巷道中錨桿支護(hù)技術(shù)的對比分析研究

朱旭達(dá)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四臺礦，山西 大同 037000）

引言

錨桿支護(hù)是目前煤礦巷道常用的一種主動支護(hù)方式[1]，不僅可以及時加固巷道圍巖，還可提高圍巖的強(qiáng)度，支護(hù)成本低、支護(hù)效果好，能夠有效實(shí)現(xiàn)礦井綜采的高產(chǎn)高效[2]。錨桿支護(hù)理論有以下幾種：懸吊理論是通過錨桿將易破壞的巖層固定在不易破碎巖層的下方；減跨理論是通過注入錨桿不僅可以改變跨距[3]，還可使變形的難度增加；組合梁理論，注入錨桿使層間距離縮短，并使各層形成一個整體，當(dāng)應(yīng)力作用至巖層時，層間會產(chǎn)生整體彎曲變形，使變形的難度增加[4]；壓縮拱理論，注入錨桿后可用來加固巖層，改變應(yīng)力狀態(tài)，增大變形的難度；楔固理論，通過注入錨桿，用來避免巖石沿薄弱面移動而產(chǎn)生破壞，提高其穩(wěn)定性[5]；最大水平應(yīng)力理論，水平應(yīng)力在巷道中發(fā)揮著重要作用，決定著頂?shù)装宓淖冃吻闆r；錨桿桁架支護(hù)原理，改變頂板的受力狀況，使部分受拉應(yīng)力轉(zhuǎn)為受壓應(yīng)力，形成頂板裂隙體梁[6]?；阱^桿支護(hù)作用機(jī)理，本文在分析常規(guī)錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上，引入強(qiáng)幫強(qiáng)角錨桿支護(hù)[7]的設(shè)計(jì)理念，旨在加強(qiáng)幫錨桿的支護(hù)，形成強(qiáng)幫護(hù)頂?shù)淖饔脵C(jī)制，進(jìn)而保證巷道的穩(wěn)定性。

1 強(qiáng)幫強(qiáng)角錨桿支護(hù)技術(shù)

強(qiáng)幫強(qiáng)角錨桿支護(hù)方法，可通過加大錨桿或幫錨索的長度、直徑或者增加幫錨桿或幫錨索的密度等方式，提高巷道圍巖幫部的強(qiáng)度和剛度，達(dá)到強(qiáng)幫的目的[8]；同時將最上層、最下層的幫錨桿或幫錨索分別向上、向下傾斜一定角度，兩側(cè)頂錨桿或頂錨索也向巷道外側(cè)傾斜一定的角度，其中角度大小值是根據(jù)實(shí)際煤層和巖層條件采用巖體強(qiáng)度理論模擬計(jì)算確定的，來提高巷道角部的強(qiáng)度和剛度[9]，達(dá)到強(qiáng)角的目的；最終達(dá)到強(qiáng)幫強(qiáng)角的支護(hù)目的，不僅可改善圍巖的受力狀態(tài)，還可使巷道變形量和極限平衡區(qū)顯著減小[10]，保證巷道的穩(wěn)定。

2 錨桿支護(hù)技術(shù)的對比分析

本文以某礦為研究對象，巷道斷面為梯形斷面，寬度為4.5 m，低幫高2.8 m，高幫高3.5 m，斷面面積為14.18 m2，巷道中原采用的錨桿支護(hù)方案為錨桿配合錨索、金屬網(wǎng)和W 型鋼帶聯(lián)合支護(hù)形式。

對于頂板錨桿支護(hù)：錨桿選用規(guī)格為Φ20 mm×2 200 mm 的螺紋鋼，并矩形設(shè)置，間排距為780 mm、1 000 mm，兩端布置成與水平方向成75°角錨桿，其余頂錨桿與頂板垂直布置，且每根錨桿選用兩支Z2355 和CK2355 的錨固劑；錨索選用規(guī)格為Φ17.8 mm×5 000 mm，三花布置，第一排距巷幫300 m 布置2 根角錨索，且與水平方向成75°角，第二排在巷中布置1 根錨索，排距為2 000 mm，且與頂板垂直，每根錨索選用兩支K2355 和CK2355 的錨固劑。此外，采用規(guī)格為4 200 mm×275 mm×3 mm 的W 鋼帶聯(lián)接，并鋪設(shè)金屬網(wǎng)。

對于幫部錨桿支護(hù)：錨桿選用規(guī)格為Φ16 mm×1 800 mm 的圓鋼，且與巷幫垂直布置，上排錨桿距頂板距離為500 mm，間排距為900 mm、1 000 mm，右?guī)偷蛶筒贾? 根，左幫高幫布置4 根，其中每根幫錨桿均采用一支K3537 的錨固劑。巷道支護(hù)斷面示意圖如圖1 所示。

