錨桿分次支護(hù)優(yōu)化技術(shù)對巷道圍巖影響的分析研究

榮葉明

（臨汾宏大隆博煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042100）

引言

錨桿支護(hù)技術(shù)是利用圍巖自身的力量承載壓力，從而提高巖體周圍的強(qiáng)度，并與保護(hù)區(qū)相互作用形成完整的載重體，進(jìn)而達(dá)到支護(hù)煤礦巷道的效果[1]。錨桿支護(hù)技術(shù)利用錨桿可連接巷道頂部和深部牢靠的巖層，控制巷道的下沉及掉落；組合梁作用，利用錨桿產(chǎn)生的錨固力提高圍巖的抗變形力，進(jìn)而提高圍巖的抗剪切力，控制圍巖產(chǎn)生位移變形，產(chǎn)生組合橫梁作用；復(fù)合拱作用，利用錨桿支護(hù)施加預(yù)應(yīng)力，將錨固范圍內(nèi)的圍巖形成壓縮拱的壓縮帶，實(shí)現(xiàn)圍巖的三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變，從而提高圍巖的支護(hù)強(qiáng)度[2]。通過分析錨桿的支護(hù)作用，可知錨桿與圍巖的作用效果有：一是采用錨桿支護(hù)井下巷道，提高了巷道圍巖的各項(xiàng)性能，增強(qiáng)了圍巖的屈服強(qiáng)度，進(jìn)而改善了圍巖的破壞變形；二是經(jīng)過錨桿支護(hù)后的巷道強(qiáng)度進(jìn)一步得到增強(qiáng)，在減小圍巖變形的同時提高圍巖的抗剪切力，阻止圍巖的變形移動；三是進(jìn)行錨桿支護(hù)加強(qiáng)，可消除拉應(yīng)力作用，增大圍巖的抗拉強(qiáng)度，減小壓應(yīng)力作用，進(jìn)而減小圍巖產(chǎn)生的位移變形量。通過上述分析，采用錨桿支護(hù)技術(shù)不僅提高了圍巖的內(nèi)聚力，還可增大圍巖的內(nèi)摩擦角，增加圍巖的形變模量[3]，具有很好的支護(hù)效果。因此，本文在對比研究錨桿分次支護(hù)優(yōu)化技術(shù)和傳統(tǒng)錨桿支護(hù)技術(shù)兩種方式的基礎(chǔ)上，分析其巷道圍巖的變形和錨桿所受軸力的變化規(guī)律，進(jìn)而引出錨桿分次支護(hù)的優(yōu)化技術(shù)。

1 兩種支護(hù)技術(shù)對比方案

本文以某礦為對象，選取兩種方案對比研究，方案1采用原錨桿支護(hù)技術(shù)的巷道保護(hù)，方案2采用錨桿分次支護(hù)技術(shù)，其中原錨桿支護(hù)是來源于傳統(tǒng)理論設(shè)計(jì)的，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)一定深度后停止并退出，開始由外向開挖方向依次進(jìn)行巷道的錨桿支護(hù)；而錨桿分次支護(hù)優(yōu)化技術(shù)的不同之處在于先在開挖巷道的頂部進(jìn)行錨桿支護(hù)，隨后隨巷道掘進(jìn)作業(yè)開展的同時再進(jìn)行幫部錨桿的支護(hù)，即幫部錨桿支護(hù)滯后進(jìn)行[4]。每種方案選取100 m為研究段，分別選取3個分析面，每個分析面間隔20 m，具體的布置示意圖如圖1所示。

圖1 對比兩種方案的布置示意圖

2 兩種支護(hù)技術(shù)對巷道圍巖的影響

2.1 巷道圍巖變形的對比分析研究

對于分析巷道圍巖變形的情況，本文采用三角形布點(diǎn)法進(jìn)行研究，一組20 m，每組設(shè)置4個研究點(diǎn)，分別設(shè)置在開挖巷道頂部和幫部的中間位置，并在頂部和兩側(cè)幫部各布置兩個研究點(diǎn)，研究布置的示意圖如圖2所示。

圖2 分析巷道圍巖變形的布置示意圖

采用上述布點(diǎn)法分析巷道圍巖的變形情況，得到如下頁圖3所示的示意圖，從圖中可以看出，對于方案1，頂部巷道圍巖變形的最大值是14.9 mm，兩側(cè)幫部的最大值是6.7 mm；對于方案2，頂部巷道圍巖變形的最大值是17.7 mm，兩側(cè)幫部的最大值是8.6 mm。

