不同锚杆支护方案对煤巷围岩应力的影响分析

胡瀚超

（大同市青磁窑煤矿， 山西 大同 037000）

引言

锚杆支护作为矿井常用的一种主动支护技术，是将锚杆或锚索等杆体以受拉作用的方式埋入煤层预设的位置中，并将杆体与周边岩体联接为一体，进而保证岩体的稳定，因此，锚杆支护技术能够提高围岩的强度，具有支护效果好等优点[1]。锚杆支护在矿井使用中发挥着明显的优势：一是保证支护结构与岩体的紧密联接，具有完整的承载体系；二是采用锚杆支护技术，施工便捷，可有效控制煤岩的结构变形；三是能够有效改善煤岩的自身性能，加固煤岩层内部的薄弱面；四是可依据工程实践要求，设计满足需求的锚杆支护效果，达到以最低成本投入获取最有效的支护效果[2]。

此外，锚杆支护的作用理论有：悬吊作用，锚杆的抗拉作用明显大于岩体，可提高破碎围岩的稳定性；组合梁作用，可利用锚杆锚固作用来提高围岩的抗剪能力；组合拱作用，通过巷道围岩产生的压缩带来提升巷道外围岩的压力；围岩强度强化作用，主要是提高锚杆锚固区间内围岩的残余强度[3]。因此，锚杆支护效果很大程度上影响煤巷整体的稳定性，本文就主要对比分析常规支护、强帮支护及强帮强角三种锚杆支护，围岩应力状态的变化规律，进而强化围岩的强度，提高矿井作业安全性。

1 不同锚杆支护方案

围岩应力是影响煤巷围岩稳定性的重要因素，不同的锚杆支护方案对围岩应力状态作用也不同，本文设计的锚杆支护方案如下：

方案一：常规锚杆支护。即设计高强度的煤巷顶板，并作为控制的重点，选取大直径螺纹钢锚杆、锚索、搭配W 型钢带及金属网联合支护，而帮部则选取较短的圆钢锚杆搭配W 钢带托盘进行锚杆支护，强度设计较低。

方案二：帮部锚杆支护。对于煤巷顶板支护采用常规支护，同于方案一；而帮部支护是采用左旋螺纹钢锚杆、W 型钢带、锚索和金属网共同联合支护。

方案三：强帮强角锚杆支护。对于煤巷顶板支护是在方案二的原则上，将两侧角的锚杆外倾斜30°；对于帮部支护也是在方案二的原则上，将上侧角锚杆上倾30°。此外，方案一、方案二和方案三的锚杆支护示意图如图1 所示。

图1 煤巷不同锚杆支护示意图（单位：mm）

2 不同锚杆支护方案对巷道围岩应力的影响

为了深入分析帮部和强帮强角锚杆支护后，对煤巷围岩变形控制及其稳定性的效果，本文主要对比分析上述三种方案，煤巷围岩应力的变化情况，其中，煤巷的埋深参数是400 m。

通过对距煤巷顶板中间距离20 mm、60 mm、100 mm 位置处，设置①②③监测点监测顶板煤层的竖向应力，得到下页图2 所示的对比图。从图2 中可看出，对于方案二，三处监测点的应力值均提升显著，对比方案一常规锚杆支护，①点处的应力上升比例是48.8%；②点处的是42.0%；③点处的是18.1%，因此，帮部支护可显著改善顶板围岩的应力状态。对于方案三，利用倾斜角部锚杆来提升角部支护强度，①点处的应力值相比于方案一，提升4.7%，相比于方案二，降低29.7%；而②和③点处的应力值均显著增大，相比于方案二，上升比例分别是20.7%和12.3%，相比于方案一，上升比例分别是71.4%和32.7%。

图2 对比三种方案，顶板围岩的竖向应力变化曲线

井下煤巷开挖后，顶板围岩近区的竖向应力较小，稳定性也比较低，所以，采用帮部锚杆支护，可加大帮部的承载力，进而有效缓解顶板的应力状态，达到顶板围岩径向应力大幅增加的目的。同时，在上述基础上，再倾斜一定角度的锚杆来提升角部支护，也同样会使顶板深部围岩的应力大幅提升，而浅部围岩应力有所降低，表明强角锚杆支护对煤巷围岩的稳定性有很好的支护效果。

通过对距帮部表面距离是20 mm、60 mm、100 mm 处，设置④⑤⑥监测点监测帮部的竖向应力，得到图3 所示的对比图。从图中可明显看出，对于方案二，帮部的竖向应力整体减小，相比于方案一，④点处的竖向应力下降33.2%；⑤点处下降20.6%；⑥点处下降12.9%。对于方案三，④和⑥点处的竖向应力均显著减小，相比于方案二，分别减小54.5%和14.0%；而⑤点处的应力相比于方案二，上升20.9%，相比于方案一，减小4.0%。

图3 对比三种方案，帮部围岩的竖向应力变化曲线

井下煤巷开挖后，围岩会产生弹塑性变形，此时，巷道帮部产生的竖向应力类似于切向应力，形成应力集中上升区，而此时对于较低的帮部围岩力学性质，会因到达极限强度而产生破坏，此外，因断面形状，角部也会产生应力集中，从而出现大变形破坏[4]，因此，采用强帮强角锚杆支护后，不仅有效缓解了应力集中程度，且降低煤巷帮部和角部变形，有利于巷道围岩的稳定性。

通过对距底板表面20 mm 处，设置⑦监测点监测底板围岩的竖向应力，得到图4 所示的对比图。从图中可看出，对于方案二帮部支护后，⑦点处的应力值上升5.8%；对于方案三，⑦点处的应力值也增大，相比于方案一上升8.9%，相比于方案二上升2.9%。

图4 对比三种方案，底板围岩的竖向应力变化曲线

同理，煤巷开挖后，煤巷底板围岩表面受力状态由原来的三向转变为二向，径向应力很小。采用强帮强角锚杆支护后，不仅使底板的竖向应力增大，有效缓解底板的受力状态，且使底板的承载力增大，底板变形量也减小。

3 结论

对比分析常规支护、强帮支护及强帮强角三种锚杆支护，围岩应力状态的变化规律，结论是：施加帮部和角部锚杆支护后，可有效改善围岩的应力状态，使顶板围岩的径向应力大幅上升，同时，顶板的自身承载能力也提升；另外，煤巷帮部应力集中上升区的应力降低，可有效缓解应力集中程度，使煤巷帮部和角部变形减小，有利于围岩的稳定性，表明强帮强角锚杆支护具有很好的支护效果。