錨桿支護參數對巷道變形的影響分析

黃成龍

（晉能控股煤業集團馬脊梁礦質檢組， 山西 大同 037000）

引言

錨桿支護是通過錨桿來加固巷道圍巖，使其具有較高的承載力，并與錨固范圍內的基巖相互作用，進而形成錨固體，不僅能夠抵抗巷道圍巖的變形，還可大幅提高圍巖的強度。所以，錨桿是利用對表層圍巖的支護及內部圍巖的加固來發揮作用，其中表層支護主要表現在通過安設錨桿來改善圍巖的應力狀態，使圍巖的徑向抗壓強度提升；內部加固主要表現在錨桿自身的抗剪強度遠超過圍巖，同時通過相互間作用產生的摩擦阻力，使錨固體的黏聚力增強，進而提升錨固體的抗剪強度。所以，從錨固體的角度來分析，錨桿的作用主要體現在使錨固體的剛度提高[1]。錨桿支護的機理有組合拱理論、懸吊理論、最大應力理論、圍巖松動圈理論及加固拱理論等，利用錨桿支護的這些機理可降低對巷道圍巖的破壞，具體有：一是改善圍巖的應力狀態，開挖前，圍巖受三向力作用處于平衡穩定狀態，而被開挖后，從原來的三向轉變為兩向的不平衡狀態，降低了圍巖的穩定性，使圍巖易破壞失穩，采用錨桿支護可改善其應力狀態；二是加強圍巖的強度，錨桿通過相互作用于圍巖形成錨固體，可提升錨固體的強度，進而提升圍巖的穩定性[2]。而錨桿支護參數的選取對巷道圍巖加固的效果影響也較大，如錨桿長度設計太短，會不利于巷道的穩定，若錨桿直徑設計太大，支護效果既不明顯又不經濟[3]，因此，本文主要分析不同錨桿長度、錨桿直徑對巷道變形的影響規律，進而確定最佳的錨桿支護參數，實現煤礦開采的安全高效。

1 錨桿支護參數對巷道變形的影響

在礦井巷道支護設計中，應選取合理的錨桿參數，錨桿參數一般有錨桿長度、橫截面積、直徑及錨桿間排距等，當錨桿參數選取太大時，不僅使巷道支護成本增加，且會影響經濟效益；而當錨桿參數選取太小時，其在降低煤礦生產安全性的同時，使后期維修困難，再加上煤礦地質條件的復雜性，錨桿參數的選取就顯得較困難。

巷道周邊的破碎煤巖，在相互間的鉸和作用下會產生較穩定的結構，并利用懸吊作用，錨桿將破碎的煤巖懸吊在相對穩定的基巖上，進而避免破碎煤巖的掉落，因此，錨桿長度是錨桿的錨固長度、有效長度及外露長度三者之和；而錨桿直徑是利用錨桿的自身承載力及錨固力等計算確定[4]，計算公式為：

式中：d 為錨桿直徑，mm；Q 為錨桿錨固力，kN，一般取值為60～80 kN；σmg為錨桿體材料拉拔強度，MPa，一般取值大于或等于570 MPa。通過計算可知，錨桿直徑應選取的范圍是19.4～21.3 mm。本文主要分析不同錨桿長度、錨桿直徑對巷道頂底板變形的影響規律，保證煤炭開采的安全經濟。

1.1 錨桿長度

本次選取錨桿間排距是900 mm×900 mm、直徑是22mm，改變錨桿長度L 分別是1600mm、1800mm、2 000 mm、2 200 mm 及2 500 mm，分析對巷道變形的影響規律，分別得到下頁圖1 和圖2 所示的巷道頂板下沉量與底板底鼓量變化曲線。

圖2 不同錨桿長度對巷道底板變形的影響曲線

由圖1 可以看出，當錨桿長度較短時，隨著錨桿長度的增大，巷道圍巖變形增大，這是由于短錨桿都處于圍巖的破碎區，在采動作用的影響下，巷道圍巖發生變形，錨桿的錨固效果差，因此，此時巷道圍巖的穩定性較差。

圖1 不同錨桿長度對巷道頂板變形的影響曲線

由圖2 可知，當錨桿長度較短時，隨著錨桿長度的增大，巷道底板變形也呈現相同的變化趨勢。對比圖1 和圖2 可發現，當錨桿長度增加至2 000 mm時，錨桿的錨固作用開始發揮作用，因此，巷道圍巖的變形逐漸減小；當錨桿長度再增加至2 200 mm 和2 500 mm 時，巷道圍巖變形大致相同；當錨桿長度再繼續增大時，能夠更好地控制圍巖變形。綜上可知，錨桿支護長度應大于2 000 mm，因此，宜選取長度是2 500 mm 的錨桿，以維護巷道圍巖的穩定。

1.2 錨桿直徑

本次選取錨桿間排距是900 mm×900 mm、長度是2 500 mm，改變錨桿直徑D 分別是16 mm、18 mm、20 mm、22 mm 及24 mm，分析對巷道變形的影響規律，分別得到圖3 和圖4 所示的巷道頂板下沉量與底板底鼓量變化曲線。

由圖3 可以看出，隨著錨桿直徑的增大，巷道頂板位移逐漸減小。當錨桿直徑為16 mm 時，錨桿支護作用效果不明顯，不能很好地控制圍巖的變形；而當直徑位于18～22 mm 范圍內，錨桿支護能夠發揮作用，因此，此時巷道頂板兩側的位移減小。

圖3 不同錨桿直徑對巷道頂板變形的影響曲線

由圖4 可看出，隨著錨桿直徑的增大，巷道底板位移也同樣減小，盡管在局部區間出現底板位移增大的現象，但整體變化趨勢是減小的。

圖4 不同錨桿直徑對巷道底板變形的影響曲線

對比圖3 和圖4 可看出，由于巷道頂板的作用，在支護相對薄弱的底板時，還會受到上覆巖體的壓力，因此，使得底板位移出現不減反增的現象。當錨桿直徑是24 mm 時，在錨桿的控制作用下，頂板較穩定，但是錨桿直徑的選取并不是越大越好，一般要求達到所需的預緊力，并能夠抑制巷道圍巖的變形即可，因此宜選取直徑為22 mm 的錨桿進行巷道支護。

2 結論

為確定最佳的支護參數，進而提高錨桿支護的效果，本文主要分析不同錨桿長度、錨桿直徑對巷道變形的影響規律，結論如下：

1）當錨桿長度較短時，隨著錨桿長度的增大，巷道圍巖變形增大；當錨桿長度增加至2 000 mm 時，錨桿的錨固作用開始發揮作用，因此，錨桿長度宜選取2 500 mm。

2）隨著錨桿直徑的增大，巷道頂底板圍巖變形逐漸減小，且在局部區間出現底板位移增大的現象，但整體變化趨勢是減小的，因此，錨桿直徑宜選取22 mm。