浅析煤矿不稳定巷道条件下锚杆支护参数的合理选择

摘 要：巷道支护稳定性影响因素、支护机理及支护参数选择与确定原则等。

关键词：不稳定巷道；支护参数；合理选择

中图分类号：TD353文献标识码： A 文章编号：

在煤矿井下巷道的支护过程中，其方法对掘进速度、支护材料消耗、支护成本和采面的端头支护等都有直接的影响。随着采掘机械化水平的不断提高，采准巷道断面的不断加大，更需要改善和简化巷道与端头的支护工艺。在实践中，锚喷支护在岩巷中表征着良好的力学特征，实现了悬吊组合梁和楔固机理，有效地加固顶板岩层，保持了巷道顶板的完整性，使顶板处于良好的受力状态，有效控制了顶板的自由变形。现实中，往往由于多种客观因素的影响，大多数的矿井都不能根据不同类别的巷道特征，及时选用相应的支护参数与工艺，以致于影响巷道的服务周期、安全性和经济性。因此，在巷道的支护过程中，很有必要进一步研究合理的支护参数，以正确指导巷道的合理设计与施工，保障巷道的稳定性和合理的施工成本。

一、巷道地质概况

在我们单位及周围矿井中，不少支护巷道都处在泥岩层中或边缘处。这些层位的泥岩特性为：呈灰黑色，节理发育，层理不清，性脆致密，呈块状，具鲕粒结构，稳定性差，吸水易变软和膨胀。巷道围岩岩性较差，且受到淋水的作用，从而岩体局部较软，承载能力较低。它对巷道的后期稳定性造成了极大的影响， 属于稳定性较差或不稳定巷道。这种条件下，如采用刚性金属支架支护，其成本高，施工难度也大，且承载能力不足以抵抗回采引起动压的互动作用，所以应考虑采用主动支护方式，并选用合理的锚喷联合支护结构和参数，以充分调动围岩本身作为支护结构的组成部分，共同来承受动压的作用，实现稳定支护。

二、支护基本机理

巷道支护参数的合理性，与确定参数的理论依据有关，同时还与巷道的稳定性有关。通过工程测试可知，作为“新奥法”的核心内容，是确定巷道支护形式、参数、时间的一个重要依据。对于锚杆支护系统，其理论基础可参照“围岩松动圈巷道支护理论”进行。因为该理论在处理采动巷道支护时有两个设计思想：一是未受采动影响时，以最小松动圈LPO为依据进行支护设计，支护体在受采动影响维护正常，可用液压或摩擦支柱超前维护；二是以采动影响期间的最大松动圈LPd为依据，所设计的支护体在采动支承压力作用期间也能实现正常维护。

影响岩巷稳定性的主要因素有：岩性或岩层层位构造应力、围绕裂隙发育程度和动压等。根据其理论，对岩石巷道围岩松动深度范围进行实测和支护现状分析，并可采用“BA-Ⅱ型围岩松动圈测试仪”进行松动圈测试。通过对某巷道的实测，其原岩整体性好，波速较高(均大于3.5×103m/s)。经受采动压力影响后的围岩，其松动圈内的岩体裂隙发育显著，整体性明显较差，波速较低，松动圈大部分达到1.0m甚至1.6m以上，且有因孔深不足而未测出其实际松动范围，可能会更大。所以，这种巷道被划分为不稳定巷道。

三、支护参数选择与确定原则

岩体抗压强度、材料特性、引发应力的大小和分布，以及巷道的允许变形程度和服务年限，巷道尺寸和形状等条件，都决定于锚杆支护系统的合理设计问题。对此，支护设计要以“新奥法”的施工思想为指导，并根据施工地质条件不同，来选择不同的支护参数。简而言之，锚杆支护系统设计和支护参数的确定，主要也就是指锚杆类型、间排距、长度、直径、锚固力。只有合理确定锚杆支护参数，才能获得锚杆支护在技术和经济上的最佳效果。针对谈到的此例地质情况，在巷道支护参数具体设计时，可采用理论公式计算结合工程类比法来确定之。

1）断面形状确定。采用离散元数值分析法，对巷道矿压显现特征进行数值模拟分析得出的结论：在巷道顶部基本形成一个近似半园形的卸载松动区，根据锚杆支护能使塑性破坏后松动的煤体形成具有一定承载能力，且在一定范围内适应围岩变形的平衡拱这一原理，巷道断面选用直墙半园拱形断面时为最好。这样再根据设备布置、生产能力和通风要求，确定锚网支护条件下巷道断面具体尺寸。