圖3 對比兩種方案的巷道圍巖變形曲線圖

通過圖3對比還可知，在原支護(hù)技術(shù)和錨桿分次支護(hù)技術(shù)下，在距開挖掘進(jìn)面大約45 m后，巷道圍巖的變化平緩，變形量趨于穩(wěn)定，但是，對比分析圍巖變形的最大值，原支護(hù)技術(shù)比分次支護(hù)的頂部變形值小2.8 mm，兩側(cè)幫部變形小1.9 mm，由于采用傳統(tǒng)的錨桿支護(hù)技術(shù)是一次支護(hù)成巷，限制了巷道圍巖的變形，而錨桿分次支護(hù)技術(shù)在前期開挖施工中準(zhǔn)許圍巖存在變形，隨后隨巷道掘進(jìn)的同時完成分次支護(hù)技術(shù)，因此，只要將巷道圍巖的變形控制在合理的范圍內(nèi)，在開挖掘進(jìn)階段可隨時保證掘進(jìn)作業(yè)的安全，也就可以保證井下煤礦的安全。所以，對比分析可知，采用錨桿分次支護(hù)技術(shù)，其頂板變形量要大于傳統(tǒng)支護(hù)，因兩側(cè)幫部錨桿滯后作業(yè)，其幫部變形量也大于傳統(tǒng)支護(hù)，但是其變形量都在可控的范圍內(nèi)。但在實(shí)踐應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，采用錨桿分次支護(hù)可更有效地保證巷道的穩(wěn)定安全，顯著提高巷道掘進(jìn)速度。

2.2 巷道錨桿所受軸力的對比分析研究

在巷道圍巖掘進(jìn)開挖時，由于對錨桿的擠壓作用，錨桿就會受到軸力，對比研究兩種支護(hù)技術(shù)下的錨桿所受的軸力，得到如圖4所示的變化曲線圖。

從圖4可以看出，在距掘進(jìn)面0~45 m區(qū)間內(nèi)，巷道圍巖變形量逐漸增大，錨桿所受到的軸力值也呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，逐漸增大，對于方案2錨桿分次支護(hù)技術(shù)，錨桿最大軸力值是41.5 kN，距掘進(jìn)開挖面48 m左右時穩(wěn)定；對于方案1傳統(tǒng)錨桿支護(hù)技術(shù)，錨桿最大軸力值是39.2 kN，距掘進(jìn)開挖面43 m左右時穩(wěn)定。

圖4 對比兩種方案錨桿所受的軸力變化曲線圖

從圖4對比還可知，兩種支護(hù)技術(shù)下錨桿整體所受到的軸力變化規(guī)律基本一致，都隨距掘進(jìn)面距離的增大呈現(xiàn)出先增大后穩(wěn)定的變化趨勢，但是錨桿分次支護(hù)技術(shù)下錨桿所受的軸力值明顯較大，最大軸力值相差2.3 kN，主要是由于錨桿分次支護(hù)技術(shù)準(zhǔn)許巷道圍巖存在變形，相應(yīng)地錨桿整體所受到的軸力值較大。

3 結(jié)論

為提高井下巷道開挖的速度，進(jìn)而提高煤礦生產(chǎn)效率，本文在對比研究錨桿分次支護(hù)技術(shù)和傳統(tǒng)錨桿支護(hù)技術(shù)兩種方案下，分析巷道圍巖的變形和錨桿所受軸力的變化規(guī)律，結(jié)論是：

1）兩種方案下，距開挖掘進(jìn)面大約45 m左右時，巷道圍巖的變化平緩，變形量趨于穩(wěn)定，且分次支護(hù)下頂部和兩側(cè)幫部巷道圍巖的變形量都大于原支護(hù)技術(shù)。

2）兩種方案下，錨桿整體所受到的軸力值變化規(guī)律基本一致，都隨距掘進(jìn)面距離的增大呈現(xiàn)出先增大后穩(wěn)定的變化趨勢，且分次支護(hù)相比原支護(hù)所受軸力的最大值大2.3 kN。

3）對比可知，錨桿分次支護(hù)技術(shù)可以保證巷道圍巖的穩(wěn)定，支護(hù)效果優(yōu)于傳統(tǒng)錨桿支護(hù)技術(shù)，還可提高巷道掘進(jìn)開挖的速度。