矿井巷道掘进中锚杆支护优化技术研究

李艳光

（晋能控股煤业集团有限公司四台矿， 山西 大同 037000）

引言

为实现矿井巷道的快速掘进，需要对掘进、支护、运输等工序进行合理的设计优化，使其相互间紧密衔接，降低劳动强度，提高工作效率，实现矿井开采的高产高效。在煤矿施工中，制约矿井巷道快速掘进的因素有煤矿地质状况、掘进挖掘设备、施工工艺、施工整体队伍及其管理、支护技术等，其中锚杆支护的工作量占整个矿井巷道掘进工作量的50%以上，是影响掘进效率的关键因素[1]。而锚杆支护中锚杆对巷道岩体具有很强的加固作用，表现在：一是锚杆与巷道围岩岩体黏结成整体，使岩体的抵抗变形水平明显提高，围岩整体的完整性也加强；二是借助于锚杆的抗拉能力，当锚杆穿过破碎围岩注入稳固的岩体时，对不稳固岩层发挥着悬吊作用；三是借助于锚杆的抗剪切能力，对围岩离层起到阻碍水平，深入阻止岩层产生相对位移，各岩层间起到组合梁作用；四是借助于锚杆的支护作用形成有效的三向作用应力，有效改变边界处围岩岩体的受力状况，提高岩体的整体承载能力，起到锚杆与岩体共同增强的作用[2]。由于锚杆支护对矿井巷道具有很强的锚固作用，优化锚杆支护技术可有效提高巷道掘进的效率，本文对比研究端部锚固式锚杆和全长锚固式锚杆支护技术下，巷道围岩的变形情况，引出全长锚固式锚杆支护优化技术，锚固力值大、锚固效果好。

1 锚杆支护技术

锚杆是加固矿井巷道围岩岩体的体系结构，其中锚杆的锚固区内长度对保护矿井巷道岩体发挥着决定性的作用。锚杆支护技术按照锚固区内长度分为端部锚固式锚杆支护、全长锚固式锚杆支护和加长锚固式锚杆支护三种，其中端部锚固式锚杆的锚固区内长度为打孔全长的1/3；全长锚固式锚杆的锚固区内长度为打孔全长的90%以上；加长锚固式锚杆的锚固区内长度位于以上两者之中。

端部锚固式锚杆支护技术增强巷道围岩是借助于施加给杆体的预紧力后出现的拉伸力，挤压巷道围岩，来提高巷道围岩的强度和稳定性，降低巷道围岩的变形，此技术对锚固点有着较高的要求，适用于矿井巷道围岩稳定、构造完整且掘进开挖对巷道影响小的煤矿中。

全长锚固式锚杆支护是在锚杆安装初期，未出现位移的围岩不能与锚固区内的锚固体相互摩擦作用，不产生锚固作用；当围岩出现变形，或者是锚杆和巷道围岩间出现位移时，此时锚杆产生的剪应力不仅能约束围岩，且能阻止围岩的横向变形，减小围岩变形量，支护效果显著[3]。

2 不同锚固区内长度锚杆的受力分析研究

锚杆支护作用下产生的锚固力为锚固段与矿井巷道岩体相互作用形成的力，作用的锚固力值越高，锚固支护效果就越好[4]。本文以某矿为例，对于研究在端部锚固和全长锚固下，矿井巷道围岩的变形情况，得到下页图1 和图2 所示的曲线图。

在矿井巷道早期施工中，围岩出现变形最先是在矿井巷道的最表层，随后持续向巷道围岩内部进行扩展延伸。当采用锚杆支护技术注入锚杆，锚杆可与巷道围岩整体作用形成锚固体。对于端部锚杆式锚固，伴随矿井围岩的破碎变化，其锚固力由慢慢的增阻后逐渐衰减；对于全长锚杆式锚固，其锚固力先快速增阻上升转为平缓，最后衰减，其中全长锚固式锚杆与矿井巷道围岩的变化规律为：注入锚杆后，伴随矿井巷道围岩的变形，出现荷载最先增大的位置在锚杆的尾部，同时，锚杆体产生的最大轴力点由锚杆尾部的位置转移至锚杆中部的位置，当巷道围岩进一步出现变形，载荷在锚杆的端部也快速增大。对比图1 和图2 可知，全长锚杆式锚固体在矿井巷道围岩持续的变形中，锚杆增阻速度较快，达到2 kN/mm，具有较大的径向锚固力值，比图1 端部锚杆产生的锚固力值大3 倍。综合可得出，全长锚杆式锚固施加围压给锚固体后，巷道掘进引起的围岩位移量仅为图1 端部锚杆支护的1/2～1/3 之间，支护效果好。

在矿井巷道掘进影响降低后，围岩处于近似稳定的状态。图1 中，在巷道围岩流变期间，端部产生的锚固力值逐渐衰减，其为残余锚固力，已无法约束围岩的流变变形；图2 中，全长锚固式锚杆产生的锚固力值在矿井巷道掘进时快速达到较大值，当巷道围岩稳定后，锚杆所受的最大轴力值到达峰值，基本接近锚杆体的屈服强度，并恒定在一个稳定的区间，实际产生的锚固力值达到90 kN 左右，是端部锚杆产生的锚固力峰值的2～3 倍。此时，全长锚杆支护后对于锚固区内的破碎、软弱围岩重新具有承载能力，可有效抑制深部巷道围岩变形，围岩流变变形的速率约仅为端部锚杆的1/3。

图1 端部锚固锚杆支护下锚杆受力变化规律

图2 全长锚固锚杆支护下锚杆受力变化规律

在矿井巷道掘进回采期间，由于受到围岩的剧烈干扰，变形快速加大，不断向巷道岩体的深部延伸。此时，对于端部锚固，大部分锚杆已失效或仅存一点点残余的锚固力，已无法控制巷道围岩发生变形。而对于全长锚杆支护，其系统的位移量一般在300 mm 左右，如果超出这个位移量，锚杆产生的锁紧作用就失效，伴随巷道围岩的变形和锚固区内锚固体体破坏程度的加剧，锚杆产生的锚固力开始衰减，出现残余锚固力的情形，部分锚杆开始失去作用。

对比综合可知，全长锚固式锚杆支护技术能使锚杆锚固区内形成稳定的承载体，约束矿井巷道围岩深部的破坏和位移，有效控制矿井巷道下围岩的变形，支护效果显著。

3 结论

1）巷道掘进初期，全长锚固式锚杆支护增阻速度快，径向锚固力值较大，且比端部锚杆产生的锚固力值大3 倍，支护效果显著；

2）巷道掘进围岩稳定时，全长锚固式锚杆支护产生的最大锚固力值达到了90 kN 左右，是端部锚杆产生的锚固力峰值的2～3 倍，支护效果显著；

3）全长锚固式锚杆支护技术能使锚杆锚固区内形成稳定的承载体，有效控制矿井巷道下围岩的变形，支护效果明显优于端部锚固式锚杆支护。