不同錨固方式下錨桿間距參數(shù)的優(yōu)化研究

李建宏

（晉能控股煤業(yè)集團北辛窯煤業(yè)有限公司， 山西 忻州 036702）

引言

目前，錨桿支護已經(jīng)成為煤層巷道中常用且比較成熟的一種支護形式。錨桿支護的優(yōu)點表現(xiàn)為以下幾個方面：一是通過錨桿與圍巖相互作用形成整體，可加強圍巖的承載力；二是通過施加作用力，阻止圍巖的進一步破壞；三是通過柔性支護，對圍巖起到緩沖變形的作用；四是通過與支護物的相互作用和影響，達到共同支護的目的[1]。

結合實際應用，出現(xiàn)了不同的錨桿支護的理論，主要有懸吊理論、組合梁理論、拱形壓縮帶理論、減跨理論、楔固理論及最大水平應力理論等。其中懸吊理論，是利用錨桿將易破碎的巖層固定在不易破碎巖層的下方；組合梁理論，通過安設錨桿，縮短相鄰層間距，提高層間的緊密度和摩擦力，進而降低層間變形的難度；拱形壓縮帶理論，通過錨桿加固巖層改變應力狀態(tài)，增加了變形的難度；減跨理論，不僅改變跨距，且增加變形的難度；楔固理論，通過錨桿避免巖石沿弱面產(chǎn)生移動而出現(xiàn)破壞，提高其穩(wěn)定性；最大水平應力理論，水平應力在巷道變形中發(fā)揮著巨大作用，影響頂?shù)装宓淖冃吻闆r[2]。此外，錨桿依據(jù)錨固長度可分為端頭錨固、加長錨固和全長錨固三類，本文主要分析的是這三種錨固形式下不同錨桿間距參數(shù)對巷道圍巖的變形情況，確定合理的錨桿間距大小，進而降低巷道支護成本。

1 錨桿不同錨固方式的分類

依據(jù)錨固長度分類，錨桿可分為端頭錨桿錨固、加長錨桿錨固和全長錨桿錨固。對于端頭錨桿錨固，其錨桿自身或者錨固材料只與錨孔壁的一小部分接觸，因此，端頭錨固長度一般為錨桿長度的1/3，可適用于整體和塊狀構造的圍巖，松動圈大小范圍在400～1 000 mm 之間。對于全長錨固，其錨桿整體或者錨固材料和錨孔壁全部接觸，因此，全長錨固長度一般大于錨桿本身長度的90%，可適用于牢固性比較差的巖體、松動圈超過1 m 的巷道或者斷面大的硐室。而對于加長錨桿錨固，其錨桿或者錨固材料和錨孔壁之間的接觸面積介于端頭錨固和全長錨固兩者之中，因此，加長錨固長度位于錨桿長度的33.3%～90%之間[3]。

2 不同錨固方式下錨桿間距參數(shù)的優(yōu)化研究

不同的錨桿間距參數(shù)會對圍巖錨固體本身的強度產(chǎn)生影響，因此，錨桿間距也是礦用錨桿支護的重要參數(shù)。依據(jù)錨桿自身的橫向和軸向作用力，隨著錨桿間距的減小，支護密度會越大，造成錨桿支護系統(tǒng)軸向和橫向的作用力總和比較大。且在實際工況中，當錨桿間距參數(shù)增大到一定值后，巷道圍巖累計變形量的變化已經(jīng)不明顯，不僅浪費支護材料，而且增大了支護成本。

本文以某礦為研究對象，設定參數(shù)如下：對于端頭錨固方式，頂板和煤幫錨桿長度是2 500 mm、巖幫是2 200 mm，其錨固長度都是700 mm。對于加長錨固方式，頂板和煤幫錨桿長度是2 500 mm，其錨固長度都是1 400 mm，而巖幫長度是2 200 mm，其錨固長度是1 050 mm。對于全長錨固方式，頂板、煤幫和巖幫長度都是2 200 mm，其錨固長度也都是2 100 mm。在上述錨桿支護設計參數(shù)基礎上，本文主要分析三種錨固方式下不同錨桿間距參數(shù)對巷道圍巖變形情況的研究，不同錨桿間距參數(shù)設計如表1 所示。

表1 不同錨桿間距大小與錨桿數(shù)量的關系

通過分析端頭錨桿錨固方式下不同錨桿間距對巷道頂?shù)装寮皟蓚葞筒孔冃吻闆r的影響，得到如下頁圖1所示的曲線圖。

圖1 端頭錨固條件下，不同錨桿間距對巷道影響的變化曲線

從圖1 中可以看出，當錨桿間距參數(shù)值小于800 mm 時，再繼續(xù)減小錨桿間距，對巷道變形量的減小作用已經(jīng)不明顯，其變形量小于10 mm。而當錨桿間距參數(shù)值大于800 mm 時，出現(xiàn)巷道變形量急劇增大，巷道支護效果差。因此，綜上分析可知，對于端頭錨桿錨固方式，錨桿間距參數(shù)值宜取800 mm。

通過分析加長錨桿錨固方式下，不同錨桿間距對巷道頂?shù)装寮皟蓚葞筒孔冃吻闆r的影響，得到如圖2所示的曲線圖。

圖2 加長錨固條件下，不同錨桿間距對巷道影響的變化曲線

從圖2 中可知，在錨桿間距參數(shù)值小于800 mm時，再繼續(xù)減小錨桿間距，巷道變形量僅為12 mm，可見對巷道變形量的減小作用已不明顯。而當錨桿間距大于800 mm 時，巷道變形量大幅增加，支護效果變差。因此，綜上分析可知，對于加長錨桿錨固方式，錨桿間距參數(shù)值宜取800 mm。

通過分析全長錨桿錨固方式下，不同錨桿間距對巷道頂?shù)装寮皟蓚葞筒孔冃吻闆r的影響，得到如圖3所示的曲線圖。

圖3 全長錨固條件下，不同錨桿間距對巷道影響的變化曲線

從圖3 中可看出，當錨桿間距參數(shù)值小于900 mm 時，再繼續(xù)減小錨桿間距，巷道變形量小于14 mm，可見對巷道變形量的減小作用已不明顯。而當錨桿間距參數(shù)值大于900 mm 時，巷道變形量增幅顯著，支護效果較差。因此，綜上分析可知，對于加長錨桿錨固方式，錨桿間距參數(shù)值宜取900 mm。

綜上分析可知，對于端頭錨固方式，錨桿間距值大小宜選取800 mm，每排14 根錨桿。對于加長錨固方式，錨桿間距值大小宜選取800 mm，每排14 根錨桿。對于全長錨固方式，錨桿間距值大小宜選取900 mm，每排12 根錨桿。

3 結論

為獲得最佳的錨桿支護效果，同時降低支護成本。本文主要針對端頭錨固、全長錨固以及加長錨固三種錨桿錨固形式下，750 mm、800 mm、850 mm、900 mm 和1 000 mm 不同錨桿間距，對巷道圍巖變形的影響情況進行分析，結論是：

1）對于端頭和加長錨桿錨固方式，當錨桿間距小于800 mm 時，再繼續(xù)減小錨桿間距，對巷道變形量的減小作用已不明顯。而當錨桿間距大于800 mm 時，錨桿支護效果變差。因此，錨桿間距宜選取800 mm。

2）對于全長錨桿錨固方式，當錨桿間距小于900 mm 時，再繼續(xù)減小錨桿間距，對巷道變形量的減小作用已不明顯。而當錨桿間距大于900 mm 時，錨桿支護效果差。因此，錨桿間距宜選取900 mm。