錨桿支護(hù)參數(shù)對巷道變形的影響分析

黃成龍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬脊梁礦質(zhì)檢組， 山西 大同 037000）

引言

錨桿支護(hù)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(nèi)的基巖相互作用，進(jìn)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(qiáng)度。所以，錨桿是利用對表層圍巖的支護(hù)及內(nèi)部圍巖的加固來發(fā)揮作用，其中表層支護(hù)主要表現(xiàn)在通過安設(shè)錨桿來改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，使圍巖的徑向抗壓強(qiáng)度提升；內(nèi)部加固主要表現(xiàn)在錨桿自身的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)超過圍巖，同時通過相互間作用產(chǎn)生的摩擦阻力，使錨固體的黏聚力增強(qiáng)，進(jìn)而提升錨固體的抗剪強(qiáng)度。所以，從錨固體的角度來分析，錨桿的作用主要體現(xiàn)在使錨固體的剛度提高[1]。錨桿支護(hù)的機(jī)理有組合拱理論、懸吊理論、最大應(yīng)力理論、圍巖松動圈理論及加固拱理論等，利用錨桿支護(hù)的這些機(jī)理可降低對巷道圍巖的破壞，具體有：一是改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，開挖前，圍巖受三向力作用處于平衡穩(wěn)定狀態(tài)，而被開挖后，從原來的三向轉(zhuǎn)變?yōu)閮上虻牟黄胶鉅顟B(tài)，降低了圍巖的穩(wěn)定性，使圍巖易破壞失穩(wěn)，采用錨桿支護(hù)可改善其應(yīng)力狀態(tài)；二是加強(qiáng)圍巖的強(qiáng)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(qiáng)度，進(jìn)而提升圍巖的穩(wěn)定性[2]。而錨桿支護(hù)參數(shù)的選取對巷道圍巖加固的效果影響也較大，如錨桿長度設(shè)計(jì)太短，會不利于巷道的穩(wěn)定，若錨桿直徑設(shè)計(jì)太大，支護(hù)效果既不明顯又不經(jīng)濟(jì)[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(guī)律，進(jìn)而確定最佳的錨桿支護(hù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)煤礦開采的安全高效。

1 錨桿支護(hù)參數(shù)對巷道變形的影響

在礦井巷道支護(hù)設(shè)計(jì)中，應(yīng)選取合理的錨桿參數(shù)，錨桿參數(shù)一般有錨桿長度、橫截面積、直徑及錨桿間排距等，當(dāng)錨桿參數(shù)選取太大時，不僅使巷道支護(hù)成本增加，且會影響經(jīng)濟(jì)效益；而當(dāng)錨桿參數(shù)選取太小時，其在降低煤礦生產(chǎn)安全性的同時，使后期維修困難，再加上煤礦地質(zhì)條件的復(fù)雜性，錨桿參數(shù)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(chǎn)生較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，并利用懸吊作用，錨桿將破碎的煤巖懸吊在相對穩(wěn)定的基巖上，進(jìn)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(jì)算確定[4]，計(jì)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(qiáng)度，MPa，一般取值大于或等于570 MPa。通過計(jì)算可知，錨桿直徑應(yīng)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?shù)装遄冃蔚挠绊懸?guī)律，保證煤炭開采的安全經(jīng)濟(jì)。

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(guī)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(dāng)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(qū)，在采動作用的影響下，巷道圍巖發(fā)生變形，錨桿的錨固效果差，因此，此時巷道圍巖的穩(wěn)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(dāng)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(xiàn)相同的變化趨勢。對比圖1 和圖2 可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)錨桿長度增加至2 000 mm時，錨桿的錨固作用開始發(fā)揮作用，因此，巷道圍巖的變形逐漸減小；當(dāng)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(dāng)錨桿長度再繼續(xù)增大時，能夠更好地控制圍巖變形。綜上可知，錨桿支護(hù)長度應(yīng)大于2 000 mm，因此，宜選取長度是2 500 mm 的錨桿，以維護(hù)巷道圍巖的穩(wěn)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(guī)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(dāng)錨桿直徑為16 mm 時，錨桿支護(hù)作用效果不明顯，不能很好地控制圍巖的變形；而當(dāng)直徑位于18～22 mm 范圍內(nèi)，錨桿支護(hù)能夠發(fā)揮作用，因此，此時巷道頂板兩側(cè)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(qū)間出現(xiàn)底板位移增大的現(xiàn)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(hù)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(xiàn)不減反增的現(xiàn)象。當(dāng)錨桿直徑是24 mm 時，在錨桿的控制作用下，頂板較穩(wěn)定，但是錨桿直徑的選取并不是越大越好，一般要求達(dá)到所需的預(yù)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(jìn)行巷道支護(hù)。

2 結(jié)論

為確定最佳的支護(hù)參數(shù)，進(jìn)而提高錨桿支護(hù)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(guī)律，結(jié)論如下：

1）當(dāng)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(dāng)錨桿長度增加至2 000 mm 時，錨桿的錨固作用開始發(fā)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?shù)装鍑鷰r變形逐漸減小，且在局部區(qū)間出現(xiàn)底板位移增大的現(xiàn)象，但整體變化趨勢是減小的，因此，錨桿直徑宜選取22 mm。