圖1 巷道錨桿支護(hù)斷面示意圖

為確定巷道采用錨桿支護(hù)后的控制效果，本文將監(jiān)測斷面設(shè)置在進(jìn)深1 m 處的位置，得到巷道1 m 位置處斷面的最終位移變形量大小為：頂板豎向位移最大值為6.09 cm；底板豎向最大值為4.14 cm；左幫高幫水平最大值為9.47 cm；右?guī)偷蛶退阶畲笾禐?.56 cm。其中，監(jiān)測進(jìn)深1 m 斷面的水平和豎向位移云圖如圖2 所示。

圖2 巷道支護(hù)后的位移（m）監(jiān)測斷面云圖

從圖2 中可看出，頂?shù)装搴蛢蓭统霈F(xiàn)位移最大區(qū)域均在中部的位置，且巷道角部的變形量大小也比較大，因此，需要加強(qiáng)角部支護(hù)強(qiáng)度。此外，相比于頂板位移變形量，兩幫的變形量也比較大。所以，綜上分析可知，采用上述錨桿支護(hù)后，巷道兩幫和角部的變形量均比較大，支部效果差，需對錨桿支護(hù)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

3 錨桿支護(hù)技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

通過對原錨桿支護(hù)后的巷道圍巖變形量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)錨桿支護(hù)方案存在很大的優(yōu)化空間，本文又引入強(qiáng)幫強(qiáng)角的支護(hù)技術(shù)對巷道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體支護(hù)方案為：對于頂板錨桿支護(hù)方案，除錨桿規(guī)格選用Φ22 mm×2 200 mm，其余參數(shù)均同于原支護(hù)方案；對于幫部支護(hù)方案，幫部錨桿也同樣選用規(guī)格是Φ22 mm×2 200 mm 的左螺旋紋鋼，且兩幫最上排錨桿向上傾斜15°角，間排距為900 mm、1 000 mm，右?guī)偷蛶筒贾? 根，左幫高幫布置4 根。此外鉆孔選用規(guī)格為Φ28 mm，并采用兩支Z2355 和CK2355 的錨固劑。強(qiáng)幫強(qiáng)角錨桿支護(hù)斷面示意圖如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化后的巷道錨桿支護(hù)斷面示意圖

同樣，對進(jìn)深1 m 的巷道斷面進(jìn)行監(jiān)測，得到優(yōu)化后巷道頂板最大下沉量為5.32 cm，底板最大上鼓量為3.80 cm，左幫最大水平位移為7.89 cm，右?guī)妥畲笏轿灰茷?.07 cm；相比于原錨桿支護(hù)方案，頂板最大下沉量變化幅度是-12.65%，底板最大上鼓量變化幅度是-8.14%，左幫最大水平位移變化幅度是-16.65%；右?guī)妥畲笏轿灰谱兓仁?15.64%。對比可知，采用強(qiáng)幫強(qiáng)角的錨桿支護(hù)優(yōu)化方案后，巷道變形量大幅降低，同時，還極大地提高了巷道的穩(wěn)定性。

為進(jìn)一步驗(yàn)證錨桿支護(hù)技術(shù)優(yōu)化后巷道的支護(hù)效果，本文對監(jiān)測斷面的豎向和水平位移進(jìn)行分析，得到圖4 所示的位移云圖。

圖4 優(yōu)化后的巷道位移（m）監(jiān)測斷面云圖

對比圖2 和圖4 可以看出，增大錨桿的長度和直徑，相當(dāng)于增大了兩幫幫部錨桿的錨固深度和錨固長度，加強(qiáng)了幫部錨桿支護(hù)強(qiáng)度；同時將幫部最上排錨桿向上傾斜15°角，加強(qiáng)了巷道角部支護(hù)效果，因此，對比可看出，強(qiáng)幫可以達(dá)到強(qiáng)頂?shù)闹ёo(hù)效果，巷道圍巖的變形明顯減小；強(qiáng)角可以改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，使巷道圍巖的變形減小。所以，綜上分析可知，加強(qiáng)巷道幫部和角部支護(hù)強(qiáng)度，可以控制巷道的變形，進(jìn)而保證了巷道的安全性。

4 結(jié)語

本文以某礦為研究對象，對巷道進(jìn)行初步錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)后，發(fā)現(xiàn)巷道兩幫和角部的位移變形量均比較大，表明支護(hù)效果差。在上述基礎(chǔ)上，引入強(qiáng)幫強(qiáng)角錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方案，并對支護(hù)后的巷道位移進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果表明：通過增大錨桿的長度和直徑，同時將幫部最上排錨桿傾斜一定角度，不僅可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)幫達(dá)到強(qiáng)頂?shù)闹ёo(hù)效果，且改善了圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，控制了巷道的變形，保證了巷道的安全性。