錨桿支護技術的優化對比研究

呂 超

（晉能控股煤業集團燕子山礦，山西 大同 037037）

引言

錨桿支護技術是目前煤礦常用的巷道支護形式，應用錨桿支護不僅能夠提高巷道圍巖的強度[1]，增強圍巖的穩定性，還具有支護成本低、降低勞動強度、成巷速度快以及大幅改善礦井生產條件等優點[2]。錨桿支護是借助于錨桿內部的桿體，使圍巖本身的力學形態發生改變，進而來提高圍巖自身的強度，在巖體周圍形成穩定的承載圈，并同四圍巖體相互作用，保護巷道圍巖[3]。應用錨桿支護的理論有組合梁理論、最大水平應力理論、懸吊理論、組合拱理論以及圍巖松動圈理論等[4-5]，基于錨桿支護的機理，錨桿支護對破碎巖體和完整巖體均產生擠壓加固圍巖的作用[6]。在煤礦巷道實際支護中，由于受到掘進開挖以及應力重分布的作用，巷道幫部比較薄弱[7]，而采用強幫強角錨桿支護，可提高巷道幫部和角部的穩定性，增強幫部和角部對頂板巖體的的支撐力，改善頂板的受力形態，進而減小頂板的變形[8]，因此，為降低巷道圍巖兩幫的變形，進而提高圍巖的整體穩定性，本文基于強幫強角錨桿支護技術的優勢[9]，對原錨桿支護進行優化，來提高巷道支護的穩定性。

1 錨桿支護技術的優化及對比

1.1 原錨桿支護方案

本文以某礦為研究對象，巷道中原錨桿支護方案是：采用錨桿、錨索配合W 型鋼帶、金屬網的聯合支護形式，其中，對于頂板支護，頂錨桿采用螺紋鋼錨桿，規格是Φ22 mm×2 200 mm，錨桿間排距是780 mm、1 000 mm。錨索支護選用規格是Φ17.8 mm×5 000 mm，且錨索采用三花布置方式，第一排設置與水平線呈75°角的2 根角錨索，距巷幫約300 mm；第二排設置是位于巷道中間，且與頂板垂直的1 根錨索，排距是2 000 mm。W 型鋼帶尺寸是4 200 mm×275 mm×3 mm。此外，頂板鋪設金屬網。對于幫部支護，幫部錨桿采用圓鋼錨桿，規格是Φ16 mm×1 800 mm，錨桿間排距是780 mm、1 000 mm；幫部錨桿設置與巷道幫部垂直，左幫4 根錨桿，右幫3 根錨桿，且上排錨桿與頂板距離是500 mm。其中，巷道原錨桿支護的示意圖如圖1 所示。

1.2 強幫強角優化支護方案

本文結合施工成本、巷道穩定性等因素，并依據強幫強角錨桿支護的理論[10]，對巷道原錨桿支護進行優化，其中，頂部錨桿支護同于原方案，對于幫錨桿支護，兩幫選用鉆頭的規格是Φ28 mm，錨桿采用左螺旋紋鋼，規格是Φ22 mm×2 200 mm，間排距是900 mm、1 000 mm，且位于兩幫最上排的錨桿都向上傾斜15°角。其中，優化后錨桿支護示意圖如圖2 所示。

圖2 巷道優化后錨桿支護示意圖（單位：mm）

1.3 對比分析

為確定應用強幫強角錨桿支護形式的效果，本文對巷道左幫及右幫位移變形進行監測，布置三處監測面，其中1 號斷面為原錨桿支護形式斷面，2 號和3號均為優化后錨桿支護斷面，如圖3 所示，1 號、2 號和3 號斷面距巷道交叉點的距離分別是700.5 m、828.5 m 和854.5 m。

