不同幫錨桿參數對煤巷支護效果的影響研究

田建杰

（山西焦煤集團有限責任公司東曲煤礦， 山西 太原 030200）

引言

錨桿支護為煤礦開采的主要支護構件，通過合理設置錨桿，可使煤巷頂板和兩幫相互作用產生的錨固體形成統一的承載結構，這個承載結構不僅可以承受自身重量，也可以承受因變形產生的壓力，從而限制外部圍巖的變形，達到有效支護外部圍巖的目的，進而保證煤巷的穩定[1]。在煤巷支護中，錨桿主要存在剪切和拉伸兩種作用形式，所以錨桿的支護機理為提高錨固體的剛度和支護強度以及峰值后強度[2]。錨桿支護的理論：一是懸吊作用，將錨桿體直接進行擠壓并懸吊在老頂上，可避免煤層頂板出現離層脫落的現象；二是組合梁作用，利用錨桿的預應力將原先相互獨立的巖層壓緊，不僅增大巖層間的摩擦力，且提升巖體的整體性；三是加固拱作用，在錨桿兩側可形成壓縮區，通過合理設置間距錨桿，使每個單體錨桿作用產生的壓縮區層層疊加，進而形成一定厚度的均質壓縮帶，可承載來自外圍的壓力[3]。通常，礦井煤巷多采用常規錨桿支護，即煤巷頂板設計高強度的支護，并作為控制的重點，而煤巷幫部設計的強度相比較低[4]。本文在上述支護的基礎上，提出強幫強角錨桿支護的方案，并進一步分析不同幫錨桿橫截面積、幫錨桿長度及幫錨桿角度對煤巷支護效果的影響，制定合理的參數范圍，加強煤巷幫部和角部支護，從而大幅提高煤巷圍巖的安全性。

1 不同參數對煤巷支護效果的影響

本文采用強幫強角錨桿支護的設計方案是：煤巷頂板和幫部均采用大直徑螺紋鋼錨桿、錨索、搭配W 型鋼帶及金屬網共同聯合支護，其中頂錨桿直徑是Φ20 mm×2 200 mm，每排設置5 根錨桿，間排距是950 mm×1 350 mm；而幫部錨桿設計參數為：左旋螺紋鋼直徑是Φ20 mm×2 400 mm，兩幫各排均設置4 根錨桿，間排距同頂板，且最上面錨桿距離頂板是260 mm。另外，對于煤巷頂板支護，將頂板兩側角的錨桿傾斜向外30°，幫部也同樣將上側角錨桿傾斜向上一定角度，具體支護示意圖如圖1 所示。

圖1 強幫強角錨桿支護設計的示意圖（單位：mm）

在上述基礎上，進一步分析不同幫錨桿橫截面積、幫錨桿長度及幫錨桿角度對煤巷支護效果的影響，達到有效控制煤巷幫部與頂底板變形的目的。

1.1 不同幫錨桿橫截面積對煤巷支護效果的影響

選取不同幫錨桿直徑分別是16mm、18mm、20mm、22 mm 和24 mm，計算得到相對應的幫錨桿橫截面積分別是2.0 cm2、2.5 cm2、3.1 cm2、3.8 cm2和4.5 cm2，分析不同幫錨桿橫截面積對煤巷支護效果的影響，得到下頁圖2 所示的圍巖位移變化圖。

從圖2 中可看出，幫錨桿橫截面積從2.0 cm2增大至4.5 cm2，即增加了124.9%后，煤巷頂板下沉量、左右幫位移量以及底板位移量減小比例分別是0.6%、3.3%、2.6%和0.4%，因此，對比可得出，隨著幫錨桿橫截面積的增大，對煤巷兩幫的變形影響顯著，很大程度上改善了頂底板的變形，也就是說，幫錨桿橫截面積對煤巷兩幫位移量有比較明顯的影響，進而能有效控制頂底板的變形。

圖2 不同幫錨桿橫截面積對煤巷圍巖位移變化的影響曲線圖

1.2 不同幫錨桿長度對煤巷支護效果的影響

選取不同幫錨桿長度分別是1.6 m、1.8 m、2.0 m、2.2 m、2.4 m，分析不同錨桿長度對煤巷支護效果的影響，得到圖3 所示的圍巖位移變化圖。

圖3 不同幫錨桿長度對圍巖位移變化的影響曲線圖

從圖3 可以看出，幫錨桿長度從1.6 m 增大至2.4 m，即增加了50%后，煤巷頂板下沉量、左右幫位移量以及底板位移量減小比例分別是6.4%、11.0%、12.1%及5.8%，因此，對比可得出，隨著幫錨桿長度的增加，能夠有效地改善煤巷圍巖的變形，尤其是兩幫的變形量有大幅的降低，對頂板的變形也有所改善。因此，幫錨桿對煤巷兩幫位移量影響明顯，同時能夠顯著地控制頂底板變形。

1.3 不同幫錨桿角度對煤巷支護效果的影響

將幫部最上排錨桿傾斜向上一定的角度，實現煤巷強幫強角支護的目的，選取不同傾斜角度從0°增加至45°，每5°為一個變化區間，共10 種情形，得到圖4 所示的圍巖位移變化圖。

從圖4 可以明顯看出，幫部最上排錨桿傾斜向上的角度從0°增加至45°后，頂底板以及左右幫位移變化呈現先減小后增大的變化趨勢，這表明此區間存在相對最優的一個角度值。當最上排幫錨桿角度從0°增大至20°后，頂板下沉量、右幫及底板位移量隨著幫錨桿傾角的增大而逐漸減小，減小比例依次是1.6%、3.0%及0.6%；當最上排幫錨桿角度從20°增大至45°后，頂板下沉量、右幫及底板位移量隨著幫錨桿傾角的增大而逐漸增大。另外，對于左幫位移量，當最上排幫錨桿角度從0°增大至25°后，其位移量隨著幫錨桿傾角的增大而逐漸減小；當最上排幫錨桿角度從25°增大至45°后，其位移量隨著幫錨桿傾角的增大而逐漸增大。

圖4 不同幫錨桿傾斜角度對圍巖位移變化的影響曲線圖

因此，通過上述對比分析可知，將最上排幫錨桿傾斜向上一定角度后，即增加了豎向分力，可以有效增強煤巷角部的支護，對煤巷圍巖變形也有明顯的影響，且影響幅度從小到大依序是底板、頂板、右幫和左幫，并且存在著相對較優的一個角度值。

2 結論

為改善礦井巷道的應力狀態，大幅提高煤巷圍巖的穩定性，本文在強幫強角錨桿支護的研究基礎上，深入分析不同幫錨桿橫截面積、幫錨桿長度及幫錨桿角度對煤巷支護效果的影響，結論是：

1）幫錨桿橫截面積和長度對加強巷道幫部支護強度的作用依序增大，且增大了幫錨桿的直徑和長度，不僅可明顯減小幫部的收斂量，同時，對頂底板變形量也有較明顯的改善，有效改變煤巷圍巖的受力狀態。

2）幫錨桿傾斜向上的角度從從0°增加至45°后，頂底板以及左右幫位移變化呈現先減小后增大的變化趨勢，其中當幫錨桿角度是20°時，能夠有效控制煤巷圍巖的變形。