錨桿支護技術對巷道表面位移的影響分析

許 鑫

（晉能控股集團晉城煤炭事業部長平公司， 山西 晉城 048006）

引言

近年來，由于錨桿支護具有支護成本低、巷道斷面利用效率高以及可快速掘進等優點，其已被廣泛應用于巷道圍巖的控制中[1-2]。在煤礦巷道中，錨桿錨固范圍內的圍巖和錨桿共同作用形成錨固體，通過合理有效對錨桿進行布置，可以使巷道頂板、左右兩幫形成一個完整的承載結構[3-4]，而此承載結構不僅可以承受自重以及因變形形成的壓力，還可以支護外部圍巖，阻止圍巖的變形，進而達到支護煤礦巷道穩定的效果[5]。錨桿支護的理論有懸吊理論、組合拱理論、組合梁理論以及圍巖強度化理論[6]等，通過這些機理作用可保證巷道的穩定。但是，由于在煤礦巷道實際支護中，一般多采用加強頂板支護的形式，往往忽略了煤巷兩幫及角部的支護，致使煤巷幫部出現薄弱破壞現象[7-8]，所以幫部破壞主要是幫部薄弱的壓剪破壞及交界面的滑移破損共同作用造成的[9-10]。因此，本文提出采用強幫強角錨桿支護的設計技術，來提高煤巷幫部支護的穩定性，進而保證巷道圍巖的整體穩定。

1 強幫強角錨桿支護技術設計方案

以某礦為研究對象，設計錨桿支護方案，對于頂板錨桿支護，頂錨桿采用螺紋鋼錨桿，其規格是Φ22 mm×2 200 mm，間排距是780 mm、1 000 mm，頂板兩端的角錨桿布置成與水平大小成75°，除頂板兩端剩余的錨桿布置成與頂板垂直；對于錨索，規格為Φ17.8 mm×5 000 mm，錨索采用三花布置方式，也就是第一排設置角錨索根數為2，跟水平方向成75°布置，距離巷幫300 mm，第二排布置1 根錨桿于巷道中間位置，并與頂板垂直布置，排距是2 000 mm。此外，頂板每根錨桿采用一支CK2355 和Z2355 錨固劑，而每根錨索采用一支CK2355 和K2355 錨固劑，同時，頂板還鋪設金屬網。

對于幫部支護，幫錨桿采用左螺紋鋼，規格同于頂部錨桿，間排距是900 mm、1 000 mm，且兩幫的最頂排錨桿向上傾斜15°進行布置，此外，兩幫每根錨桿采用一支CK2355 和Z2355 錨固劑，且采用鉆頭的規格是Φ28 mm。強幫強角錨桿支護設計斷面圖如圖1 所示。

圖1 錨桿巷道支護設計斷面圖（單位：mm）

2 錨桿支護對巷道表面位移的影響分析

為驗證采用上述錨桿支護方案后，對巷道支護的效果以及支護的合理性。本文對煤巷表面位移進行分析，也就是巷道頂板下沉量、左右兩幫變形量進行監測研究，設置兩組監測斷面，圖2 中1 號和2 號斷面的位置分別是828.5 m 和854.5 m，其中，每組監測斷面據掘進工作面4～10 m 區域內進行布置。

圖2 巷道監測點的布置情況

2.1 錨桿支護對巷道頂板變形的影響

對支護后的巷道頂板變形量進行分析，得到如下頁圖3 所示的曲線圖。從圖3 中可知，在監測時間0~20 d 時間段內，頂板各斷面處于加速變形時段，此段內變形量增加速度比較快。加速變形時段內1 號斷面變形量是40.5 mm，占總變形量的88.0%；2 號斷面變形量是55 mm，占總變形量的93.2%，且這兩個斷面的變形量均占頂板整體變形量的最大比例。當巷道頂板從加速變形時段逐漸過渡到穩定時段時，此段內圍巖位移增長速度比較緩，最后達到基本穩定。1 號斷面第32 天結束過渡時段，變形量是5.5 mm，占總變形量的12.0%，穩定值是46 mm；2 號斷面第30 天結束過渡時段，變形量是4.5 mm，占總變形量的7.6%，穩定值是59 mm，且此段內兩個斷面的變形量比較小。當巷道掘進一定深度后，頂板巷道不再產生大變形，即進入穩定狀態，最終1 號和2 號斷面穩定值分別是46 mm 和59 mm，且再繼續監測一周時間，發現最終穩定值基本沒有明顯變化，表明巷道已進入穩定狀態。

圖3 錨桿支護后的巷道頂板變形曲線圖

2.2 錨桿支護對巷道左幫變形的影響

對支護后的巷道左幫變形量進行分析，得到圖4所示的曲線圖。從圖4 中可知，左幫加速變形時段的曲線斜率相比后兩個時段變化顯著，1 號斷面加速變形時段總共26 d，變形量是93 mm，占總變形量的97.9%；2 號斷面加速變形時段總共29 d，變形量是97 mm，占總變形量的98.0%，且這兩個斷面的變形量均占了左幫整體變形量的最高比例。當巷道左幫變形進入過渡時段時，1 號斷面第32 天結束過渡時段，變形量是2 mm，占總變形量的2.1%，最終穩定值是95 mm；2 號斷面第35 天結束過渡時段，變形量是2 mm，占總變形量的2.0%，最終穩定值是99 mm，且此段內這兩個斷面的巷道左幫變形量均比較小。當巷道左幫由過渡時段進入最后穩定狀態，1 號和2 號斷面左幫變形量最終值是95 mm 和99 mm，且再經過一周的連續監測，巷道左幫也不再產生變形。

圖4 錨桿支護后的巷道左幫變形曲線圖

2.3 錨桿支護對巷道右幫變形的影響

對支護后的巷道右幫變形量進行分析，得到圖5所示的曲線圖。從圖5 中可知，右幫變形規律基本同于左幫變形。對于右幫加速變形時段，1 號斷面的加速變形時段共26 d，變形量是125mm，占總變形量的98.0%；2 號斷面的加速變形時段共27 d，變形量是130 mm，占總變形量的97.0%。且此段內這兩個斷面的變形量也均占右幫整體變形量的最大比例。對于右幫變形過渡時段，1 號斷面第27 天結束，變形量是2.5 mm，占總變形量的2.0%，最終穩定值是127.5 mm；2 號斷面第33 天結束，變形量是4 mm，占總變形量的3.0%，最終穩定值是134 mm。對于右幫變形穩定時段，1 號和2 號斷面的最終穩定值分別是127.5 mm 和134 mm，且經過一周監測后，巷道右幫基本不再產生變形，達到穩定狀態。

圖5 錨桿支護后的巷道右幫變形曲線圖

綜上，通過對巷道頂板及左右兩幫變形量進行分析可知，盡管其都產生一定的變形量，但是均在可控范圍內，且隨著時間推移，巷道不再產生變形，達到穩定狀態，表明強幫強角錨桿支護技術能夠在提升頂板承載力的同時，減小對巷道幫部和角部的變形，從而維護巷道的整體穩定。

3 結論

1）巷道頂板、左右兩幫變形都存在三個時段，既加速變形、過渡和基本穩定時段，且加速變形時段的圍巖變形量最大，過渡時段圍巖變形量變慢，最終不再增加達到穩定狀態。

2）采用強幫強角錨桿支護，能夠大幅改善圍巖變形，增強巷道整體支護的穩定性。