锚杆技术在软岩巷道支护中的应用与可靠性分析

郑金平，陈全秋

（1.太原理工大学，山西 太原 030002；2.三元中能煤业有限公司，山西 长治 046000）

锚杆技术在软岩巷道支护中的应用与可靠性分析

郑金平1，陈全秋2

（1.太原理工大学，山西 太原 030002；2.三元中能煤业有限公司，山西 长治 046000）

经过对三元中能煤业巷道的锚杆支护方案设计，得出相应支护参数，并用数值模拟和现场试验，分析了支护体系的安全可靠性，达到了理想的支护效果，可为类似煤层地质状况的支护设计提供一定参考。

锚杆支护技术；应力分布；可靠性分析

随着煤矿巷道支护工程实践的发展，适用于不同条件的支护理论逐步得到完善。目前，锚杆支护技术虽已广泛应用，但在软岩巷道支护方面还存在着一些不确定性；本文借用三元中能煤业矿井为设计实例，阐述软岩巷道采用锚杆支护的设计方法及可靠性分析[1-4]。

1 矿区地质概况

三元中能煤业矿井位于沁水煤田，地处太行山脉中段西侧、山西上党盆地西部，矿井为全隐覆井田，设计生产能力240万t/a，低瓦斯矿井。主采3号煤层，埋藏深度500 m左右，煤层平均厚度5.08 m。距煤层底板0.6 m处多有一层较为稳定的夹矸，其厚度0.15 m～0.40 m、平均0.28 m，其岩性一般为泥岩或炭质泥岩。煤层顶板影响范围内一般为砂质泥岩、泥岩或粉砂岩，局部为不同粒级的砂岩。直接顶板为砂质泥岩、泥岩、局部为粉砂岩，厚0.86 m～9.35 m，岩性变化较大。

2 锚杆支护设计方案

目前，国内外锚杆支护设计的许多方法，尽管有一定的指导性，但均存在着不全面性，而且设计是独立的，它与工程施工存在着脱节现象[5]。本文采用Information Method锚杆支护设计方法，收集工程本身提供的和通过测试、地质力学评估提供的有关工程信息，运用锚杆支护理论，采用全过程动态分析手段，进行锚杆支护的跟踪设计。期望彻底解决传统设计方法存在的问题，使其具有动态性、真实性、理论性、可操作性等功能，将工程地质、支护理论、现场施工与观测融于整个设计当中，应是目前较为科学的设计方法之一。

（1）设计过程：支护设计前，对工程所处的围岩特性、地层应力、地质力学围岩类别进行测试、实验、分类，提供设计所需的全部信息资料。在此基础上，利用支护理论和设计方法进行初始设计，确定支护参数；施工过程中利用监测仪器进行锚杆受力测试和围岩位移、离层、收敛等变形监测；根据监测结果进行分析验证初始设计质量，并进行进一步的修正设计参数，以使设计完全符合工程实际情况；最终达到设计正确、参数合理、经济高效的目的。

（2）支护参数确定：三元中能煤业3号煤层埋藏深度约500 m，顶、底板以层状泥岩、砂岩为主，巷道断面4.0 m×3.2 m，沿底板掘进。由岩层分布状况可知，巷道两帮岩性较顶、底板软弱，且两帮与顶、底间的层理强度较低，易发生两帮煤体沿层理向巷道空间挤出，产生松动、劈裂破坏；所以通过有限元数值计算，对煤壁破坏区范围进行模拟。煤壁破坏区范围运用库仑—摩尔准则确定：式中：σ1为最大主应力；σ3为最小主应力；φ为内摩擦角；σc为岩石单轴抗压强度；c为粘结力。

库仑—摩尔准则安全系数定义为：

根据库仑—摩尔准则运用有限元数值模拟。取SFmin=1.2，通过以上分析确定模拟方案得出如下支护参数：顶部5根锚杆，锚杆间距0.85 m，长度为2.4 m，设计锚固力为10 t；帮3根锚杆，长度1.8 m，间距为1.0m，设计锚固力6t。锚杆分布方案，见图1。

3 可靠性分析

图1 巷道锚杆布置断面图

根据现场实际情况，对方案确定的参数进行数值模拟，巷道无支护和使用锚杆支护之后进行对比，见图2-图7。

图2 无支护下巷道围岩水平应力分布图

图4 无支护下巷道围岩垂直应力分布图

图5 锚固巷道围岩垂直应力分布

图6 无支护下巷道围岩剪应力分布图

图7 锚固巷道围岩剪应力分布图

可知：在无支护对比锚固之后，软岩巷道应力分布发生了很大变化，锚固能有效地抑制巷道变形。根据现场实地试验和长期观测，到达预期效果，充分说明锚杆支护设计确定的方案和支护参数是合理的，现场应用是安全可靠的。

4 结束语

通过Information Method锚杆支护设计方法和数值模拟确定的锚杆支护方案和参数是正确的，在软岩巷道支护方面是合理的，所定参数将为煤矿巷道支护设计和施工提供了一定的理论依据和实践参考。

[1]钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[2]杨永亮，孔祥义，王君烨.软岩巷道支护技术研究与应用[J],煤炭技术,2009,28(2):154-156.

[3]杨德传.煤巷锚杆支护应用现状研究理论及当前研究重点[J].煤矿开采,2005,10(6):13-34.

[4]赵卫东，张再兴.喷锚网支护原理及应用实践[J].有色金属：矿山部分，2010,62（2）：17-19.

[5]李刚，梁冰，张国华.高应力软岩巷道变形特征及其支护参数设计[J].采矿与安全工程学报,2009,26(2):183-186.

Application and Reliability Analysis of Anchoring Support for Soft Rock Roadways

ZHENG Jin-ping1,CHEN Quan-qiu2
(1.Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030002;2.Sanyuan China Energy Coal Industry Co.,Changzhi Shanxi 046000)

By the analysis on anchoring support plan in Sanyuan China Energy Coal Industry Co.,corresponding supporting parameters were achieved.The numerical simulation and field tests were used to study its reliability.The results showed the ideal effect and the study could offer some reference for the supporting design in the similar geological condition.

anchoring support technology;stress distribution;reliability analysis

TD353

A

1672-5050（2012）02-0068-03

2011-11-20

郑金平（1981—），男，山西吕梁人，在读工程硕士，助理工程师，从事煤炭生产技术管理工作。

徐树文