大断面巷道预应力锚杆支护参数优化研究

郝长胜 尹 旭 尚 东 徐 仁

(内蒙古科技大学矿业与煤炭学院，内蒙古自治区包头市，014010)

★ 煤炭科技·开拓与开采★

大断面巷道预应力锚杆支护参数优化研究

郝长胜 尹 旭 尚 东 徐 仁

(内蒙古科技大学矿业与煤炭学院，内蒙古自治区包头市，014010)

通过分析补连塔矿煤层采动规律及现有支护方式下巷道破坏规律，得出大断面巷道预应力锚杆支护参数优化的依据。利用FLAC3D模拟软件在不考虑原应力场条件的情况下，研究各支护参数对巷道围岩稳定影响，通过分析不同支护参数在巷道支护中的不同影响，从而确定大断面巷道支护选择支护参数方面的相关原则。研究结果表明，预应力锚杆参数优化后支护效果达到了理想值，为类似条件下的巷道支护提供了工程实例。

大断面巷道 预应力支护 支护参数

随着我国煤矿开采强度与规模的显著增加，大断面巷道越来越多，其围岩控制问题也日益重要。大断面巷道在原始地应力的影响下变形急剧加大，冒顶事故频发，巷道两帮片帮严重，巷道支护难度增加，严重危害巷道围岩的稳定性和巷道维护。锚杆支护已经成为此类巷道的有效支护方式，但不合理的支护参数选择不仅会导致成本的增加，而且导致巷道围岩频繁破坏，严重制约着煤矿安全高效生产，因此解决大断面巷道锚杆支护参数优化的问题十分迫切。锚杆支护参数优化是锚杆支护技术的一个重要步骤，合理的匹配方案能够完全发挥锚杆的支护效果。锚杆参数优化是通过调节锚杆长度、间距、角度、锚固方式与预应力值的参数发挥锚杆的支护作用，使得锚杆的加固作用与巷道围岩的自承作用相互叠加，形成高压应力区，达到锚固区与围岩的共同承载效果。通过锚杆参数优化不仅能够解决巷道围岩稳定性问题，而且可以降低支护成本，减少巷道维修返修的费用。

1 工程基本概况

补连塔矿一井五区运输大巷布置在主、副斜井底，担负着一井四采区和五采区煤炭运输外运的任务。西侧布置有五采区区5-1回采工作面，南端深部延伸至五采区运输下山，五采区运输大巷距离5-1工作面约90 m。五采区5-1工作面埋深247～168 m，可采长度500 m，倾斜宽186 m。煤层厚度4.1～5.6 m，平均厚度4.5 m。巷道原支护方式为锚杆、菱形金属网联合支护。

2 原支护方式及评价

运输大巷原设计支护方案顶板的支护方式为锚杆、菱形金属网联合支护。杆体为ø16的圆钢锚杆，长度为1600 mm，间排距为2000 mm×2000 mm。每排3根锚杆，中间一根垂直巷道走向轴线，顶板的两角锚杆斜率为10°夹角。锚固长率为1100 mm。两帮的支护方式为锚杆、菱形金属网。杆体为ø16的圆钢锚杆，长度为1600 mm，正帮间排距为1400 mm×1400 mm，负帮间排距为1200 mm×1200 mm，每排锚杆各3支，两帮锚杆垂直布置，锚固长度为1100 mm。巷道围岩岩体物理力学参数见表1。

运输大巷在工作面未进行回采时，顶板和两帮变形量较小。受工作面回采的影响，巷道顶板发生严重变形，特别是位于工作面前方40 m处的负帮侧顶板发生严重变形，甚至出现冒顶现象，支护结构被拔出，底板两侧也出现了变形量不均匀的底鼓现象，巷道围岩稳定无法得到保证。两帮变形量明显增大，煤帮出现鼓出现象，支护结构失效，同样严重影响巷道的正常使用和工作面高产高效性能的发挥。

表1 补连塔矿运输大巷煤层分布

3 运输大巷模型建立及支护参数优化

3.1 模型建立

在不考虑巷道围岩原应力场的条件下，利用FLAC3D模拟软件模拟各支护参数对巷道围岩预应力场影响。通过分析不同支护参数在支护巷道中的不同影响，从而确定在选择支护巷道支护参数方面的相关原则。巷道为矩形巷道，尺寸为6.0 m×4.3 m，巷道布置在煤层中，沿顶板进行掘进。煤层岩体物理力学参数见表2。

表2 补连塔矿运输大巷煤层岩体物理力学参数

具体数值模拟方案为：预设锚杆预应力为60 kN时，模拟锚杆长度分别为1.6 m、2.0 m和2.4 m、锚杆间距分别为500 mm、1000 mm和2000 mm、锚杆安装角度分别为0°、30°和60°时以及锚杆向巷道围岩提供不同预应力时预应力场的分布情况。