圖3 錨桿支護監測斷面布置圖

首先對巷道左幫變形量進行監測，得到圖4 所示的位移變化曲線。從圖4 中可看出，左幫位移最初高速變形始于巷道的開挖，原支護方案中，左幫高速變形的曲線斜率較大，同后兩個巷道變形存在明顯差別。對于1 號斷面，第18 天結束高速變形時段，此段累計變形量是101 mm，占左幫變形量的94.4%；對于2 號斷面，第26 天結束高速變形時段，累計變形量是93 mm，占左幫變形量的97.9%；對于3 號斷面，第29天結束高速變形時段，累計變形量是97 mm，占左幫變形量的98.0%。

圖4 左幫位移變化曲線對比圖

對于左幫位移變形量趨于穩定時段，也就是過渡時段，此過程變形量增速較慢，最后達到基本穩定。對于1 號斷面，過渡天數是19～29 d，此段累計變形量是6 mm，占左幫變形量的5.6%，變形量很小，最終穩定值是107 mm。對于2 號斷面，過渡天數是27～32 d，累計變形量是2 mm，占左幫變形量的2.1%，變形量也很小，穩定值是95 mm。對于3 號斷面，過渡天數是30～35 d，累計變形量是2 mm，占左幫變形量的2.0%，變形量更小，穩定值是99 mm。

對于左幫位移變形最終穩定階段，若無特殊因素影響作用，巷道左幫不會再產生較大的變形，且對巷道整體也不會有影響。此段，1 號、2 號和3 號斷面的左幫位移變形量分別是107 mm、95 mm、99 mm，都保持在過渡時段結束后的大小值，繼續對其進行約一周的監測，左幫位移量均沒有發生明顯的變形。通過上述分析可知，原方案1 號監測斷面中的左幫變形幅度明顯比優化后2 號和3 號斷面的大。

再對巷道右幫變形量進行監測，得到圖5 所示的位移變化曲線。從圖5 中可看出，原支護方案中，右幫最初高速變形階段中曲線斜率最大，明顯不同于后兩個階段。對于1 號斷面，高速變形時段在0～18 d，累計變形量大小是144.5 mm，占變形總量的96.7%。對于2 號斷面，高速變形時段在0～26 d，累計變形量大小是125 mm，占變形總量的98.0%。對于3 號斷面，高速變形時段在0～27 d，累計變形量大小是130 mm，占變形總量的97.0%。對于以上三處監測斷面，最初高速變形階段均占了整個變形量的大部分。

圖5 右幫位移變化曲線對比圖

對于右幫位移變形過渡時段，變形速度變緩最后趨向穩定。對于1 號斷面，30 d 后結束過渡時段，累計變形量大小是5 mm，占右幫總變形量的3.34%，變形量小，穩定值是149.5 mm；對于2 號斷面，27 d 后結束過渡時段，累計變形量大小是2.5 mm，占右幫總變形量的1.96%，穩定值是127.5 mm。對于3 號斷面，33 d 后結束過渡時段，累計變形量是4 mm，占右幫總變形量的2.99%，變形量也較小，穩定值是134 mm。

右幫變形穩定時段同于左幫，即此階段巷道右幫不會再產生較大的變形，且對巷道整體也不會有影響。穩定時段下的1 號、2 號和3 號斷面的右幫變形量值大小分別是149.5 mm、127.5 mm、134 mm，且經過一周的監測發現，右幫變形量大小仍保持在過渡時段的最終值。通過上述分析可知，原方案1 號監測斷面中的右幫變形幅度明顯比優化后2 號和3 號斷面的大。

2 結論

為降低巷道圍巖兩幫的變形，進而提高圍巖的整體穩定性。本文提出應用強幫強角錨桿支護技術，并與原錨桿支護技術進行對比研究，結論是：

1）巷道變形過程歷經三個時段，即最初高速變形時段、過渡時段及最終穩定時段，其中，最初變形時段的巷道圍巖位移變形量最大，是圍巖壓力加速釋放階段；過渡時段圍巖應力趨于穩定，圍巖變形逐漸放緩，最終變形量不再增加，達到最終的穩定時段。

2）優化后的錨桿支護技術明顯降低了最初高速變形時段巷道左右幫的變形，表明應用強幫強角支護能夠改善圍巖的變形，增強巷道支護的穩定性。