不同幫錨桿參數(shù)對煤巷支護(hù)效果的影響研究

田建杰

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司東曲煤礦， 山西 太原 030200）

引言

錨桿支護(hù)為煤礦開采的主要支護(hù)構(gòu)件，通過合理設(shè)置錨桿，可使煤巷頂板和兩幫相互作用產(chǎn)生的錨固體形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)，這個承載結(jié)構(gòu)不僅可以承受自身重量，也可以承受因變形產(chǎn)生的壓力，從而限制外部圍巖的變形，達(dá)到有效支護(hù)外部圍巖的目的，進(jìn)而保證煤巷的穩(wěn)定[1]。在煤巷支護(hù)中，錨桿主要存在剪切和拉伸兩種作用形式，所以錨桿的支護(hù)機(jī)理為提高錨固體的剛度和支護(hù)強(qiáng)度以及峰值后強(qiáng)度[2]。錨桿支護(hù)的理論：一是懸吊作用，將錨桿體直接進(jìn)行擠壓并懸吊在老頂上，可避免煤層頂板出現(xiàn)離層脫落的現(xiàn)象；二是組合梁作用，利用錨桿的預(yù)應(yīng)力將原先相互獨立的巖層壓緊，不僅增大巖層間的摩擦力，且提升巖體的整體性；三是加固拱作用，在錨桿兩側(cè)可形成壓縮區(qū)，通過合理設(shè)置間距錨桿，使每個單體錨桿作用產(chǎn)生的壓縮區(qū)層層疊加，進(jìn)而形成一定厚度的均質(zhì)壓縮帶，可承載來自外圍的壓力[3]。通常，礦井煤巷多采用常規(guī)錨桿支護(hù)，即煤巷頂板設(shè)計高強(qiáng)度的支護(hù)，并作為控制的重點，而煤巷幫部設(shè)計的強(qiáng)度相比較低[4]。本文在上述支護(hù)的基礎(chǔ)上，提出強(qiáng)幫強(qiáng)角錨桿支護(hù)的方案，并進(jìn)一步分析不同幫錨桿橫截面積、幫錨桿長度及幫錨桿角度對煤巷支護(hù)效果的影響，制定合理的參數(shù)范圍，加強(qiáng)煤巷幫部和角部支護(hù)，從而大幅提高煤巷圍巖的安全性。

1 不同參數(shù)對煤巷支護(hù)效果的影響

本文采用強(qiáng)幫強(qiáng)角錨桿支護(hù)的設(shè)計方案是：煤巷頂板和幫部均采用大直徑螺紋鋼錨桿、錨索、搭配W 型鋼帶及金屬網(wǎng)共同聯(lián)合支護(hù)，其中頂錨桿直徑是Φ20 mm×2 200 mm，每排設(shè)置5 根錨桿，間排距是950 mm×1 350 mm；而幫部錨桿設(shè)計參數(shù)為：左旋螺紋鋼直徑是Φ20 mm×2 400 mm，兩幫各排均設(shè)置4 根錨桿，間排距同頂板，且最上面錨桿距離頂板是260 mm。另外，對于煤巷頂板支護(hù)，將頂板兩側(cè)角的錨桿傾斜向外30°，幫部也同樣將上側(cè)角錨桿傾斜向上一定角度，具體支護(hù)示意圖如圖1 所示。

圖1 強(qiáng)幫強(qiáng)角錨桿支護(hù)設(shè)計的示意圖（單位：mm）

在上述基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析不同幫錨桿橫截面積、幫錨桿長度及幫錨桿角度對煤巷支護(hù)效果的影響，達(dá)到有效控制煤巷幫部與頂?shù)装遄冃蔚哪康摹?/p>

1.1 不同幫錨桿橫截面積對煤巷支護(hù)效果的影響

選取不同幫錨桿直徑分別是16mm、18mm、20mm、22 mm 和24 mm，計算得到相對應(yīng)的幫錨桿橫截面積分別是2.0 cm2、2.5 cm2、3.1 cm2、3.8 cm2和4.5 cm2，分析不同幫錨桿橫截面積對煤巷支護(hù)效果的影響，得到下頁圖2 所示的圍巖位移變化圖。