3.2 模拟结果分析

3.2.1 锚杆长度对巷道围岩预应力场影响

当锚杆向巷道围岩提供60 kN预应力、锚杆长度分别为1.6 m、2.0 m和2.4 m时应力场分布情况如图1所示。由图1可知，长度为1600 mm的各锚杆在上部岩层中形成了一定范围的压应力区，且形成的压应力锚固区相互组合形成高压应力区，但高压应力区范围相对较小。在距顶板表面垂直距离较远的顶板深处形成一定范围的拉应力区，同时在两帮和底板围岩中也形成应力值较小的压应力区，有效地增加了围岩的强度，提高了两帮和底板的稳定性。而当锚杆长度为2.0 m和2.4 m时，在巷道顶板形成的高压应力区厚度与范围有一定的增大，形成了较大的锚固区，但顶板深部拉应力区没有明显变化。两帮的压应力范围也没有改善，中部锚杆所提供的压应力值反而有所下降，不利于巷道围岩稳定性控制。

图1 不同锚杆长度巷道围岩中预应力场分布

3.2.2 锚杆间距对巷道围岩预应力场影响

当向巷道围岩提供60 kN预应力、锚杆间距分别为500 mm、1000 mm和2000 mm时巷道围岩预应力场分布如图2所示。当锚杆间距为500 mm时，由于锚杆间距小，所形成的压应力区彼此之间相互叠加，使得在巷道顶板深处的压应力区与锚固的压应力区连接起来，形成了稳定的支护系统。对比锚杆间距2000 mm时的分布图可以看出，锚杆形成的压应力区叠加的支护效应明显减弱，主动支护构成的锚固区无法有效与深部围岩压应力区形成整体，这样的支护方式对巷道顶板围岩稳定影响较大。但当锚杆间距减小到一定程度后继续增大，锚杆密度对保持巷道围岩稳定的影响不大，因此要合理布置锚杆间距。

图2 不同锚杆间距预应力场分布

3.2.3 锚杆安装角度对巷道围岩预应力场影响

锚杆预应力为60 kN，安装角度为0°、30°和60°时预应力场分布情况如图3所示。由图3可以看出，安装角度为0°时，巷道顶板的压应力锚杆与角锚杆应力区相互叠加，但形成的高压应力区范围较小且没有形成整体支护。当为倾斜角度为30°时，倾斜锚杆与中部锚杆所形成的压应力区出现离断现象，叠加效应减弱，使得在顶板内所形成的压应力值偏小，且在顶板深处几乎不存在高压应力区，但在顶、底板中的拉应力区范围基本没有明显变化。当安装角度为60°时，巷道顶板的所形成的压应力区叠加效应更弱，甚至彼此之间出现独立单元，进一步降低顶板压应力区的应力值，不利于控制巷道顶板的变形量。

图3 不同锚杆倾斜角度预应力场分布

3.2.4 锚杆锚固方式对巷道围岩预应力场影响

锚杆预应力为60 kN、采用不同锚杆锚固方式时，巷道围岩预应力场分布情况如图4所示。由于端部锚固时锚杆的自由段较长，使得巷道顶板与两帮均能形成大范围的压应力区，而且能够为围岩深部压应力区提供高应力。锚杆所锚固的区域与原岩应力区形成一个很好的支护整体，能够对巷道围岩进行稳定的支护。与端部锚固相比，加长锚固由于锚杆自由段较短，在巷道顶板和两帮形成压应力区范围相对较小。当锚杆的锚固方式为全长锚固时，锚杆无自由段，所以在巷道围岩中形成的有效压应力区范围和厚度变得更小，预应力锚杆所产生的锚固区作用更小，特别是在巷道顶板深处形成的高压应力区范围较小，从而无法使得与锚杆锚固端附近形成的高压应力区连接在一起而形成统一的整体性支护，同时顶、底板深处所形成的拉应力区范围变化不明显。通过分析，在预应力一致的条件下，端部锚固所形成的支护效果比加长锚固和全长锚固二者的支护效果好。

3.2.5 锚杆预应力值对巷道围岩预应力场影响

锚杆向巷道围岩提供不同预应力时，巷道围岩预应力场分布情况如图5所示。对比提供100 kN、150 kN和200 kN预应力时的锚杆支护情况可知，预应力为100 kN时，通过预应力锚杆只在巷道顶板深部形成较小的高压应力区，而且与锚杆端头所形成的高压应力区之间无法叠加，没有形成完整的支护，使预应力锚杆的主动支撑能力对巷道围岩稳定没有完全体现。预应力为150 kN时，巷道顶板和两帮所形成的压应力区范围增大和叠加的压应力区值明显增高，而且在顶板深处所形成的高压应力区范围变大，几乎与锚杆形成的锚固区相关联，形成统一的整体支护，并在底板形成了较大范围的压应力区。预应力为200 kN时，压应力区范围没有明显的变化。

图4 不同锚固方式的巷道围岩预应力场分布

图5 不同锚杆预应力下巷道围岩应力场分布

3.3 运输大巷支护参数优化

根据运输大巷的数值模拟分析结果，提出以下支护参数优化方案：考虑到巷道顶板变形量不一，所以运输大巷巷道顶板布置4根锚杆，锚杆的长度为1800 mm,间距为分别为900 mm、1800 mm、1200 mm、1800 mm和300 mm，两角锚杆与巷道水平走向垂线成30°角。巷道两帮分别布置4根锚杆，锚杆排距为1600 mm，间距分别为800 mm、1100 mm、1100 mm、1100 mm和200 mm，两角锚杆与巷道顶板夹角为60°。

