马堡煤业锚杆支护参数优化研究

张岩雄，宋云龙，闫循强，迟羽淳

(1.山西马堡煤业有限公司，山西 长治 046300； 2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122)

随着国家经济发展，能源需求加大，煤矿开采深度逐年递加，巷道围岩支护成为急需解决的难题[1]。锚杆支护设计作为一种有效的巷道支护方式，也代表了煤矿巷道支护的发展方向，取得了较好的效果[2-3]。锚杆支护参数的选择有利于充分展现锚杆支护的优势，能确保巷道安全[4]。如果支持形式和参数不合理，将导致2个结果：①支护过剩，不仅浪费支护材料，而且影响掘进速度，回采期间因支护强度过大，巷道顶板不易垮落，造成安全隐患；②不能有效控制围岩变形，不能满足巷道的安全使用。

为解决以上问题，本文通过动态锚杆支护设计[5]，采用数值模拟、理论计算，优化矿井锚杆长度、锚杆密度支护参数，并将设计参数应用于现场，配合矿压监测，保证了巷道安全，能够为本煤层支护参数选择提供参考。

1 工程概况

山西马堡煤业有限公司隶属于山西省煤销集团长治分公司，现开采8号、15号煤层。8号煤层3个采区，15号煤共有4个采区，2层煤同时开采。15号煤层伪顶为砂质泥岩，平均厚度0.20 m；直接顶为粉砂质泥岩，平均厚度3.65 m；基本顶为细砂岩，平均厚度5.65 m，粉砂质泥岩抗拉强度1.0 MPa，抗压强度15.7 MPa；砂质泥岩抗拉强度2.3 MPa，抗压强度46.8 MPa。15205回风巷位于15号煤二采区，沿15号煤层顶板掘进。与巷道相邻的15203工作面采空区尚处于稳定过程中。井下巷道顶板整体情况较好，两帮矿压显现较大，出现一定的围岩变形。

2 巷道支护原则

针对马堡煤业特殊的地质生产条件，为了充分发挥锚杆支护的作用，应避免重复支护及多次支护，确保首次支护的效果，实现有效控制围岩变形[6]。选择锚杆时应将高可靠性、低支护密度、高刚度、高强度因素综合考虑[7]。为使锚杆支护最大程度地展现整体支护效果，锚索和锚杆的力学性能与参数互相匹配，同时应考虑托板、钢带、锚杆各构件、螺母的参数和力学性能的匹配问题[8]。锚杆预应力是区分锚杆主、被动支护的评判参数，高预应力锚杆才能发挥主动支护的作用[7]。在支护过程中，要充分考虑以上因素对支护效果的影响。

3 不同参数对支护结果的影响

预应力参数在锚杆支护系统中起决定性作用。适当的预应力能够形成广泛范围的压应力区域，有效的压应力区可在顶板形成一个整体，在极大范围内覆盖顶板，使锚杆的主动支护功能得到充分的发挥。预应力选择应使锚固区不发生拉应力区和明显离层。杆体屈服荷载标准值的30%～60%是锚杆预紧力合适的取值范围[8]。锚杆支护的预紧力随着锚杆直径增大、强度变高而增大。通过FLAC3D软件对巷道建立二维模型，分别研究不同参数对支护效果的影响。

3.1 锚杆密度

间距0.6～1.4 m的支护附加应力场如图1所示。由图1可知，在确定预应力的作用下，单根锚杆周围压应力区域呈现为类似锥形分布，锚杆末端附近压应力为最大，其次是锚起点。压应力在锚杆自由部分的中间较小，并且锚杆的端部表现出接近零应力和拉伸应力微弱的状态[6]。单个锚杆间距太大，无法形成整体锥形结构。当锚杆间距减小，由单个锚杆形成的锥形压缩应力区逐渐接近，互相重叠并形成整体支撑结构。当锚杆增设到一定数量后，有效压应力的区域随锚杆的支护密度增大而增大，然而锚固预应力的扩散效果不随其持续变化[9]。因此，为增大锚杆间的间距，减小锚杆支护密度，减少锚杆数量，可通过提高锚杆的预应力来实现。

图1 间距0.6～1.4 m的支护附加应力场Fig.1 Additional stress field of support with an interval of 0.6～1.4 m

