錨桿支護(hù)技術(shù)的優(yōu)化對(duì)比研究

呂 超

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)燕子山礦，山西 大同 037037）

引言

錨桿支護(hù)技術(shù)是目前煤礦常用的巷道支護(hù)形式，應(yīng)用錨桿支護(hù)不僅能夠提高巷道圍巖的強(qiáng)度[1]，增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性，還具有支護(hù)成本低、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、成巷速度快以及大幅改善礦井生產(chǎn)條件等優(yōu)點(diǎn)[2]。錨桿支護(hù)是借助于錨桿內(nèi)部的桿體，使圍巖本身的力學(xué)形態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而來提高圍巖自身的強(qiáng)度，在巖體周圍形成穩(wěn)定的承載圈，并同四圍巖體相互作用，保護(hù)巷道圍巖[3]。應(yīng)用錨桿支護(hù)的理論有組合梁理論、最大水平應(yīng)力理論、懸吊理論、組合拱理論以及圍巖松動(dòng)圈理論等[4-5]，基于錨桿支護(hù)的機(jī)理，錨桿支護(hù)對(duì)破碎巖體和完整巖體均產(chǎn)生擠壓加固圍巖的作用[6]。在煤礦巷道實(shí)際支護(hù)中，由于受到掘進(jìn)開挖以及應(yīng)力重分布的作用，巷道幫部比較薄弱[7]，而采用強(qiáng)幫強(qiáng)角錨桿支護(hù)，可提高巷道幫部和角部的穩(wěn)定性，增強(qiáng)幫部和角部對(duì)頂板巖體的的支撐力，改善頂板的受力形態(tài)，進(jìn)而減小頂板的變形[8]，因此，為降低巷道圍巖兩幫的變形，進(jìn)而提高圍巖的整體穩(wěn)定性，本文基于強(qiáng)幫強(qiáng)角錨桿支護(hù)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)[9]，對(duì)原錨桿支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，來提高巷道支護(hù)的穩(wěn)定性。

1 錨桿支護(hù)技術(shù)的優(yōu)化及對(duì)比

1.1 原錨桿支護(hù)方案

本文以某礦為研究對(duì)象，巷道中原錨桿支護(hù)方案是：采用錨桿、錨索配合W 型鋼帶、金屬網(wǎng)的聯(lián)合支護(hù)形式，其中，對(duì)于頂板支護(hù)，頂錨桿采用螺紋鋼錨桿，規(guī)格是Φ22 mm×2 200 mm，錨桿間排距是780 mm、1 000 mm。錨索支護(hù)選用規(guī)格是Φ17.8 mm×5 000 mm，且錨索采用三花布置方式，第一排設(shè)置與水平線呈75°角的2 根角錨索，距巷幫約300 mm；第二排設(shè)置是位于巷道中間，且與頂板垂直的1 根錨索，排距是2 000 mm。W 型鋼帶尺寸是4 200 mm×275 mm×3 mm。此外，頂板鋪設(shè)金屬網(wǎng)。對(duì)于幫部支護(hù)，幫部錨桿采用圓鋼錨桿，規(guī)格是Φ16 mm×1 800 mm，錨桿間排距是780 mm、1 000 mm；幫部錨桿設(shè)置與巷道幫部垂直，左幫4 根錨桿，右?guī)? 根錨桿，且上排錨桿與頂板距離是500 mm。其中，巷道原錨桿支護(hù)的示意圖如圖1 所示。

1.2 強(qiáng)幫強(qiáng)角優(yōu)化支護(hù)方案

本文結(jié)合施工成本、巷道穩(wěn)定性等因素，并依據(jù)強(qiáng)幫強(qiáng)角錨桿支護(hù)的理論[10]，對(duì)巷道原錨桿支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，其中，頂部錨桿支護(hù)同于原方案，對(duì)于幫錨桿支護(hù)，兩幫選用鉆頭的規(guī)格是Φ28 mm，錨桿采用左螺旋紋鋼，規(guī)格是Φ22 mm×2 200 mm，間排距是900 mm、1 000 mm，且位于兩幫最上排的錨桿都向上傾斜15°角。其中，優(yōu)化后錨桿支護(hù)示意圖如圖2 所示。

圖2 巷道優(yōu)化后錨桿支護(hù)示意圖（單位：mm）

1.3 對(duì)比分析

為確定應(yīng)用強(qiáng)幫強(qiáng)角錨桿支護(hù)形式的效果，本文對(duì)巷道左幫及右?guī)臀灰谱冃芜M(jìn)行監(jiān)測(cè)，布置三處監(jiān)測(cè)面，其中1 號(hào)斷面為原錨桿支護(hù)形式斷面，2 號(hào)和3號(hào)均為優(yōu)化后錨桿支護(hù)斷面，如圖3 所示，1 號(hào)、2 號(hào)和3 號(hào)斷面距巷道交叉點(diǎn)的距離分別是700.5 m、828.5 m 和854.5 m。

圖3 錨桿支護(hù)監(jiān)測(cè)斷面布置圖

首先對(duì)巷道左幫變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到圖4 所示的位移變化曲線。從圖4 中可看出，左幫位移最初高速變形始于巷道的開挖，原支護(hù)方案中，左幫高速變形的曲線斜率較大，同后兩個(gè)巷道變形存在明顯差別。對(duì)于1 號(hào)斷面，第18 天結(jié)束高速變形時(shí)段，此段累計(jì)變形量是101 mm，占左幫變形量的94.4%；對(duì)于2 號(hào)斷面，第26 天結(jié)束高速變形時(shí)段，累計(jì)變形量是93 mm，占左幫變形量的97.9%；對(duì)于3 號(hào)斷面，第29天結(jié)束高速變形時(shí)段，累計(jì)變形量是97 mm，占左幫變形量的98.0%。

