巷道中錨桿支護技術的對比分析研究

朱旭達

（晉能控股煤業集團四臺礦，山西 大同 037000）

引言

錨桿支護是目前煤礦巷道常用的一種主動支護方式[1]，不僅可以及時加固巷道圍巖，還可提高圍巖的強度，支護成本低、支護效果好，能夠有效實現礦井綜采的高產高效[2]。錨桿支護理論有以下幾種：懸吊理論是通過錨桿將易破壞的巖層固定在不易破碎巖層的下方；減跨理論是通過注入錨桿不僅可以改變跨距[3]，還可使變形的難度增加；組合梁理論，注入錨桿使層間距離縮短，并使各層形成一個整體，當應力作用至巖層時，層間會產生整體彎曲變形，使變形的難度增加[4]；壓縮拱理論，注入錨桿后可用來加固巖層，改變應力狀態，增大變形的難度；楔固理論，通過注入錨桿，用來避免巖石沿薄弱面移動而產生破壞，提高其穩定性[5]；最大水平應力理論，水平應力在巷道中發揮著重要作用，決定著頂底板的變形情況；錨桿桁架支護原理，改變頂板的受力狀況，使部分受拉應力轉為受壓應力，形成頂板裂隙體梁[6]?；阱^桿支護作用機理，本文在分析常規錨桿支護的基礎上，引入強幫強角錨桿支護[7]的設計理念，旨在加強幫錨桿的支護，形成強幫護頂的作用機制，進而保證巷道的穩定性。

1 強幫強角錨桿支護技術

強幫強角錨桿支護方法，可通過加大錨桿或幫錨索的長度、直徑或者增加幫錨桿或幫錨索的密度等方式，提高巷道圍巖幫部的強度和剛度，達到強幫的目的[8]；同時將最上層、最下層的幫錨桿或幫錨索分別向上、向下傾斜一定角度，兩側頂錨桿或頂錨索也向巷道外側傾斜一定的角度，其中角度大小值是根據實際煤層和巖層條件采用巖體強度理論模擬計算確定的，來提高巷道角部的強度和剛度[9]，達到強角的目的；最終達到強幫強角的支護目的，不僅可改善圍巖的受力狀態，還可使巷道變形量和極限平衡區顯著減小[10]，保證巷道的穩定。

2 錨桿支護技術的對比分析

本文以某礦為研究對象，巷道斷面為梯形斷面，寬度為4.5 m，低幫高2.8 m，高幫高3.5 m，斷面面積為14.18 m2，巷道中原采用的錨桿支護方案為錨桿配合錨索、金屬網和W 型鋼帶聯合支護形式。

對于頂板錨桿支護：錨桿選用規格為Φ20 mm×2 200 mm 的螺紋鋼，并矩形設置，間排距為780 mm、1 000 mm，兩端布置成與水平方向成75°角錨桿，其余頂錨桿與頂板垂直布置，且每根錨桿選用兩支Z2355 和CK2355 的錨固劑；錨索選用規格為Φ17.8 mm×5 000 mm，三花布置，第一排距巷幫300 m 布置2 根角錨索，且與水平方向成75°角，第二排在巷中布置1 根錨索，排距為2 000 mm，且與頂板垂直，每根錨索選用兩支K2355 和CK2355 的錨固劑。此外，采用規格為4 200 mm×275 mm×3 mm 的W 鋼帶聯接，并鋪設金屬網。

對于幫部錨桿支護：錨桿選用規格為Φ16 mm×1 800 mm 的圓鋼，且與巷幫垂直布置，上排錨桿距頂板距離為500 mm，間排距為900 mm、1 000 mm，右幫低幫布置3 根，左幫高幫布置4 根，其中每根幫錨桿均采用一支K3537 的錨固劑。巷道支護斷面示意圖如圖1 所示。

圖1 巷道錨桿支護斷面示意圖

為確定巷道采用錨桿支護后的控制效果，本文將監測斷面設置在進深1 m 處的位置，得到巷道1 m 位置處斷面的最終位移變形量大小為：頂板豎向位移最大值為6.09 cm；底板豎向最大值為4.14 cm；左幫高幫水平最大值為9.47 cm；右幫低幫水平最大值為9.56 cm。其中，監測進深1 m 斷面的水平和豎向位移云圖如圖2 所示。

圖2 巷道支護后的位移（m）監測斷面云圖

從圖2 中可看出，頂底板和兩幫出現位移最大區域均在中部的位置，且巷道角部的變形量大小也比較大，因此，需要加強角部支護強度。此外，相比于頂板位移變形量，兩幫的變形量也比較大。所以，綜上分析可知，采用上述錨桿支護后，巷道兩幫和角部的變形量均比較大，支部效果差，需對錨桿支護技術進行優化。

3 錨桿支護技術的優化設計分析

通過對原錨桿支護后的巷道圍巖變形量進行分析，發現錨桿支護方案存在很大的優化空間，本文又引入強幫強角的支護技術對巷道進行優化設計。具體支護方案為：對于頂板錨桿支護方案，除錨桿規格選用Φ22 mm×2 200 mm，其余參數均同于原支護方案；對于幫部支護方案，幫部錨桿也同樣選用規格是Φ22 mm×2 200 mm 的左螺旋紋鋼，且兩幫最上排錨桿向上傾斜15°角，間排距為900 mm、1 000 mm，右幫低幫布置3 根，左幫高幫布置4 根。此外鉆孔選用規格為Φ28 mm，并采用兩支Z2355 和CK2355 的錨固劑。強幫強角錨桿支護斷面示意圖如圖3 所示。

圖3 優化后的巷道錨桿支護斷面示意圖

同樣，對進深1 m 的巷道斷面進行監測，得到優化后巷道頂板最大下沉量為5.32 cm，底板最大上鼓量為3.80 cm，左幫最大水平位移為7.89 cm，右幫最大水平位移為8.07 cm；相比于原錨桿支護方案，頂板最大下沉量變化幅度是-12.65%，底板最大上鼓量變化幅度是-8.14%，左幫最大水平位移變化幅度是-16.65%；右幫最大水平位移變化幅度是-15.64%。對比可知，采用強幫強角的錨桿支護優化方案后，巷道變形量大幅降低，同時，還極大地提高了巷道的穩定性。

為進一步驗證錨桿支護技術優化后巷道的支護效果，本文對監測斷面的豎向和水平位移進行分析，得到圖4 所示的位移云圖。

圖4 優化后的巷道位移（m）監測斷面云圖

對比圖2 和圖4 可以看出，增大錨桿的長度和直徑，相當于增大了兩幫幫部錨桿的錨固深度和錨固長度，加強了幫部錨桿支護強度；同時將幫部最上排錨桿向上傾斜15°角，加強了巷道角部支護效果，因此，對比可看出，強幫可以達到強頂的支護效果，巷道圍巖的變形明顯減小；強角可以改善圍巖的應力狀態，使巷道圍巖的變形減小。所以，綜上分析可知，加強巷道幫部和角部支護強度，可以控制巷道的變形，進而保證了巷道的安全性。

4 結語

本文以某礦為研究對象，對巷道進行初步錨桿支護設計后，發現巷道兩幫和角部的位移變形量均比較大，表明支護效果差。在上述基礎上，引入強幫強角錨桿支護設計方案，并對支護后的巷道位移進行監測，結果表明：通過增大錨桿的長度和直徑，同時將幫部最上排錨桿傾斜一定角度，不僅可實現強幫達到強頂的支護效果，且改善了圍巖的應力狀態，控制了巷道的變形，保證了巷道的安全性。