煤礦軟巖巷道錨桿支護參數設計研究

張 晶，李金龍

(同煤集團同家梁礦業公司，山西 大同 037003)

0 引言

關于錨桿的支護機理，主要有4種觀點：第一，懸吊作用；第二，組合梁作用；第三，三鉸拱機制；第四，經驗公式。這些理論各有特點，得出的支護參數也各不相同，同時也各有其適用條件，主要取決于地質條件和巷道圍巖特點。文中以某煤礦為背景，通過不同的錨桿支護理論得出相應的支護參數，并采用數值模擬方法進行對比分析，從而確定最佳的錨桿支護參數。

1 概況

1.1 礦井概況

某煤礦主要開采3#煤層，煤層平均厚度2.5 m，煤層賦存穩定，平均傾角9°。現開采水平為-600 m水平，在東西方向上布置了2條軌道大巷和皮帶巷，同時布置幾組下山。下山巷道的巖層主要有灰色頁巖、暗灰色粉砂巖和暗灰色細砂巖。巷道埋藏較深，巷道圍巖中存在較大的應力。礦井地質構造簡單，采區內沒有斷層，巖石普氏系數較低，也表現出較低的強度，屬于軟巖范疇。總回風巷道采用錨桿支護，采用的錨桿為鋼筋樹脂錨桿，其規格為φ18 mm×1 800 mm，支護密度為700 mm×700 mm。

1.2 錨桿參數

目前主要使用2種規格的錨桿來實現對巷道的支護，錨桿的間排距確定為700 mm，通過十字測量法發現巷道存在較嚴重變形，對礦井正常生產產生了一定的影響。所用錨桿有φ18 mm×1 800 mm和φ20 mm×2 000 mm 2種規格。

2 錨桿支護理論和支護參數計算方法

2.1 懸吊機制

所謂懸吊理論指的是，通過錨桿的錨固作用，將煤巖層頂板下部的強度較低的部分吊在其上部強度比較大的煤巖層中，這種情況下，錨桿所承受的重量可認為是煤巖層下部強度較小部分的重量。此時，錨桿的主要作用是減少煤巖層下部的下沉量和控制煤巖層下部與上部的離層。在錨桿的錨固作用下實現頂板的穩定。

支護參數的確定：

l=l1+l2+l3

(1)

l2=RP-h

(2)

(3)

式中：l—錨桿的總長度，m；l1—錨桿的暴露長度，m；l2—錨桿的被錨固長度，m；l3—為錨桿伸入老頂的長度，m；R0—等效圓掘進半徑，m；RP—破碎帶高度，m；K—應力集中系數；γ—巖石容重，kN/m3；H—巷道的埋藏深度，m；φ、C—巖體的內摩擦角和粘結強度，MPa。

(4)

式中：d—錨桿的直徑，m；Q—錨桿的錨固力，kN；σt—錨桿的桿體抗拉強度，MPa，一般通過數據表獲得。

(5)

式中：a—錨桿的間排距，m。

2.2 組合梁機制

當沒有堅硬而厚煤巖層頂板且存在多層薄煤巖層時，通過組合梁機制，即錨桿的預拉應力作用，來實現對各煤巖層進行的一種擠緊作用，從而從根本上提高了煤巖層的自身強度，提高煤巖層的自承能力。

支護參數的確定：

(6)

式中：t—組合拱厚度，m；a—錨桿控制角，通常取為45°。

2.3 三鉸拱機制

若圍巖在礦山壓力的作用下出現了裂隙，形成了塊狀圍巖，則適合應用三鉸拱機制，該機制通過錨桿的懸吊作用，將塊狀圍巖懸吊起來，使其彼此擠壓，從而形成了一種特殊的結構，即二鉸拱結構。與之前相比，這種結構比較穩定，既能將巖塊固定在一塊，又能強化巖塊的整體性，從而提高了圍巖的自承能力。

支護參數確定：

l=l1+l2+0.5a+l

(7)

(8)

式中：B—巷道寬度，m；f0可取0。

2.4 經驗公式

經驗公式是在一些煤礦應用錨桿支護經驗的基礎上總結出的一些確定支護參數的公式。

支護參數的確定：

l=N(1.1+B/10)

(9)

q=Mγl/Q

(10)

式中：N—與穩定性有關的系數；q—錨桿密度，根/m2；M—與圍巖穩定性有關的系數。

3 支護參數設計計算與分析

3.1 支護參數設計

以總回風巷道為背景，巷道相關參數如圖1所示。錨桿材料的確定則以該礦實際應用的錨桿為準，即為鋼筋樹脂錨桿，規格為φ18 mm×1 800 mm，支護密度為700 mm×700 mm。在已知地質條件下，根據上述不同的錨桿支護機制，確定相應的支護參數，見表1。

圖1 總回風巷道斷面示意圖

方法12345計算依據現用參數懸吊理論組合梁理論三鉸拱理論經驗公式錨桿參數/mm?18×1 800?20×2 000?20×1 600?20×2 200?20×1 800錨桿密度/mm700×700800×800700×700800×800450×450

3.2 模擬研究

根據已知的礦井條件以及相關支護參數，建立回風巷道斷面模型，針對4種理論機制下計算出的支護參數進行模擬分析，可以得到不同支護參數下的巷道變形情況，確定巷道最佳的支護參數。

對5種錨桿支護參數下巷道幫部變形情況進行分析，結果如圖2所示。

圖2 不同支護參數下的幫部變形量

第2種和第4種錨桿支護理論機制確定的支護參數，幫部變形量較小。因此，從巷道幫部變形量角度講，采用第2種和第4種錨桿支護理論比較合理，即通過懸吊機制和三鉸拱機制得出的錨桿支護參數能夠較好地滿足巷道支護要求。

對5種錨桿支護參數下巷道頂板變形情況進行分析，結果如圖3所示。

圖3 不同支護參數下的頂板變形量

由圖3可知，第4種和第5種錨桿支護理論機制確定的支護參數，頂板變形量較小。因此，從巷道頂板變形量角度講，采用第4種和第5種錨桿支護理論比較合理，即通過三鉸拱機制或經驗公式得出的錨桿支護參數能夠較好滿足巷道的支護要求。

通過上述分析，可知選擇第4種錨桿支護理論機制，即三鉸拱理論機制比較合理。通過三鉸拱理論機制確定的錨桿支護參數，可使得回風巷道的幫部和頂板變形量處于最小的情況。因此，確定回風巷道的錨桿支護參數：規格φ20 mm×2 200 mm，間排距800 mm×800 mm。

3.3 應用效果

根據確定的回風巷道錨桿支護參數：規格φ20 mm×2 200 mm，間排距800 mm×800 mm，對回風巷道進行施工，一個月后，通過十字測量法測得巷道幫部變形量為23 mm，頂板變形量為16 mm，完全滿足巷道支護要求。

4 結語

通過對不同錨桿支護理論機制分析以及對支護參數的數值模擬研究可知，采用三鉸拱理論機制確定的錨桿支護參數，可使得巷道幫部和頂板變形量較小，因而三鉸拱理論機制比較適合該礦錨桿支護參數的設計研究。因此，在礦井支護參數設計時，各煤礦應根據其支護巷道特點，對各種支護機理進行分析，選擇合理的支護理論。