2）锚杆长度。锚杆安设在顶板中，被锚固的岩层不厚，上面并有老顶时，锚杆的长度只要使其锚固部分固定在老顶内即可，也就说L≥200～300mm。按单体锚杆悬吊理论，计算锚杆长度如下：L=L2+m+L1，式中L2为锚杆顶部进入老顶的长度（mm）；m为锚固岩层厚度（mm）；L1为锚杆露出孔外长度（mm）。

①L2长度：根据杆体设计抗拉强度等于锚固端部的粘结力这一等量关系（πd2σ拉/4=πdL2τ粘），推导出L2=dσ拉/4τ粘。此式中：d为锚杆直径（mm）；σ拉为锚杆杆体材料设计抗拉强度（MPa）；σ粘为锚杆与砂桨的粘结强度（螺纹钢时，取σ粘=5.0MPa）。

②锚固岩层厚度（m）：按冒落拱高度的k倍计算，其公式为：m =kb，式中k 为安全系数（取1.3～1.5）；b为自然冒落拱高（b=B/2F，cm）；B为巷道掘进宽度（cm）；F为岩石坚固性系数。

③锚杆露出孔外长度（L1）：L1=托板厚+螺帽厚+螺帽外露出长度。巷道全部在岩体中掘进时，支护的重点应放在顶部，即顶部锚杆锚固长0.7m，两帮0.25m，这样顶锚杆长2.2m，两帮为1.8m。

3）锚杆间排距。在一般情况下，锚杆支护的布置一般呈正方形，即锚杆间距等于锚杆排距。根据锚杆悬吊作用理论，公式为：a =0.887d（σ粘/ kmγ）½，式中：γ为岩石密度（2.5kg/cm2）；k为安全系数（取2）；a为锚杆间距（mm）；m为锚固层厚（取1.1m）；d为锚杆直径（mm）；σ拉为杆体材料设计抗拉强度（取 38×103kg/cm2）。根据上例参数，计算得：a=b=1179mm。考虑到此类巷道围岩岩体强度低，且要受到动压作用，所以适当加大组合拱厚度，降低应力集中值，这样可减少锚杆间排距。

4）锚杆直径。对各种锚杆的锚固力，须与杆体本身的抗拉强度相适应，即锚杆的实际锚固力要大于或等于杆体抗拉极限，如此才能充分发挥锚杆材料的作用。所以，锚杆体的直径可按杆体的抗拉力等于锚杆实际的锚固力的原则确定。计算公式为:P拉=（π/4）d2σ,由P拉=Q固,可得d=1.13（Q固/σ拉）½，式中P拉为锚杆杆体材料的抗拉力(kN)；σ拉为锚杆杆体材料的设计抗拉强度；Q固为锚杆的锚固力；d 为锚杆的直径。

在本例计算中，d=14.2mm。由于这类巷道变形较大，很多锚杆锚固力低，并易失效，可将其锚固力提高到60kN，此时d=d+2=16.2mm，可取d=16mm。

5）锚杆类型。为了节约材质，并增强锚杆丝头强度，可用滚丝方式加工的等强度锚杆，并与之匹配采用Φ16mm的加厚螺母来进行外端托盘加固。

四、结论

由于不稳定巷道经掘进后的应力重新分布，其压力稳定、采动影响等不同阶段，必须经矿压观测，依此判断巷道稳定性，确保巷道各变形量满足设计。主要为以下几点：①巷道围岩表面位移观测。②顶板离层观测。③锚杆受力状况观测。④松动圈测试。

经合理的支护参数技术研究，分析不稳定巷道的破坏机理和确定松动范围为依据，可对不稳定巷道采用以锚喷支护方式为主设计支护体系，设计不稳定巷道的合理支护结构。在锚喷支护的基础上，可采用内注浆锚杆进行注浆加固，保证施工后静压下的稳定，不需返修，两帮及顶底移近量不超过一定值。在动压作用下，也能保证巷道的局部稳定，其两帮及顶底移近量也不超标。

参考文献：

[1]岳翰,等.井巷锚杆及锚喷支护技术[M].太原:山西出版社,1982.

[2]董方庭,等.巷道围岩松动圈支护理论[J].煤炭学报,1994,19(1):21-32.