同锚杆长度对巷道变形量的影响曲线

综上分析可知，对于端头锚固方式，建议岩帮锚杆长度选取2 200 mm，顶板、煤帮锚杆长度选取2 500 mm，锚固长度均选取700 mm。对于加长锚固方式，岩帮锚杆长度选取2 200 mm，锚固长度选取1 050 mm；顶板、煤帮锚杆长度选取2 500 mm，锚固长度选取1 400 mm。对于全长锚固，锚杆长度选取2 200 mm，锚固长度选取2 100 mm。

3 结论

为确定最优的锚杆支护方案，进而保证巷道开采的安全经济。本文主要分析端头锚固、全长锚固以及加长锚固三种不同锚固方式下，改变锚杆长度1 900、2 200、2 500 和2 800 mm，对巷道变形的影响分布，结论是：

1）端头锚固方式下，巷道顶底板及两侧帮部的变形量随着锚杆长度的增大而逐渐减小，此时，岩帮锚杆长度宜选取2 200 mm，顶板、煤帮锚杆长度宜选取2 500 mm。

2）加长锚固方式下，巷道顶底板及两侧帮部的变形量随着锚杆长度的增大而逐渐减小，此时，岩帮锚杆长度宜选取2 200 mm，顶板、煤帮锚杆长度宜选取2 500 mm。

3）全长锚固方式下，巷道顶底板及两侧帮部的变形量随着锚杆长度的增大而逐渐减小，此时，锚杆长度宜选取2 200 mm。