锚杆支护原理及其在煤矿中的应用分析

开滦股份有限公司 吕家坨矿业分公司 巨云峰

锚杆支护原理及其在煤矿中的应用分析

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目前，锚杆支护工艺作为一种新兴的支护技术，它在煤巷掘进施工中得到了广泛应用，为煤矿采掘工作带来了显著的经济和安全效益。但是，由于锚杆支护施工受周边巷道压力、煤岩体产状、煤岩体性质、开掘巷道周边围岩赋存状态、矿体采动等多方面因素影响，迄今仍未形成一套完整、系统的锚杆支护理论。

一、锚杆支护原理

现有的锚杆支护原理都是以实践及实验基础上提出的假说为依据，对锚杆支护技术的作用进行理论解释。目前，已被基层煤矿工作者接受并熟知的锚杆支护原理主要有锚杆悬吊作用原理、组合梁作用原理和组合拱作用原理。这3种原理均以某一理想的均质状态下的煤岩层赋存条件为基础，从不同的角度对锚杆的支护作用进行解释。

1.悬吊作用原理。巷道开挖后会使周边围岩应力重新分布，巷道上顶围岩会出现新旧不连续面，围岩的自重作用也会使邻近巷道的上顶岩体成为游离的岩块，锚杆的支护作用就是将这些游离的岩块悬吊在巷道上顶稳定的岩层面上。简单来说，这一理论认为，顶锚杆所悬吊的重量应等于巷道上顶冒落带内所有岩块的重量。

2.组合梁作用原理。巷道开挖后，暴露的顶板会出现弯曲、下沉、离层等现象。在这一过程中，顶板岩石各层面间将产生垂直和水平位移。当位移量达到一定程度时，岩层就会断裂成岩块；当岩块之间的摩擦阻力承受不了岩块自重时，岩块就会掉落（被称为顶板冒落）。采用锚杆支护后，由于锚杆预紧力的作用，锚杆两端头之间的岩石各层面会连结成为一个组合的整体——人工岩梁。这种人工岩梁的弯曲变形程度是相当小的，不易达到弯曲变形破坏的极限，从而起到对上顶支护的作用。

3.组合拱原理。这一理论是在巷道为拱形断面的基础上确立起来的。该理论认为，巷道开挖过程中，其整体周边煤岩内均使用锚杆支护，由于锚杆预紧力的作用，在每一根锚杆两端头之间将形成立体三维圆锥体形压应力分布区域，各相邻锚杆之间的圆锥体形压应力分布区域相互叠加，形成一个组合拱，这个组合拱不仅可以承受锚杆涉及范围内岩石自身的重量，还可以承受上部破碎岩石所施加的径向压力，进而对巷道起到支护作用。

二、锚杆支护原理在巷道掘进施工中的应用实例分析

本文，笔者以某煤层沿板施工巷道为例，对锚杆的支护作用进行具体分析。该煤层工作面地面相应位置西北约0.33 km处为小寨村庄，地面标高为＋29.5 m，掌倾斜上方工作面于2007年回采完毕，东部相邻工作面与2009年回采完毕，下伏某煤层倾斜上方工作面正在回采。

1.围岩情况。煤层老顶为灰色粉砂岩，厚5.5 m，成分以泥质为主，泥硅质胶结，层面含炭膜，可见燧石。直接顶为泥岩，厚0.7 m，呈深灰色，为致密、均一状态，可见植物茎叶化石，近煤含炭质。围岩单向抗压强度为77.09 MPa，单向抗拉强度为3.24 MPa；煤层沉积较稳定，以光亮型、半光亮型为主，煤层平均厚3.1 m，。

2.支护技术要求。巷道施工方法为沿板按线机掘打锚杆施工，设计巷道断面规格为4 500 mm×2 600 mm，顶锚杆为直径20 mm、长2 200 mm的左旋螺纹金属锚杆，设计间距750 mm、排距800 mm；帮锚杆为直径20 mm、长2 200 mm的左旋螺纹金属锚杆。

3.巷道开挖后上顶问题表现。巷道开挖后，迎头顶板出现片状剥落，剥落岩块形体为中厚边薄的不规则片状体。如不及时控制，将不间断地剥落，直到露出稳定的老顶为止。

4.采用锚杆支护后巷道上顶及支护情况的变化。锚杆支护后，巷道上顶变形量减小，两帮稳定，煤壁向巷道内推移量不明显；顶帮锚杆托板因受锚杆拉力致使变形量减小。

5.锚索加固分析。在锚杆支护掘进施工中，锚索加固是锚杆支护不可分割的一部分。该巷道施工采用了打锚索的方法加固，锚索选用Φ17.8 mm、5×7股高强度、低松弛预应力钢绞线，长6.5 m。锚索托盘选用一字（3孔或2孔）锚索梁，当局部顶板不完整时，托盘选用25U型钢十字托盘（大小为400 mm×400 mm）。锚索布置间距1.1 m、排距3.2 m，3根锚索分别布置在巷道中线及其两侧。

6.对锚杆支护原理的分析判断。根据对该巷道掘进工作面迎头开挖后周边围岩状况的变化情况、后路成形巷道的周边围岩变化和锚杆支护的变形情况的观察，可以发现，沿板掘进巷道中，在锚杆锚固段处于顶板稳定层位且锚杆作用段顶板相对稳定的情况下，悬吊作用和组合梁作用相对明显，组合拱理论的作用相对次之。

7.控制围岩变形、离层。在锚杆打好后，由于锚杆的螺母只是拧紧为止，围岩没有受外加预紧力的影响，锚杆还处于等劲的状态，因此，锚杆支护还没有真正地发挥作用。只有当岩层发生离层、变形、滑移时锚杆才能进入正常工作负载状态。这就不能有效控制 顶板的离层、滑动和变形，从而导致顶板处于不稳定状态。围岩只有通过锚杆、锚索的外加预紧力形成一个有力的刚性体，使围岩的离层滑动受到锚杆、锚索的限制，才能真正发挥围岩的自身承载作用。

对锚杆施加高预紧力可将巷道围岩紧紧的挤压在一起，使岩层处于压缩状态，岩层就不会产生离层、滑动、变形等变化。从而大大提高了巷道的刚度，充分发挥了围岩自身的支护能力，提高了顶板的稳定性。目前，我国新汶及淮南等煤矿锚杆巷道均采取了对锚杆施加高预紧力（预紧力为80 ～ 100 kN）的措施，有效地控制了围岩变形、离层与破坏，保护了围岩的完整性与稳定性，不但显著提高了支护效果，而且大大降低了顶板事故率，提高了巷道的安全性与可靠性。

三、结论

1.巷道支护施工前，要进行巷道类比和综合评价，在总结过去施工经验的基础上确定锚杆支护方案。

2.在巷道施工中，还要综合考虑到巷道所在区域内的大区域地质构造、小范围内的地质变化、顶帮煤岩的岩性变化、围岩产状、赋水情况等多方面因素。

3.施工时应采用高预应力、高强度锚杆联合支护。这样，一次支护便可能有效地控制围岩变形与离层等地质灾害的发生，避免巷道的二次支护和维修，不仅可以节省大量的人力及财力，还可以有力保障煤矿的安全生产。

综上，锚杆支护必须要以实践为基础，以支护理论为阶梯，在实际工作中不断探索、不断完善，进一步提升巷道锚杆支护水平。