不同錨桿支護效果對煤巷圍巖位移的對比分析

李百林

（西山煤電建筑工程集團有限公司礦建分公司， 山西 太原 030000）

引言

錨桿支護不僅能夠加固巷道的圍巖，還能夠提高圍巖的強度和承載力，同時具有支護效果好、支護造價低等優點，已被廣泛應用[1]。巷道錨桿支護的理論有：懸吊原理，將煤礦巷道頂部破碎的圍巖通過懸吊作用于堅固的圍巖上，避免柔弱巖層出現下沉現象；組合梁原理，利用錨桿的組合梁作用，不僅能夠承載自身的重量，且對巷道頂部圍巖也有一定的支撐作用[2]；壓縮拱原理，不同錨桿間會產生重疊錐形壓力區域，使相關巷道圍巖形成壓縮拱作用形式，進而提升圍巖的強度和支撐能力；松動圈原理，可用來抵擋巖石產生的碎脹力，防止相關圍巖的松動圈出現持續擴大的現象；圍巖強度機理，可提升圍巖的內聚力等物理強度，保證巷道圍巖的穩固[3]。因此，本文在常規支護、幫部支護及強幫強角支護三種不同錨桿支護方案下，對比分析煤巷圍巖位移的變化情況，進而減小煤巷頂板和幫部的變形，增加圍巖的穩定性和安全性。

1 不同錨桿支護方案下煤巷圍巖位移的對比分析

煤礦巷道錨桿支護效果最直接的表現是煤巷圍巖位移，而圍巖的相對位移則更能直觀地反映出圍巖的破壞變形程度[4]，本文設計三種錨桿支護方案進行對比研究，具體如下：

方案一：常規錨桿支護。煤巷頂錨桿采用左旋螺紋鋼錨桿，規格是Φ20 mm×2 200 mm，每排設置5根，間排距950 mm×1 350 mm；兩幫采用規格是Φ16 mm×1 800 mm 的圓鋼錨桿，兩幫每排各設置3根，間排距1 1001 mm×1 350 mm。

方案二：強幫錨桿支護。煤巷頂錨桿支護參數同方案一，而幫部支護參數為：兩幫采用左旋螺紋鋼錨桿的規格是Φ20 mm×2 400 mm，兩幫每排各設置4根，間排距950 mm×1 350 mm。

方案三：強幫強角錨桿支護。煤巷頂板和兩幫錨桿的設計參數均同方案二，并在方案二的基礎上，將頂板兩側角錨桿傾斜向外30°，同樣將兩幫上側角錨桿傾斜向上30°。其中，方案二和方案三的錨桿支護示意圖如圖1 所示。

圖1 煤巷不同錨桿支護的示意圖（單位：mm）

本文在上述三種不同錨桿支護方案下，對比分析煤巷圍巖位移的變化情況，并確定最優的錨桿支護方案。

通過在煤巷頂板巖層位置設置5 個位移監測點，監測頂板的位移及相對位移量，具體測點為①②③④和⑤，得到如下頁圖2 所示的頂板巖層位移圖。

圖2 不同錨桿支護，煤巷頂板巖層位移的變化曲線

從下頁圖2 對比可看出，方案二中的頂板巖層位移都大幅降低，降低比例依次是43.4%、43.2%、42.9%、42.9%和43.1%。對于方案三，頂板位移繼續降低，相比方案一，五個監測點的降低比例分別是52.8%、52.7%、52.5%、52.5%和52.7%；相比方案二，五個監測點的降低比例分別是16.6%、16、7%、16.8%、16.8%和16.9%。因此，對比可知，通過施加幫部和角部錨桿支護后，大幅度降低了煤巷頂板巖層的下沉量。

另外，施加幫部和角部支護后，頂板巖層的相對位移量也大幅降低，對比計算測點①到測點⑤的相對位移量，方案二中的相對位移量降低47.6%。對于方案三，相對位移量繼續降低，相比方案一降低53.8%；相比方案二降低11.8%。通過分析還可知，相對位移量的降低比例幅度明顯大于位移量的降低比例，因此，施加幫部和角部支護后，不僅使頂板巖層的整體下沉量得到控制，且使頂板巖層的相對變形量也降低。

通過在煤巷左幫位置設置5 個位移監測點，監測左幫的位移及相對位移量，具體測點為⑥⑦⑧⑨和⑩，得到圖3 所示的左幫圍巖位移圖。

從圖3 可看出，對比三種錨桿支護，測點⑥⑦變化顯著，而測點⑧⑨⑩變化不大。對于方案二，測點⑥的位移降低34.9%，測點⑦的位移降低12.8%。對于方案三，測點⑥的位移，相比方案一降低47.7%，相比方案二降低19.7%；測點⑦的位移，相比方案一降低33.4%，相比方案二降低23.7%。因此，對比可得出，施加幫部和角部支護能夠有效降低左幫的位移量。

圖3 不同錨桿支護，煤巷左幫位移的變化曲線

再深入對比分析測點⑥至⑩的相對位移量，對于方案二，左幫相對位移量降低35.3%。對于方案三，相對位移量仍繼續降低，相比方案一降低48.1%；相比方案二降低19.7%，因此，對比可知，施加幫部和角部支護后，顯著降低了左幫相對位移量，且相對位移量降低幅度更大，表明強幫強角支護能夠很好地控制左幫圍巖的變形。

通過在煤巷右幫位置設置5 個位移監測點，監測右幫的位移及相對位移量，具體測點為1○12○13○14○和15○，得到圖4 所示的右幫圍巖位移圖。

圖4 不同錨桿支護，煤巷右幫位移的變化曲線

從圖4 中可以看出，右幫位移的變化趨勢基本等同于左幫，即11○12○測點的變化顯著，其余三個測點變化不明顯。對于方案二，測點1○的位移降低37.4%，測點12○的位移降低23.7%。對于方案三，相比方案一，測點1○12○的位移分別降低47.8%和33.5%；相比方案二，分別降低16.5%和12.9%。

再深入分析右幫的相對位移量，從測點11○到測點15○進行計算分析，施加幫部支護后，右幫相對位移量降低37.8%。對于方案三，相對位移量仍繼續降低，相比方案一降低48.1%，相比方案二降低16.5%，因此，對比可知，強幫強角支護能夠顯著降低右幫的位移和相對位移量，且能夠很好地增加煤巷幫部的穩定性。

2 結論

1）強幫強角錨桿支護，能夠降低煤巷頂板的整體下沉量，有效改善頂板對幫部的擠壓，從而降低幫部圍巖的變形量，提高煤巷頂板的支撐能力。

2）強幫強角錨桿支護，還能降低頂板巖層和兩側幫部的相對位移量，且相對位移量降低比例幅度明顯要大于位移量的降低幅度，不僅減小了頂板巖層的損傷，還有效控制了兩側幫部的變形。