圖4 左幫位移變化曲線對(duì)比圖

對(duì)于左幫位移變形量趨于穩(wěn)定時(shí)段，也就是過渡時(shí)段，此過程變形量增速較慢，最后達(dá)到基本穩(wěn)定。對(duì)于1 號(hào)斷面，過渡天數(shù)是19～29 d，此段累計(jì)變形量是6 mm，占左幫變形量的5.6%，變形量很小，最終穩(wěn)定值是107 mm。對(duì)于2 號(hào)斷面，過渡天數(shù)是27～32 d，累計(jì)變形量是2 mm，占左幫變形量的2.1%，變形量也很小，穩(wěn)定值是95 mm。對(duì)于3 號(hào)斷面，過渡天數(shù)是30～35 d，累計(jì)變形量是2 mm，占左幫變形量的2.0%，變形量更小，穩(wěn)定值是99 mm。

對(duì)于左幫位移變形最終穩(wěn)定階段，若無特殊因素影響作用，巷道左幫不會(huì)再產(chǎn)生較大的變形，且對(duì)巷道整體也不會(huì)有影響。此段，1 號(hào)、2 號(hào)和3 號(hào)斷面的左幫位移變形量分別是107 mm、95 mm、99 mm，都保持在過渡時(shí)段結(jié)束后的大小值，繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行約一周的監(jiān)測(cè)，左幫位移量均沒有發(fā)生明顯的變形。通過上述分析可知，原方案1 號(hào)監(jiān)測(cè)斷面中的左幫變形幅度明顯比優(yōu)化后2 號(hào)和3 號(hào)斷面的大。

再對(duì)巷道右?guī)妥冃瘟窟M(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到圖5 所示的位移變化曲線。從圖5 中可看出，原支護(hù)方案中，右?guī)妥畛醺咚僮冃坞A段中曲線斜率最大，明顯不同于后兩個(gè)階段。對(duì)于1 號(hào)斷面，高速變形時(shí)段在0～18 d，累計(jì)變形量大小是144.5 mm，占變形總量的96.7%。對(duì)于2 號(hào)斷面，高速變形時(shí)段在0～26 d，累計(jì)變形量大小是125 mm，占變形總量的98.0%。對(duì)于3 號(hào)斷面，高速變形時(shí)段在0～27 d，累計(jì)變形量大小是130 mm，占變形總量的97.0%。對(duì)于以上三處監(jiān)測(cè)斷面，最初高速變形階段均占了整個(gè)變形量的大部分。

圖5 右?guī)臀灰谱兓€對(duì)比圖

對(duì)于右?guī)臀灰谱冃芜^渡時(shí)段，變形速度變緩最后趨向穩(wěn)定。對(duì)于1 號(hào)斷面，30 d 后結(jié)束過渡時(shí)段，累計(jì)變形量大小是5 mm，占右?guī)涂傋冃瘟康?.34%，變形量小，穩(wěn)定值是149.5 mm；對(duì)于2 號(hào)斷面，27 d 后結(jié)束過渡時(shí)段，累計(jì)變形量大小是2.5 mm，占右?guī)涂傋冃瘟康?.96%，穩(wěn)定值是127.5 mm。對(duì)于3 號(hào)斷面，33 d 后結(jié)束過渡時(shí)段，累計(jì)變形量是4 mm，占右?guī)涂傋冃瘟康?.99%，變形量也較小，穩(wěn)定值是134 mm。

右?guī)妥冃畏€(wěn)定時(shí)段同于左幫，即此階段巷道右?guī)筒粫?huì)再產(chǎn)生較大的變形，且對(duì)巷道整體也不會(huì)有影響。穩(wěn)定時(shí)段下的1 號(hào)、2 號(hào)和3 號(hào)斷面的右?guī)妥冃瘟恐荡笮》謩e是149.5 mm、127.5 mm、134 mm，且經(jīng)過一周的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，右?guī)妥冃瘟看笮∪员３衷谶^渡時(shí)段的最終值。通過上述分析可知，原方案1 號(hào)監(jiān)測(cè)斷面中的右?guī)妥冃畏让黠@比優(yōu)化后2 號(hào)和3 號(hào)斷面的大。

2 結(jié)論

為降低巷道圍巖兩幫的變形，進(jìn)而提高圍巖的整體穩(wěn)定性。本文提出應(yīng)用強(qiáng)幫強(qiáng)角錨桿支護(hù)技術(shù)，并與原錨桿支護(hù)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)論是：

1）巷道變形過程歷經(jīng)三個(gè)時(shí)段，即最初高速變形時(shí)段、過渡時(shí)段及最終穩(wěn)定時(shí)段，其中，最初變形時(shí)段的巷道圍巖位移變形量最大，是圍巖壓力加速釋放階段；過渡時(shí)段圍巖應(yīng)力趨于穩(wěn)定，圍巖變形逐漸放緩，最終變形量不再增加，達(dá)到最終的穩(wěn)定時(shí)段。

2）優(yōu)化后的錨桿支護(hù)技術(shù)明顯降低了最初高速變形時(shí)段巷道左右?guī)偷淖冃?，表明?yīng)用強(qiáng)幫強(qiáng)角支護(hù)能夠改善圍巖的變形，增強(qiáng)巷道支護(hù)的穩(wěn)定性。