巷道高强度预紧力锚杆支护优化方案及矿压观测研究

胡丽伟

（西山煤电建筑工程集团有限公司矿建分公司，山西 太原 030052）

1 地质概况

东曲矿现开采煤层以3#为主，均厚为6.15 m，倾角3°～7°，煤层赋存稳定。以往的顺槽煤巷支护采用锚网索支护方案，主要参数一般为：锚杆间排距均为0.9 m，锚杆长度2.2 m，锚索长度8.1 m，月掘进量为260 m。28216 巷道围岩松软，两帮区域存在严重的片帮，顶板围岩有较大形变，采用传统支护时，破坏情况严重，无法满足安全需要，增加锚杆数量会使得掘进速度下降，急需进行支护优化。

2 高强锚杆支护方案[1-5]

2.1 主要配置参数

通过FLAC3D软件搭建仿真图，结合28216 工作面情况，选用摩尔库伦模型[3]作为基础模型，模型总高68 m，宽度100 m，长度40 m，底部预留12 m 厚的岩层。巷道截面宽度5.1 m，高度3.0 m，整个巷道置于煤层中间，埋深500 m。为了直观观察巷道支护情况，仅对部分巷道上部55 m 的岩层进行模拟，其余445 m 上覆岩层的作用力通过顶部均布载荷来替代。

2.2 方案对比

1）普通锚网索支护方案

普通锚网索支护方案：普通螺纹钢材质锚杆，长2 m，直径20 mm，布置锚杆7 根，顶锚杆间排距900 mm×900 mm；锚索规格为长6300 mm，直径17.8 mm，采用隔排布置策略；锚杆、锚索搭配6 mm 钢筋网对巷道进行支护。

2）加强型锚网索支护方案

为解决普通锚网索支护方案在28216 工作面围岩松软地质应用时，巷道发生形变的问题，通过改进优化得到加强型锚网索支护方案。具体参数如下：锚杆采用普通螺纹钢材质，长2000 mm，直径20 mm，顶锚杆间排距为800 mm×800 mm；锚索规格不变，但顶板锚索采用五花布置，巷道两帮中间位置增加锚索，帮锚索隔排布置。

3）高强度预紧力锚杆锚索支护方案

采用高强度材质锚杆，长2400 mm，直径20 mm，顶锚杆间排距均为800 mm，帮锚杆间距900 mm、排距800 mm，单侧施工使用3 根帮锚杆；采用高强度材质锚索，规格为长7300 mm，直径21.6 mm，巷道顶板锚索五花布置。此外，还对锚杆施加预紧力，抵抗巷道形变，扭矩大小设定为400 N·m。高强度预紧力锚杆锚索支护方案如图1。

图1 高强度预紧力锚杆锚索支护方案（mm）

2.3 仿真结果对比

在仿真模拟中，普通型锚网索支护方案巷道顶板的应力集中区达2～3 m，巷道岩层自承能力丧失，且出现了明显的破碎，顶板发生大幅度位移，顶板下沉量达800 mm；巷道两帮的应力集中区达3～4 m，应力最大峰值约30 MPa，尤其是两帮水平位移严重，两帮鼓起程度较大，最大变形达700 mm。巷道支护效果不理想，达不到设计预期，存在安全隐患。

加强型锚网索支护方案在仿真模拟中，通过锚索支护作用改进，巷道顶板与两帮的应力集中区域影响范围缩小，顶板位置的应力集中区减小至1.5 m 以下，巷道两帮应力集中区减小至2～3 m 范围，应力集中区边缘向巷道内侧移动，应力峰值降至24 MPa。说明巷道顶板与两帮的支护效果得到改善，围岩受力状况更好。但巷道顶板应力集中区相对面积仍然较大，顶板下沉量由原来的800 mm 下降至600 mm，下沉量仍然较大。在28216 工作面巷道松软岩层地质情况下，大面积破碎卸压会引发顶板垮塌，随着时间积累，生产安全隐患仍未完全消除。

高强度预紧力锚杆锚索支护方案在仿真模拟中，巷道围岩受力范围明显缩小，顶板应力集中区与两帮应力集中区大幅度减小，巷道顶板集中应力区小于300 mm，围岩层的自承能力恢复，顶板下沉量由原来的800 mm 下降至129 mm；巷道两帮的受力形变位置明显减少，两帮应力极值降至22.5 MPa。说明通过采用高强度锚杆与锚索、改进不同位置的布置策略，巷道支护达到预期效果。

