不同巷道布置方向对锚杆支护轴力的分布研究

张 璟

（山西焦煤集团临汾宏大矿业有限责任公司，山西 临汾 041000）

1 锚杆支护机理分析

1）对巷道顶板的支护作用。当巷道出现垂直方向应力大于水平方向时，会导致巷道顶板的中间或肩角位置出现裂缝，并在自身重力的作用下，破碎岩石掉落并发生顶板冒落，采用锚杆支护可起到加固破碎岩层的作用。

2）对两侧帮部的支护作用。煤层帮部的形变破损会导致煤帮与巷道顶、底板以及煤帮内部发生形变破损，通过锚杆的锚固作用，在巷道两侧帮部可形成具有承载力的锚固层，可承受来自外界的压力和变形。

3）煤层帮部对顶板的稳定性作用。当巷道围岩发生破坏时，会造成煤块破碎甚至剥落，通过加强两侧帮部支护，可保证巷道顶板的稳定。

因此，锚杆支护的机理中就有最大水平应力理论，而巷道顶板的稳定性主要与水平应力有关，且当巷道顶板与最大水平应力夹角不同时，对顶板的影响也不同[1]。

2 地应力与巷道布置轴向的描述

地应力是决定巷道和岩体稳定性的关键因素，地应力的形成比较复杂，包括重力作用、构造应力、水压力等，其中自重和构造应力是地应力的重要组成部分。一般在矿井埋深-100~-1 200 m内，最大水平主应力基本大于垂直应力，即是以水平应力为主导地位的地应力场。且根据相关文献[2]可知，影响煤矿巷道稳定性的主导应力就是最大水平主应力，且最大水平主应力的值越大，其相应的最小水平主应力值反而就越小，这也就表明水平应力对巷道稳定性的影响要远远大于垂直应力。因此，在地应力场中，最大水平主应力成为主要影响因素。

此外，巷道布置轴向与最大水平主应力所成的夹角不同对煤矿巷道变形影响比较明显，当最大水平主应力方向与巷道布置轴向一致时，巷道沿着最大水平主应力方向进行掘进开采，巷道顶底板最稳定；当最大水平主应力与巷道布置轴向方向垂直时，巷道沿着最小水平主应力方向进行掘进开采，此时对巷道顶底板破坏最大[3]。

3 不同巷道布置方向对锚杆支护轴力的分布研究

以某矿为例，设置锚杆支护的参数为：锚杆规格Φ22 mm×2 500 mm，间排距均为800 mm，锚杆材质是MG400。主要分析巷道布置方向与最大水平主应力成不同角度，即0°、30°和90°时，对锚杆支护轴力影响的分布规律。

下页图1为锚杆支护监测点的布置示意图，从图1可知，锚杆编号1号—4号、10号—13号是巷道左右两侧帮部锚杆，5号—9号是巷道顶部锚杆。其中，每根锚杆均设置10个监测点，便于监测其受力变化情况，每个监测点相距0.25 m。此外，监测点1—监测点6是自由段，监测点7—监测点10是锚固段，将巷道断面锚杆编号1号—13号一样的监测点相连接就组成图1中所示的监测线。

图1 锚杆支护监测点的设置示意图

当巷道布置轴向与最大水平主应力方向夹角成0°时，巷道断面锚杆支护轴力的分布规律如下页图2所示。从图2中可看出，位于同一监测线上时，两侧帮部锚杆的轴力大小大于顶部锚杆的轴力，巷道锚杆监测点的轴力大小整体上呈现“凹”形分布，且此时，处于正顶位置的7号锚杆的自由端轴力大小是120.7 kN。

图2 当巷道夹角成0°时，锚杆支护轴力的变化曲线

当巷道布置轴向与最大水平主应力方向夹角成30°时，巷道断面锚杆支护轴力的分布规律如下页图3所示。

从图3中可看出，在同一监测线上，两侧帮部锚杆和顶部锚杆各监测点的轴力大小基本处于同一条直线上，即大小大致相同，因此，此时锚杆轴力大小貌似呈现“口”形分布。

图3 当巷道夹角成30°时，锚杆支护轴力的变化曲线

当巷道布置轴向与最大水平主应力方向夹角成90°时，巷道断面锚杆支护轴力的分布规律如下页图4所示。

从图4可看出，当夹角增大至90°时，顶部锚杆的轴力大小增大，且同一监测轴线上两侧帮部锚杆的轴力大小显著小于顶部锚杆的轴力，相比图2和图3，两侧帮部锚杆的轴力大小略有降低。此时，锚杆轴力大小貌似呈现“凸”形分布，且当夹角是90°时，处于正顶位置锚杆7号的自由端轴力大小是249 kN，相比于图2，轴力大小增加了128.3 kN。

图4 当巷道夹角成90°时，锚杆支护轴力的变化曲线

通过对比分析可知，当锚杆进行加长锚固支护作用时，自由端位置的锚杆轴力大小均相等，且锚固段的轴力大小逐渐减小至0。同时，随着巷道布置轴向与最大水平主应力夹角的变化，巷道断面各位置的锚杆轴力大小也相应地发生变化，即随着夹角的增大，两侧帮部锚杆的轴力大小逐渐减小，而顶部锚杆的轴力大小明显增大，且锚杆轴力大小分布呈现凹”“口”“凸”形状规律变化。

4 结论

1）随着巷道布置轴向与最大水平主应力夹角的变化，巷道断面各位置的锚杆轴力大小也相应地发生变化，即随着夹角的增大，两侧帮部锚杆的轴力大小逐渐减小，呈负相关；而顶部锚杆的轴力大小明显增大，呈正相关。

2）随着夹角的增大，锚杆轴力大小分布呈现“凹”“口”“凸”形状规律变化。