3.2 锚杆长度

锚杆的作用范围随着锚杆长度增大而变大，有效压应力的厚度与范围也随着增加。锚杆长度增加，其压应力在中上部分减小；在2个锚杆中间的中部围岩，压应力也随之减小。在确定的预应力条件下，锚杆越长，预应力的作用反而越不明显，锚杆的主动支护能力越差。由此，施加的预应力应随锚杆的增长而增大。反之，可以通过增加预应力来适当缩短锚杆的长度。锚杆长度分别为1.6～2.6 m的应力分布如图2所示。

图2 锚杆长度1.6～2.6 m时应力分布Fig.2 Stress distribution when anchor rod length is 1.6～2.6 m

3.3 锚杆角度

顶板角锚杆的角同样影响着应力场分布(图3)。在垂直布置中，在角锚杆和中间锚杆共同作用下，在顶板形成均匀分布、厚度大、相互叠加和连接的有效压应力区，其可覆盖大部分锚固区域，在此情况下，锚杆叠加效果和预应力的扩散最好。当角锚杆角度变大时，中部锚杆周围的有效压应力区与角锚杆周围的有效压应力区域逐渐分离，两者重叠部分变得越来越小。中部锚杆和角锚杆2个压应力区当顶板角锚杆角度达到15°时明显分开。此时如继续增加角锚杆的角度，中部锚杆和角锚杆之间的压应力区域将完全分离，成为2个独立的支护部分。因此，垂直布置是近水平煤层巷道顶板角锚杆布置的首选。如施工原因必须有一定的角度，则角度应小于10°。

图3 不同锚杆角度附加应力场分布Fig.3 Distribution of additional stress field with different anchor angles

4 理论计算

4.1 锚杆长度计算

锚杆长度计算公式为：

L=L1+L2+L3

(1)

式中，L1为外露长度，取0.1 m；L2为锚杆自由段长度；L3为锚杆深入稳定岩层长度。

按经验公式计算锚杆长度L2(加固拱理论)：

L2=N(1.1+B/10)=1.76 m

(2)

式中，L2为锚杆长度；N为围岩稳定性影响系数，一般为0.9～1.2，取1.1；B为巷道跨度，取5 m。

根据经验公式L3取值0.3 m。

根据以上计算，锚杆长度L=L1+L2+L3=2.16 m。因此，锚杆长度取值应不小于2.16 m，结合现场及矿方目前现有支护材料，取值为2.5 m。

4.2 锚杆间排距计算

锚杆间排距近似相等：

(3)

式中，a为锚杆间排距；Q为锚杆设计锚固力；H为冒落拱高度，H=B/2f=0.833 m，B为巷道开掘宽度，取5 m，f为岩石坚固性系数，取3；γ为被悬吊煤岩体的密度，取2.5 t/m3；K为安全系数，取4。

将数据代入公式计算得，a=0.920～1.008 m。

根据现有支护施工经验，锚杆排距取1.0 m，间距以排距作为参照，综合巷道实际情况和尺寸具体确定。

5 支护效果监测

15号煤层15205回风巷支护参数:①顶板支护，支护参数选取为锚杆长度2.5 m，锚杆排距1.0 m，锚杆间距0.9 m，每排布置6根锚杆；②巷帮支护，支护参数选取为锚杆长度2.5 m，锚杆排距1.0 m，每帮每排布置6根锚杆，间距0.8 m，距离顶底板各0.25 m。

巷道中每隔50 m安装顶板指示仪。设置观测点，在距掘进工作面50 m内，观测离层值。在超过50 m的范围，用红、黄、绿不同颜色展现顶板离层松动的不同程度，顶部松动离层值很小，顶板指示仪显示为绿色，代表其处于稳定状态；离层松动达到报警极限值时，指示仪显示为黄色；当顶板松动离层值较大时，指示仪显示为红色，代表其已进入危险状态。

在掘进过程中，离层指示仪数据均为超过50 mm。此优化支护数据在某矿取得较好的效果。

6 结论

(1)在一定预应力下，随着锚杆间距缩小，支护效果增强，当锚杆增设到一定数量后，有效压应力的区域随锚杆的支护密度增大而增大，然而锚固预应力的扩散效果不随其持续变化。因此，为增大锚杆间的间距，减小锚杆支护密度，减少锚杆数量，可通过提高锚杆的预应力来实现。

(2)在确定的预应力条件下，锚杆越长，预应力的作用反而越不明显，锚杆的主动支护能力越差。由此，施加的预应力应随锚杆的增长而增大。反之，可以通过增加预应力来适当缩短锚杆的长度。

(3)垂直布置是近水平煤层巷道顶板角锚杆布置的首选。如施工原因必须有一定的角度，则角度应小于10°。