3 支护方案矿压观测

为了验证高强度预紧力锚杆锚索支护方案的有效性，在28216 巷道中选择合理观测点，采集受力情况与形变量参数值进行验证。

3.1 观测点情况

在28216 巷道设立两处观测点，观测点间距为100 m，对观测点位掘进期间的位移量、锚杆与锚索的受力数值、顶板离层情况分别进行采集与记录。

3.2 观测点数据对比与分析

1）观测点位移量数据

将观测点1#与观测点2#的两帮、左中、顶底、顶中位移量数据通过折线图进行统计，如图2 所示。

图2 观测点位移量变化曲线

从图2 可以看出，在距迎头距离8 m 内，观测点1#巷道未发生形变；在距迎头距离5.3 m 内，观测点2#巷道未发生形变。说明在掘进开始阶段，巷道内部自承能力良好。但两个观测点超过掘进距离阈值后，巷道开始出现形变，随着掘进距离的增加，形变量逐渐变大，达到形变量极值后趋于稳定。图2（a）与图2（b）中的形变量参数均在掘进距离达到65 m 左右趋于稳定，其中，掘进距迎头65 m 后，观测点1#的顶板最大形变量为23 mm，两侧巷道的最大位移量为19 mm；观测点2#的顶板最大形变量为17 mm，两侧巷道的最大位移量为12 mm。通过上述形变量数据可以看出，采用高强度预紧力锚杆锚索支护方案后，顶板与两帮的围岩支护效果良好。

2）观测点锚杆受力情况数据

观测点的锚杆受力情况通过加装测力计进行记录，在观测点1#共布置测力计7 个，其中顶板锚杆5 个，两帮位置2 个；在观测点2#共布置测力计8 个，其中顶板锚杆6 个，两帮位置2 个。

不同掘进距离下锚杆测力计数据如图3 所示。

图3 不同掘进距离锚杆测力计数据图

从图3 可以看出，将距迎头距离12.8 m 处的受力情况视为观测点1#初始状态，随着掘进距离的推进，各锚杆的受力均不同程度增加。其中，1 号观测点5#与7#的锚杆受力变化幅度较大，受力由52 kN 提升至95 kN，其余锚杆受力基本一致，在掘进距离达到50.4 m 后趋于稳定，不再发生变化。将距迎头距离8.8 m 处的受力情况视为观测点2#初始状态，随着掘进距离的推进，1#锚杆受力情况变化幅度最大，受力由60 kN 增加至105 kN，其余锚杆受力基本一致，在掘进距离达到52 m 后达到稳态。

3）顶板离层情况

通过对顶板离层情况进行统计，有助于分析支护效果，顶板离层随掘进距离变化情况如图4。

图4 顶板离层情况统计图

从图4 可以看出，顶板离层在浅部区域变化较快，达到一定距离后基本保持不变。图4（a）中，距迎头0.5 m 开始，顶板离层值逐渐增加，距迎头22 m 后，顶板离层值稳定在7 mm。图4（b）中，距迎头0.5 m 开始，顶板离层值逐渐增加，距迎头19.6 m 后，顶板离层值稳定在7.5 mm。两个观测点的离层值均在合理范围内，顶板支护效果较好。

4）掘进效率

通过对高强度预紧力锚杆锚索支护方案的实际应用，28216 工作面的巷道掘进距离满足生产效率要求，月掘进距离达到330 m 以上，支护效果良好，巷道顶板与两帮未见大范围形变。

4 结论

1）对普通型、加强型与高强度预紧力锚杆锚索支护方案进行设计，借助FLAC3D软件，对巷道顶板、两帮的应力集中区受力情况进行研究，说明通过采用高强度锚杆与锚索、改进不同位置的布置策略，可降低应力极值、减小应力集中区面积，巷道支护达到预期效果。2）通过28216 工作面的现场验证，高强度预紧力锚杆锚索支护方案的巷道形变量减小，顶板形变量最大值为23 mm，巷道两帮移近量最大值为19 mm，锚杆受力均衡，顶板离层程度减弱，掘进效率达到生产要求。