煤矿软岩巷道锚杆支护参数设计研究

张 晶，李金龙

(同煤集团同家梁矿业公司，山西 大同 037003)

0 引言

关于锚杆的支护机理，主要有4种观点：第一，悬吊作用；第二，组合梁作用；第三，三铰拱机制；第四，经验公式。这些理论各有特点，得出的支护参数也各不相同，同时也各有其适用条件，主要取决于地质条件和巷道围岩特点。文中以某煤矿为背景，通过不同的锚杆支护理论得出相应的支护参数，并采用数值模拟方法进行对比分析，从而确定最佳的锚杆支护参数。

1 概况

1.1 矿井概况

某煤矿主要开采3#煤层，煤层平均厚度2.5 m，煤层赋存稳定，平均倾角9°。现开采水平为-600 m水平，在东西方向上布置了2条轨道大巷和皮带巷，同时布置几组下山。下山巷道的岩层主要有灰色页岩、暗灰色粉砂岩和暗灰色细砂岩。巷道埋藏较深，巷道围岩中存在较大的应力。矿井地质构造简单，采区内没有断层，岩石普氏系数较低，也表现出较低的强度，属于软岩范畴。总回风巷道采用锚杆支护，采用的锚杆为钢筋树脂锚杆，其规格为φ18 mm×1 800 mm，支护密度为700 mm×700 mm。

1.2 锚杆参数

目前主要使用2种规格的锚杆来实现对巷道的支护，锚杆的间排距确定为700 mm，通过十字测量法发现巷道存在较严重变形，对矿井正常生产产生了一定的影响。所用锚杆有φ18 mm×1 800 mm和φ20 mm×2 000 mm 2种规格。

2 锚杆支护理论和支护参数计算方法

2.1 悬吊机制

所谓悬吊理论指的是，通过锚杆的锚固作用，将煤岩层顶板下部的强度较低的部分吊在其上部强度比较大的煤岩层中，这种情况下，锚杆所承受的重量可认为是煤岩层下部强度较小部分的重量。此时，锚杆的主要作用是减少煤岩层下部的下沉量和控制煤岩层下部与上部的离层。在锚杆的锚固作用下实现顶板的稳定。

支护参数的确定：

l=l1+l2+l3

(1)

l2=RP-h

(2)

(3)

式中：l—锚杆的总长度，m；l1—锚杆的暴露长度，m；l2—锚杆的被锚固长度，m；l3—为锚杆伸入老顶的长度，m；R0—等效圆掘进半径，m；RP—破碎带高度，m；K—应力集中系数；γ—岩石容重，kN/m3；H—巷道的埋藏深度，m；φ、C—岩体的内摩擦角和粘结强度，MPa。

(4)

式中：d—锚杆的直径，m；Q—锚杆的锚固力，kN；σt—锚杆的杆体抗拉强度，MPa，一般通过数据表获得。

(5)

式中：a—锚杆的间排距，m。

2.2 组合梁机制

当没有坚硬而厚煤岩层顶板且存在多层薄煤岩层时，通过组合梁机制，即锚杆的预拉应力作用，来实现对各煤岩层进行的一种挤紧作用，从而从根本上提高了煤岩层的自身强度，提高煤岩层的自承能力。

支护参数的确定：

(6)

式中：t—组合拱厚度，m；a—锚杆控制角，通常取为45°。

2.3 三铰拱机制

若围岩在矿山压力的作用下出现了裂隙，形成了块状围岩，则适合应用三铰拱机制，该机制通过锚杆的悬吊作用，将块状围岩悬吊起来，使其彼此挤压，从而形成了一种特殊的结构，即二铰拱结构。与之前相比，这种结构比较稳定，既能将岩块固定在一块，又能强化岩块的整体性，从而提高了围岩的自承能力。

支护参数确定：

l=l1+l2+0.5a+l

(7)

(8)

式中：B—巷道宽度，m；f0可取0。

2.4 经验公式

经验公式是在一些煤矿应用锚杆支护经验的基础上总结出的一些确定支护参数的公式。

支护参数的确定：

l=N(1.1+B/10)

(9)

q=Mγl/Q

(10)

式中：N—与稳定性有关的系数；q—锚杆密度，根/m2；M—与围岩稳定性有关的系数。

3 支护参数设计计算与分析

3.1 支护参数设计

以总回风巷道为背景，巷道相关参数如图1所示。锚杆材料的确定则以该矿实际应用的锚杆为准，即为钢筋树脂锚杆，规格为φ18 mm×1 800 mm，支护密度为700 mm×700 mm。在已知地质条件下，根据上述不同的锚杆支护机制，确定相应的支护参数，见表1。

图1 总回风巷道断面示意图

方法12345计算依据现用参数悬吊理论组合梁理论三铰拱理论经验公式锚杆参数/mmϕ18×1 800ϕ20×2 000ϕ20×1 600ϕ20×2 200ϕ20×1 800锚杆密度/mm700×700800×800700×700800×800450×450

3.2 模拟研究

根据已知的矿井条件以及相关支护参数，建立回风巷道断面模型，针对4种理论机制下计算出的支护参数进行模拟分析，可以得到不同支护参数下的巷道变形情况，确定巷道最佳的支护参数。

对5种锚杆支护参数下巷道帮部变形情况进行分析，结果如图2所示。

图2 不同支护参数下的帮部变形量

第2种和第4种锚杆支护理论机制确定的支护参数，帮部变形量较小。因此，从巷道帮部变形量角度讲，采用第2种和第4种锚杆支护理论比较合理，即通过悬吊机制和三铰拱机制得出的锚杆支护参数能够较好地满足巷道支护要求。

对5种锚杆支护参数下巷道顶板变形情况进行分析，结果如图3所示。

图3 不同支护参数下的顶板变形量

由图3可知，第4种和第5种锚杆支护理论机制确定的支护参数，顶板变形量较小。因此，从巷道顶板变形量角度讲，采用第4种和第5种锚杆支护理论比较合理，即通过三铰拱机制或经验公式得出的锚杆支护参数能够较好满足巷道的支护要求。

通过上述分析，可知选择第4种锚杆支护理论机制，即三铰拱理论机制比较合理。通过三铰拱理论机制确定的锚杆支护参数，可使得回风巷道的帮部和顶板变形量处于最小的情况。因此，确定回风巷道的锚杆支护参数：规格φ20 mm×2 200 mm，间排距800 mm×800 mm。

3.3 应用效果

根据确定的回风巷道锚杆支护参数：规格φ20 mm×2 200 mm，间排距800 mm×800 mm，对回风巷道进行施工，一个月后，通过十字测量法测得巷道帮部变形量为23 mm，顶板变形量为16 mm，完全满足巷道支护要求。

4 结语

通过对不同锚杆支护理论机制分析以及对支护参数的数值模拟研究可知，采用三铰拱理论机制确定的锚杆支护参数，可使得巷道帮部和顶板变形量较小，因而三铰拱理论机制比较适合该矿锚杆支护参数的设计研究。因此，在矿井支护参数设计时，各煤矿应根据其支护巷道特点，对各种支护机理进行分析，选择合理的支护理论。