锚杆支护技术的优化对比研究

2022-09-25吕超

机械管理开发 2022年8期

吕超

（晋能控股煤业集团燕子山矿，山西大同 037037）

引言

锚杆支护技术是目前煤矿常用的巷道支护形式，应用锚杆支护不仅能够提高巷道围岩的强度[1]，增强围岩的稳定性，还具有支护成本低、降低劳动强度、成巷速度快以及大幅改善矿井生产条件等优点[2]。锚杆支护是借助于锚杆内部的杆体，使围岩本身的力学形态发生改变，进而来提高围岩自身的强度，在岩体周围形成稳定的承载圈，并同四围岩体相互作用，保护巷道围岩[3]。应用锚杆支护的理论有组合梁理论、最大水平应力理论、悬吊理论、组合拱理论以及围岩松动圈理论等[4-5]，基于锚杆支护的机理，锚杆支护对破碎岩体和完整岩体均产生挤压加固围岩的作用[6]。在煤矿巷道实际支护中，由于受到掘进开挖以及应力重分布的作用，巷道帮部比较薄弱[7]，而采用强帮强角锚杆支护，可提高巷道帮部和角部的稳定性，增强帮部和角部对顶板岩体的的支撑力，改善顶板的受力形态，进而减小顶板的变形[8]，因此，为降低巷道围岩两帮的变形，进而提高围岩的整体稳定性，本文基于强帮强角锚杆支护技术的优势[9]，对原锚杆支护进行优化，来提高巷道支护的稳定性。

1 锚杆支护技术的优化及对比

1.1 原锚杆支护方案

本文以某矿为研究对象，巷道中原锚杆支护方案是：采用锚杆、锚索配合W 型钢带、金属网的联合支护形式，其中，对于顶板支护，顶锚杆采用螺纹钢锚杆，规格是Φ22 mm×2 200 mm，锚杆间排距是780 mm、1 000 mm。锚索支护选用规格是Φ17.8 mm×5 000 mm，且锚索采用三花布置方式，第一排设置与水平线呈75°角的2 根角锚索，距巷帮约300 mm；第二排设置是位于巷道中间，且与顶板垂直的1 根锚索，排距是2 000 mm。W 型钢带尺寸是4 200 mm×275 mm×3 mm。此外，顶板铺设金属网。对于帮部支护，帮部锚杆采用圆钢锚杆，规格是Φ16 mm×1 800 mm，锚杆间排距是780 mm、1 000 mm；帮部锚杆设置与巷道帮部垂直，左帮4 根锚杆，右帮3 根锚杆，且上排锚杆与顶板距离是500 mm。其中，巷道原锚杆支护的示意图如图1 所示。

1.2 强帮强角优化支护方案

本文结合施工成本、巷道稳定性等因素，并依据强帮强角锚杆支护的理论[10]，对巷道原锚杆支护进行优化，其中，顶部锚杆支护同于原方案，对于帮锚杆支护，两帮选用钻头的规格是Φ28 mm，锚杆采用左螺旋纹钢，规格是Φ22 mm×2 200 mm，间排距是900 mm、1 000 mm，且位于两帮最上排的锚杆都向上倾斜15°角。其中，优化后锚杆支护示意图如图2 所示。

图2 巷道优化后锚杆支护示意图（单位：mm）

1.3 对比分析

为确定应用强帮强角锚杆支护形式的效果，本文对巷道左帮及右帮位移变形进行监测，布置三处监测面，其中1 号断面为原锚杆支护形式断面，2 号和3号均为优化后锚杆支护断面，如图3 所示，1 号、2 号和3 号断面距巷道交叉点的距离分别是700.5 m、828.5 m 和854.5 m。

图3 锚杆支护监测断面布置图

首先对巷道左帮变形量进行监测，得到图4 所示的位移变化曲线。从图4 中可看出，左帮位移最初高速变形始于巷道的开挖，原支护方案中，左帮高速变形的曲线斜率较大，同后两个巷道变形存在明显差别。对于1 号断面，第18 天结束高速变形时段，此段累计变形量是101 mm，占左帮变形量的94.4%；对于2 号断面，第26 天结束高速变形时段，累计变形量是93 mm，占左帮变形量的97.9%；对于3 号断面，第29天结束高速变形时段，累计变形量是97 mm，占左帮变形量的98.0%。

图4 左帮位移变化曲线对比图

对于左帮位移变形量趋于稳定时段，也就是过渡时段，此过程变形量增速较慢，最后达到基本稳定。对于1 号断面，过渡天数是19～29 d，此段累计变形量是6 mm，占左帮变形量的5.6%，变形量很小，最终稳定值是107 mm。对于2 号断面，过渡天数是27～32 d，累计变形量是2 mm，占左帮变形量的2.1%，变形量也很小，稳定值是95 mm。对于3 号断面，过渡天数是30～35 d，累计变形量是2 mm，占左帮变形量的2.0%，变形量更小，稳定值是99 mm。

对于左帮位移变形最终稳定阶段，若无特殊因素影响作用，巷道左帮不会再产生较大的变形，且对巷道整体也不会有影响。此段，1 号、2 号和3 号断面的左帮位移变形量分别是107 mm、95 mm、99 mm，都保持在过渡时段结束后的大小值，继续对其进行约一周的监测，左帮位移量均没有发生明显的变形。通过上述分析可知，原方案1 号监测断面中的左帮变形幅度明显比优化后2 号和3 号断面的大。

再对巷道右帮变形量进行监测，得到图5 所示的位移变化曲线。从图5 中可看出，原支护方案中，右帮最初高速变形阶段中曲线斜率最大，明显不同于后两个阶段。对于1 号断面，高速变形时段在0～18 d，累计变形量大小是144.5 mm，占变形总量的96.7%。对于2 号断面，高速变形时段在0～26 d，累计变形量大小是125 mm，占变形总量的98.0%。对于3 号断面，高速变形时段在0～27 d，累计变形量大小是130 mm，占变形总量的97.0%。对于以上三处监测断面，最初高速变形阶段均占了整个变形量的大部分。

图5 右帮位移变化曲线对比图

对于右帮位移变形过渡时段，变形速度变缓最后趋向稳定。对于1 号断面，30 d 后结束过渡时段，累计变形量大小是5 mm，占右帮总变形量的3.34%，变形量小，稳定值是149.5 mm；对于2 号断面，27 d 后结束过渡时段，累计变形量大小是2.5 mm，占右帮总变形量的1.96%，稳定值是127.5 mm。对于3 号断面，33 d 后结束过渡时段，累计变形量是4 mm，占右帮总变形量的2.99%，变形量也较小，稳定值是134 mm。

右帮变形稳定时段同于左帮，即此阶段巷道右帮不会再产生较大的变形，且对巷道整体也不会有影响。稳定时段下的1 号、2 号和3 号断面的右帮变形量值大小分别是149.5 mm、127.5 mm、134 mm，且经过一周的监测发现，右帮变形量大小仍保持在过渡时段的最终值。通过上述分析可知，原方案1 号监测断面中的右帮变形幅度明显比优化后2 号和3 号断面的大。