不同錨桿支護方案對煤巷圍巖應(yīng)力的影響分析

胡瀚超

（大同市青磁窯煤礦， 山西 大同 037000）

引言

錨桿支護作為礦井常用的一種主動支護技術(shù)，是將錨桿或錨索等桿體以受拉作用的方式埋入煤層預(yù)設(shè)的位置中，并將桿體與周邊巖體聯(lián)接為一體，進而保證巖體的穩(wěn)定，因此，錨桿支護技術(shù)能夠提高圍巖的強度，具有支護效果好等優(yōu)點[1]。錨桿支護在礦井使用中發(fā)揮著明顯的優(yōu)勢：一是保證支護結(jié)構(gòu)與巖體的緊密聯(lián)接，具有完整的承載體系；二是采用錨桿支護技術(shù)，施工便捷，可有效控制煤巖的結(jié)構(gòu)變形；三是能夠有效改善煤巖的自身性能，加固煤巖層內(nèi)部的薄弱面；四是可依據(jù)工程實踐要求，設(shè)計滿足需求的錨桿支護效果，達到以最低成本投入獲取最有效的支護效果[2]。

此外，錨桿支護的作用理論有：懸吊作用，錨桿的抗拉作用明顯大于巖體，可提高破碎圍巖的穩(wěn)定性；組合梁作用，可利用錨桿錨固作用來提高圍巖的抗剪能力；組合拱作用，通過巷道圍巖產(chǎn)生的壓縮帶來提升巷道外圍巖的壓力；圍巖強度強化作用，主要是提高錨桿錨固區(qū)間內(nèi)圍巖的殘余強度[3]。因此，錨桿支護效果很大程度上影響煤巷整體的穩(wěn)定性，本文就主要對比分析常規(guī)支護、強幫支護及強幫強角三種錨桿支護，圍巖應(yīng)力狀態(tài)的變化規(guī)律，進而強化圍巖的強度，提高礦井作業(yè)安全性。

1 不同錨桿支護方案

圍巖應(yīng)力是影響煤巷圍巖穩(wěn)定性的重要因素，不同的錨桿支護方案對圍巖應(yīng)力狀態(tài)作用也不同，本文設(shè)計的錨桿支護方案如下：

方案一：常規(guī)錨桿支護。即設(shè)計高強度的煤巷頂板，并作為控制的重點，選取大直徑螺紋鋼錨桿、錨索、搭配W 型鋼帶及金屬網(wǎng)聯(lián)合支護，而幫部則選取較短的圓鋼錨桿搭配W 鋼帶托盤進行錨桿支護，強度設(shè)計較低。

方案二：幫部錨桿支護。對于煤巷頂板支護采用常規(guī)支護，同于方案一；而幫部支護是采用左旋螺紋鋼錨桿、W 型鋼帶、錨索和金屬網(wǎng)共同聯(lián)合支護。

方案三：強幫強角錨桿支護。對于煤巷頂板支護是在方案二的原則上，將兩側(cè)角的錨桿外傾斜30°；對于幫部支護也是在方案二的原則上，將上側(cè)角錨桿上傾30°。此外，方案一、方案二和方案三的錨桿支護示意圖如圖1 所示。

圖1 煤巷不同錨桿支護示意圖（單位：mm）

2 不同錨桿支護方案對巷道圍巖應(yīng)力的影響

為了深入分析幫部和強幫強角錨桿支護后，對煤巷圍巖變形控制及其穩(wěn)定性的效果，本文主要對比分析上述三種方案，煤巷圍巖應(yīng)力的變化情況，其中，煤巷的埋深參數(shù)是400 m。