從圖2 中可看出，幫錨桿橫截面積從2.0 cm2增大至4.5 cm2，即增加了124.9%后，煤巷頂板下沉量、左右?guī)臀灰屏恳约暗装逦灰屏繙p小比例分別是0.6%、3.3%、2.6%和0.4%，因此，對比可得出，隨著幫錨桿橫截面積的增大，對煤巷兩幫的變形影響顯著，很大程度上改善了頂?shù)装宓淖冃?，也就是說，幫錨桿橫截面積對煤巷兩幫位移量有比較明顯的影響，進(jìn)而能有效控制頂?shù)装宓淖冃巍?/p>

圖2 不同幫錨桿橫截面積對煤巷圍巖位移變化的影響曲線圖

1.2 不同幫錨桿長度對煤巷支護(hù)效果的影響

選取不同幫錨桿長度分別是1.6 m、1.8 m、2.0 m、2.2 m、2.4 m，分析不同錨桿長度對煤巷支護(hù)效果的影響，得到圖3 所示的圍巖位移變化圖。

圖3 不同幫錨桿長度對圍巖位移變化的影響曲線圖

從圖3 可以看出，幫錨桿長度從1.6 m 增大至2.4 m，即增加了50%后，煤巷頂板下沉量、左右?guī)臀灰屏恳约暗装逦灰屏繙p小比例分別是6.4%、11.0%、12.1%及5.8%，因此，對比可得出，隨著幫錨桿長度的增加，能夠有效地改善煤巷圍巖的變形，尤其是兩幫的變形量有大幅的降低，對頂板的變形也有所改善。因此，幫錨桿對煤巷兩幫位移量影響明顯，同時能夠顯著地控制頂?shù)装遄冃巍?/p>

1.3 不同幫錨桿角度對煤巷支護(hù)效果的影響

將幫部最上排錨桿傾斜向上一定的角度，實現(xiàn)煤巷強(qiáng)幫強(qiáng)角支護(hù)的目的，選取不同傾斜角度從0°增加至45°，每5°為一個變化區(qū)間，共10 種情形，得到圖4 所示的圍巖位移變化圖。

從圖4 可以明顯看出，幫部最上排錨桿傾斜向上的角度從0°增加至45°后，頂?shù)装逡约白笥規(guī)臀灰谱兓尸F(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，這表明此區(qū)間存在相對最優(yōu)的一個角度值。當(dāng)最上排幫錨桿角度從0°增大至20°后，頂板下沉量、右?guī)图暗装逦灰屏侩S著幫錨桿傾角的增大而逐漸減小，減小比例依次是1.6%、3.0%及0.6%；當(dāng)最上排幫錨桿角度從20°增大至45°后，頂板下沉量、右?guī)图暗装逦灰屏侩S著幫錨桿傾角的增大而逐漸增大。另外，對于左幫位移量，當(dāng)最上排幫錨桿角度從0°增大至25°后，其位移量隨著幫錨桿傾角的增大而逐漸減?。划?dāng)最上排幫錨桿角度從25°增大至45°后，其位移量隨著幫錨桿傾角的增大而逐漸增大。

圖4 不同幫錨桿傾斜角度對圍巖位移變化的影響曲線圖

因此，通過上述對比分析可知，將最上排幫錨桿傾斜向上一定角度后，即增加了豎向分力，可以有效增強(qiáng)煤巷角部的支護(hù)，對煤巷圍巖變形也有明顯的影響，且影響幅度從小到大依序是底板、頂板、右?guī)秃妥髱?，并且存在著相對較優(yōu)的一個角度值。

2 結(jié)論

為改善礦井巷道的應(yīng)力狀態(tài)，大幅提高煤巷圍巖的穩(wěn)定性，本文在強(qiáng)幫強(qiáng)角錨桿支護(hù)的研究基礎(chǔ)上，深入分析不同幫錨桿橫截面積、幫錨桿長度及幫錨桿角度對煤巷支護(hù)效果的影響，結(jié)論是：

1）幫錨桿橫截面積和長度對加強(qiáng)巷道幫部支護(hù)強(qiáng)度的作用依序增大，且增大了幫錨桿的直徑和長度，不僅可明顯減小幫部的收斂量，同時，對頂?shù)装遄冃瘟恳灿休^明顯的改善，有效改變煤巷圍巖的受力狀態(tài)。

2）幫錨桿傾斜向上的角度從從0°增加至45°后，頂?shù)装逡约白笥規(guī)臀灰谱兓尸F(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，其中當(dāng)幫錨桿角度是20°時，能夠有效控制煤巷圍巖的變形。