煤矿巷道锚杆支护设计应用研究

摘 要：巷道支护是煤矿安全生产的重要保证，我国煤矿以井工开采为主，需要在井下开掘大量巷道，而且80%以上是煤巷、半煤岩巷，或为松软破碎围岩巷，或为遇水软化膨胀围岩巷。确保巷道的安全、快速掘进，确保巷道使用期间的畅通、与围岩稳定，确保巷道的支护与维护成本较低等，是建设安全高效矿井的一项重要工作，具有重要意义。

关键词：锚杆支护;顶板离层量;地应力

1 锚杆支护技术的主要特点

十分重视巷道围岩地质力学参数的测试，对支护对象有比较清楚地了解。在锚杆支护设计前，要进行全面、详细的地应力、围岩强度和围岩结构面力学特征的测量，分析巷道应力场分布特征，巷道围岩变形破坏的主要影响因素。这是锚杆支护成功的必要前提。地质力学评估—初始支护设计—井下施工与监测—信息反馈与修改设计—日常监测”的设计方法。这种方法符合煤矿巷道地质条件复杂性与多变性的特点。锚杆支护监测仪器与技术保证了巷道安全。开发出顶板离层指示仪、声波多点位移计、测力锚杆等监测锚杆支护巷道围岩变形、离层、支护体受力的仪器，及时、准确地监测围岩稳定性与支护状况，确保巷道的安全。

2 锚杆支护理论

2.1最大水平应力理论

地应力测量结果表明，在很多情况下岩层中的水平应力大于垂直应力，而且水平应力具有明显的方向性（构造应力）;最大水平主应力明显高于最小水平主应力，这种趋势在浅部矿井尤为明显。水平应力对巷道围岩的稳定性有较大的影响。

通过现场观测与数值模拟分析，得出水平應力对巷道围岩变形与稳定性的作用（见图）。他认为，巷道顶底板变形与稳定性主要受水平应力的影响：当巷道轴线与最大水平主应力平行，巷道受水平应力的影响最小，有利于顶底板稳定;当巷道轴线与最大水平主应力垂直，巷道受水平应力的影响最大，顶底板稳定性最差;当两者呈一定夹角时，巷道一侧会出现水平应力集中，顶底板的变形与破坏会偏向巷道的一帮。

在最大水平应力作用下，顶底板岩层会发生剪切破坏，出现松动与错动，导致岩层膨胀、变形。锚杆的作用是抑制岩层沿锚杆轴向的膨胀和垂直于轴向的剪切错动，因此，要求锚杆强度大、刚度大、抗剪能力强。这也正是锚杆支护技术特别强调高强度、全长锚固的原因。

2.2 悬吊理论

锚杆支护的作用是将顶板下部不稳定的岩层悬吊在上部稳定的岩层上。是最早的锚杆支护理论，具有直观、易懂及使用方便等特点。在顶板上部有稳定岩层，而其下部存在松散、破碎岩层的条件下（图a），这种支护理论应用比较广泛。在比较软弱的围岩中，巷道开掘后应力重新分布，出现松动破碎区，在其上部形成自然平衡拱，锚杆支护的作用是将下部松动破碎的岩层悬吊在自然平衡拱上 （图b）。

3 锚杆支护设计

3.1理论计算法

理论计算法：基于某种锚杆支护理论，如悬吊理论、组合梁理论及加固拱理论，计算得出锚杆支护参数。由于各种支护理论都存在着一定的局限性和适用条件，而且很难比较准确、可靠地确定计算所需的一些参数。因此，依据理论计算所作的设计结果很多情况下只能作为参考。悬吊理论认为锚杆的作用是将下部不稳定的岩层悬吊在上部稳定的岩层中，阻止软弱破碎岩层垮落。悬吊理论只考虑了锚杆的被动抗拉作用，根据不稳定岩层厚度计算锚杆长度，根据锚杆悬吊的不稳定岩层重量计算锚杆直径和间排距。

①锚杆长度： 锚杆长度计算：L=L1+L2+L3

式中 L —锚杆长度，m;L1—锚杆外露长度，取决于锚杆类型与锚固方式，一般取0.15m;L2—锚杆有效长度，不小于不稳定岩层的厚度，m;L3—锚杆锚固长度，端部锚固一般取0.3～0.4m。

②锚杆锚固力与直径：锚杆锚固力应不小于被悬吊不稳定岩层的重量： Q=KL2a1a2γ式中Q—锚杆锚固力，MN;K—安全系数，一般取1.5—2;a1，a2—锚杆间排距，m;γ—岩层平均重力密度，MN/m3。

如果锚杆锚固力与杆体的破断力相等，则锚杆直径为：

式中 d—锚杆直径，m;σ1—杆体材料的抗拉强度，MPa。

3.2数值模拟计算法

数值模拟计算法：数值计算常用的方法有：有限元法，离散元法、边界元法和有限差分法。 有限元法、有限差分法、边界元法等数值方法是建立在连续性假设基础上的。而煤岩体形态和结构呈强烈的非连续性，煤岩块体的运动和受力为几何或材料非线性，用连续介质力学进行求解是不适合的。离散元法充分考虑结构的不连续性，适用于解决节理化岩石力学问题。

4 离层量监测

4.1 巷道顶板离层量

巷道顶板离层量不仅受巷道围岩力学性质的影响，而且在巷道受采动影响前后顶板离层临界值的变化较大，说明巷道顶板离层量受采动影响较大。对于锚杆支护的巷道，巷道顶板的离层一般不易被人察觉，但其潜在的危害极大，且当离层量达到临界值时，下部岩层就有冒落的危险。应用以上理论计算煤层巷道顶板离层临界值，在初步建立锚杆支护巷道顶板离层临界值计算的理论依据方面做了大胆尝试，对预报和预防顶板事故，指导安全生产具有重大意义。

4.2 顶板失稳离层界限值

顶板离层界限是指锚杆支护巷道在正常使用的情况下所允许的顶板离层的范围。超过这一范围意味着顶板将处于非稳定状态之中，应该更加密切注意顶板动态，及时采取相应的补强措施，否则顶板离层可能会进一步加剧，最终导致巷道的失稳破坏。

5 结论

通过离层量观测数据显示，3号基点与2基点离层量最大达到3mm，即直接顶和老顶离层量达到3mm。在允许的离层量范围。说明支护质量良好。如果离层量大，则要加强支护，变更支护设计参数。

参考文献：

[1]国家安监总局.煤与瓦斯突出防治规定.北京.2009.

[2]杨相海.井巷工程.徐州：中国矿业大学出版社，2009.

[3]谭云亮.矿山压力与岩层控制.徐州：中国矿业大学出版社，2006.

作者简介：

纪安，男，汉族，1989年11月出生，四川巴中人，云南能源职业技术学院讲师，现主要从事矿山压力观测与控制等教学及科研工作。