4 现场应用

为了监测巷道围岩变形量位移，在运输大巷50 m处进行试验。顶板与两帮采用改进后的支护参数进行支护。顶板变形量的测量采用顶板离层仪，两帮变形量的测量采用多点位移计，并进行现场数据记录。对改进支护参数后的试验巷道与原支护方案的巷道围岩变形量进行比较，结果见表3。

由表3可以看出，在进行支护参数优化后巷道的位移量减小，两帮的变形量也得到了有效控制，巷道顶底板变形量为134 mm，位移速度为17.3 mm/d，巷道两帮的变形量为130 mm，位移速度为15 mm/d。因此改进支护参数后的运输大巷符合矿井安全生产要求，达到了控制围岩稳定的要求。

表3 支护方案变形参数对比

5 结论

通过运用数值模拟及现场试验的方法，确定对补连塔矿运输大巷的支护方案，取得了良好的支护效果，通过进行预应力锚杆支护参数匹配，降低了支护成本，减少了巷道维护次数。在分析支护参数对大断面巷道围岩稳定性影响时得出以下几点规律：

(1)在锚杆长度选择时应尽量符合以下规律：确定锚杆长度时应提供足够的长度以确保锚杆能够与巷道围岩形成稳定的锚固区来支撑围岩稳定；锚杆长度不宜过长，否则也会影响承载结构的承载能力；锚杆长度的确定还应注意施工难度及成本的因素。

(2)在确定锚杆间距时应遵循以下原则：增大锚杆间距有利于加快成巷速率和减小支护成本，但应注意巷道围岩支护效果；锚杆间距可以与锚杆材料参数及预紧力相互协调。

(3)在选择锚杆安装角度时应注意两点：一般情况下顶板的两角的锚杆与巷道垂线方向成10°～25°锚杆深入两帮顶板有利于抑制巷道垮落；在两帮处角锚杆容易与两帮顶部锚杆形成锚固区，有利于增强两帮围岩稳定。

(4)全长锚固相对比端部锚固和加长锚固具有提高锚杆抗剪能力，能够有效防止围岩沿节理面相对滑动，减小巷道围岩变形。但全长锚杆无自由段，锚杆施加的预紧力作用范围小，无法有效的与深部高压应力区形成统一整体支护。所以要根据顶板的实际情况，在保证合理压应力场范围的同时选择锚杆的锚固形式。

(5)在选择锚杆预应力值时应考虑巷道上部围岩性质并结合支护密度，不应一味增大预应力值，这样可以减少施工难度提高成巷率。

[1] 于正军. 大采高回采巷道围岩变形控制研究及支护优化[D]. 河北工程大学，2014

[2] 康志强. 全煤巷道锚杆支护参数数值模拟分析[D].河北理工大学，2003

[3] 郝长胜，尚东，孙明等. 补连塔矿煤层采动规律及回采巷道优化支护的研究 [J]. 煤炭技术，2016(6)

[4] 郭涛，李鹏飞，骆凡. 煤矿巷道预应力锚杆支护技术研究 [J]. 煤炭技术，2016(7)

[5] 郝长胜，尚东，孙明等. 巷道锚杆锚索预紧力协同支护的研究 [J]. 中国煤炭，2016(10)

[6] 康红普，王金华，林健. 煤矿巷道锚杆支护应用实例分析 [J]. 岩石力学与工程学报，2010(4)

Studyonoptimizationofpre-stressedboltsupportparametersforlargesectionroadway

Hao Changsheng, Yin Xu, Shang Dong, Xu Ren

(School of Mining & Coal, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou, Inner Mongolia 014010, China)

By analyzing the mining-induced movement laws of coal seam in Bulianta Mine and the laws of roadway failure under existing support mode, the basis of pre-stressed bolt support parameter optimization for large section roadway was obtained. Using FLAC3D simulation software to study the influence of each support parameter on the stability of roadway surrounding rock without considering the conditions of the original stress field, the influence of different support parameters on the stability of support roadway was analyzed to determine the relevant principles of support parameters. The results showed that the support effect of the pre-stressed anchor parameters reached the ideal value after optimization, providing engineering reference for roadway support under similar conditions.

large section roadway, pre-stressed support, support parameter

内蒙古自治区研究生教育创新计划资助项目(S20151012708)

郝长胜，尹旭，尚东等. 大断面巷道预应力锚杆支护参数优化研究 [J]. 中国煤炭，2017,43(12)：80-84.

Hao Changsheng, Yin Xu, Shang Dong, et al. Study on optimization of pre-stressed bolt support parameters for large section roadway [J]. China Coal，2017,43(12)：80-84.

TD353

A

郝长胜(1963-)，男，内蒙古包头人，硕士，教授，主要从事煤矿地下开采方面的研究。

(责任编辑 陶 赛)