不同錨桿支護參數對巷道支護作用的機理分析

趙亞鵬

（山西潞安郭莊煤礦有限責任公司，山西 長治0 46100）

引言

煤炭是我國工業發展的命脈，對我國的經濟發展具有重要的作用。我國的煤炭資源多依靠地下開采的方式，在進行開采的過程中對井下各種巷道的掘進及支護是重要的工作內容。井下巷道的支護對巷道的穩定性及煤礦的安全開采具有重要的作用[1]。隨著我國煤層的不斷開采，逐漸向著深部高應力的煤層過渡，開采的難度不斷增加，巷道的變形增加[2]，因此對巷道支護的要求越來越高。煤礦開采過程中，增加支護的密度是保證巷道穩定性的一種方式，單純地增加支護密度會造成采掘接替的緊張[3]，影響煤礦的開采效率。針對巷道錨桿支護的不同參數進行分析，研究不同參數對巷道支護的機理作用[4]，從而采用合理的支護方式保證巷道的穩定性，并提高煤礦的開采效率。

1 錨桿對巷道支護作用的機理分析

煤層開采時，巷道在開挖之前的圍巖處于三向受力狀態，體積受到一定的壓縮而處于彈性狀態，具有較高的承受破壞的能力[5]。巷道掘進后，巷道的圍巖附近的應力降低，從而使得巷道表面的應力逐漸增加，由于圍巖的壓力作用對巖層的強度造成影響，使得圍巖產生變形。

巷道掘進的過程中，由于巷道的埋深、圍巖性質及采動作用的不同，使得圍巖的變形量不同，且不同地質條件下圍巖的變形量也不同[6]。不同地質條件下巷道巖體變形的深表比的變化趨勢與巷道掘進過程中受到的應力重力的分布一致，主要受到自身巖體的強度及結構影響，同時受垂直應力、巷道斷面的作用。

巷道進行掘進開挖后，需采用錨桿進行巷道的支護從而控制巷道圍巖的變形過大，錨桿是安裝在圍巖體內部的支護桿，其受到的作用力相對復雜[7]。錨桿進行支護的過程中，對巷道圍巖的作用力可以分為徑向錨固力及切向錨固力，如圖1所示。

圖1 錨桿的支護作用力示意圖

切向錨固力指錨桿在支護過程中對弱面形成的限制巷道弱面滑動及擴大的約束力，巷道的弱面與巷道一般呈一定角度分布，錨桿對弱面的作用力和弱面相切。弱面自身的強度較低，不利于巷道的穩定，切向錨固力對保持巷道的穩定性作用較大。切向錨固力依據作用機理的不同可以分為托錨力及黏錨力[8]，托錨力是指在進行支護的過程中通過鉆機施加的預應力作用在巷道的表面限制巷道變形的徑向約束力，托錨力使得圍巖的應力狀態發生改變，將圍巖的單向應力轉變為雙向或者三向應力[9]，從而提高圍巖自身的強度，提高巷道的穩定性。錨桿進行支護的過程中通過錨固劑與圍巖相互黏接，形成一個整體，在巷道發生變形引起不同深度的位移不同時，引起圍巖的錯動，此時圍巖受到錨桿的作用力成為黏錨力[10]。黏錨力對巷道施加沿著軸向的作用力，減小圍巖的錯動。

2 不同錨桿支護參數的作用機理分析

進行巷道掘進的過程中，巖層的圍巖產生一定的破裂，錨桿對圍巖的加固作用通過托盤及桿體的托錨力及黏錨力結合錨桿的切向力限制巷道圍巖的變形。在進行巷道掘進支護的過程中，錨桿的參數設計對支護的作用具有直接的影響[11]。針對錨桿的預緊力及布置角度，對不同參數下的錨桿支護的機理進行分析。

2.1 錨桿預緊力

錨桿進行支護過程中的預緊力對保證錨桿的高效支護具有決定性的作用，可以提高單個錨桿的支護能力。對不同錨桿預緊力作用下的錨桿支護的應力分布進行模擬分析，得到預緊力為20 kN及100 kN時的應力分布如圖2所示。從圖2中可以看出，在預緊力為20 kN時，錨桿尾部的應力較為集中，隨著錨桿支護深度的增加，壓應力逐漸降低，且在到達忙那一半長度時，壓應力作用為零；錨桿較小的預緊力使得錨桿產生的預應力場強度較低，錨桿兩端的應力作用不能形成整個的應力場作用，錨桿中間段的應力重疊較少，錨桿的支護作用較弱。在預緊力為100 kN時可以看到，在錨桿的中間長度時形成了強度較大的壓應力作用區，相對于20 kN時的有效壓應力作用增加較大，同時錨桿的另一端出現了拉應力區域，與微端的壓應力作用相互配合形成壓應力場，可以有效地控制巷道圍巖的變形。錨桿之間形成整體作用的壓應力區域，多個錨桿支護時對巷道的支護起到了更好的作用。

圖2 不同錨桿預緊力作用下的應力場分布

2.2 錨桿安裝角度

錨桿進行支護過程中桿體的軸向與頂板的垂線之間常依據地形的不同存在一定的角度，即為錨桿支護的安裝角度。錨桿安裝角度的不同對巷道支護的應力場具有一定的影響，對垂直安裝、傾斜角10°、傾斜角30°的應力場進行模擬分析，得到不同安裝角度的應力場分布如圖3所示。從圖3中可以看出，錨桿進行垂直安裝時，四角的錨桿與巷道中間位置的頂錨桿形成的壓應力區域相互重疊相互作用，在頂板的深度上形成較大的應力場，且分布較為均勻，占據了大部分的錨固范圍，有利于錨桿預緊力的擴散作用[12]，具有較好的支護作用。在錨桿的安裝角度增加時，四角的錨桿應力場與中間位置的壓應力區域重合逐漸減小，應力場的強度不斷降低，對巷道圍巖的錨固作用也隨時降低。在安裝角度為30°時，相互之間的應力場基本么有重疊作用，形成相互獨立的錨桿支護，對巷道支護的作用有限，不能發揮錨桿之間的整體作用，不利于控制巷道的圍巖變形。

圖3 不同錨桿安裝角度的應力場分布

在進行錨桿支護的過程中，預緊力的作用也會相互疊加，采用錨桿控制圍巖的變形作用時安裝角度越小越好，有利于預緊力的擴散作用，最好采用垂直安裝的形式。當巷道的地質條件不允許進行垂直安裝時，錨桿的安裝角度不能大于10°，從而可以發揮錨桿之間的作用，避免單個錨桿發揮支護作用。

3 結語

錨桿支護是巷道掘進過程中的重要工作內容，對煤礦及巷道的安全具有重要的作用。在巷道掘進的過程中，對巷道進行錨桿支護參數的不同對支護的效果具有重要的影響。針對巷道支護的機理作用，從影響錨桿支護力的因素中選擇錨桿的預緊力及安裝角度進行分析。結果表明，錨桿的預緊力要保證一定的強度才能發揮錨桿的支護作用，在地形允許的條件下盡量采用較小的錨桿安裝角度，有利于發揮錨桿間的支護作用。進行巷道支護設計的過程中，可據此進行合理支護參數的選擇，從而保證支護的效果以及煤礦的安全生產。