通過對距煤巷頂板中間距離20 mm、60 mm、100 mm 位置處，設(shè)置①②③監(jiān)測點監(jiān)測頂板煤層的豎向應(yīng)力，得到下頁圖2 所示的對比圖。從圖2 中可看出，對于方案二，三處監(jiān)測點的應(yīng)力值均提升顯著，對比方案一常規(guī)錨桿支護，①點處的應(yīng)力上升比例是48.8%；②點處的是42.0%；③點處的是18.1%，因此，幫部支護可顯著改善頂板圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。對于方案三，利用傾斜角部錨桿來提升角部支護強度，①點處的應(yīng)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點處的應(yīng)力值均顯著增大，相比于方案二，上升比例分別是20.7%和12.3%，相比于方案一，上升比例分別是71.4%和32.7%。

圖2 對比三種方案，頂板圍巖的豎向應(yīng)力變化曲線

井下煤巷開挖后，頂板圍巖近區(qū)的豎向應(yīng)力較小，穩(wěn)定性也比較低，所以，采用幫部錨桿支護，可加大幫部的承載力，進而有效緩解頂板的應(yīng)力狀態(tài)，達到頂板圍巖徑向應(yīng)力大幅增加的目的。同時，在上述基礎(chǔ)上，再傾斜一定角度的錨桿來提升角部支護，也同樣會使頂板深部圍巖的應(yīng)力大幅提升，而淺部圍巖應(yīng)力有所降低，表明強角錨桿支護對煤巷圍巖的穩(wěn)定性有很好的支護效果。

通過對距幫部表面距離是20 mm、60 mm、100 mm 處，設(shè)置④⑤⑥監(jiān)測點監(jiān)測幫部的豎向應(yīng)力，得到圖3 所示的對比圖。從圖中可明顯看出，對于方案二，幫部的豎向應(yīng)力整體減小，相比于方案一，④點處的豎向應(yīng)力下降33.2%；⑤點處下降20.6%；⑥點處下降12.9%。對于方案三，④和⑥點處的豎向應(yīng)力均顯著減小，相比于方案二，分別減小54.5%和14.0%；而⑤點處的應(yīng)力相比于方案二，上升20.9%，相比于方案一，減小4.0%。

圖3 對比三種方案，幫部圍巖的豎向應(yīng)力變化曲線

井下煤巷開挖后，圍巖會產(chǎn)生彈塑性變形，此時，巷道幫部產(chǎn)生的豎向應(yīng)力類似于切向應(yīng)力，形成應(yīng)力集中上升區(qū)，而此時對于較低的幫部圍巖力學(xué)性質(zhì)，會因到達極限強度而產(chǎn)生破壞，此外，因斷面形狀，角部也會產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而出現(xiàn)大變形破壞[4]，因此，采用強幫強角錨桿支護后，不僅有效緩解了應(yīng)力集中程度，且降低煤巷幫部和角部變形，有利于巷道圍巖的穩(wěn)定性。

通過對距底板表面20 mm 處，設(shè)置⑦監(jiān)測點監(jiān)測底板圍巖的豎向應(yīng)力，得到圖4 所示的對比圖。從圖中可看出，對于方案二幫部支護后，⑦點處的應(yīng)力值上升5.8%；對于方案三，⑦點處的應(yīng)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%。

圖4 對比三種方案，底板圍巖的豎向應(yīng)力變化曲線

同理，煤巷開挖后，煤巷底板圍巖表面受力狀態(tài)由原來的三向轉(zhuǎn)變?yōu)槎?，徑向?yīng)力很小。采用強幫強角錨桿支護后，不僅使底板的豎向應(yīng)力增大，有效緩解底板的受力狀態(tài)，且使底板的承載力增大，底板變形量也減小。

3 結(jié)論

對比分析常規(guī)支護、強幫支護及強幫強角三種錨桿支護，圍巖應(yīng)力狀態(tài)的變化規(guī)律，結(jié)論是：施加幫部和角部錨桿支護后，可有效改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，使頂板圍巖的徑向應(yīng)力大幅上升，同時，頂板的自身承載能力也提升；另外，煤巷幫部應(yīng)力集中上升區(qū)的應(yīng)力降低，可有效緩解應(yīng)力集中程度，使煤巷幫部和角部變形減小，有利于圍巖的穩(wěn)定性，表明強幫強角錨桿支護具有很好的支護效果。