锚杆支护技术对巷道表面位移的影响分析

许 鑫

（晋能控股集团晋城煤炭事业部长平公司， 山西 晋城 048006）

引言

近年来，由于锚杆支护具有支护成本低、巷道断面利用效率高以及可快速掘进等优点，其已被广泛应用于巷道围岩的控制中[1-2]。在煤矿巷道中，锚杆锚固范围内的围岩和锚杆共同作用形成锚固体，通过合理有效对锚杆进行布置，可以使巷道顶板、左右两帮形成一个完整的承载结构[3-4]，而此承载结构不仅可以承受自重以及因变形形成的压力，还可以支护外部围岩，阻止围岩的变形，进而达到支护煤矿巷道稳定的效果[5]。锚杆支护的理论有悬吊理论、组合拱理论、组合梁理论以及围岩强度化理论[6]等，通过这些机理作用可保证巷道的稳定。但是，由于在煤矿巷道实际支护中，一般多采用加强顶板支护的形式，往往忽略了煤巷两帮及角部的支护，致使煤巷帮部出现薄弱破坏现象[7-8]，所以帮部破坏主要是帮部薄弱的压剪破坏及交界面的滑移破损共同作用造成的[9-10]。因此，本文提出采用强帮强角锚杆支护的设计技术，来提高煤巷帮部支护的稳定性，进而保证巷道围岩的整体稳定。

1 强帮强角锚杆支护技术设计方案

以某矿为研究对象，设计锚杆支护方案，对于顶板锚杆支护，顶锚杆采用螺纹钢锚杆，其规格是Φ22 mm×2 200 mm，间排距是780 mm、1 000 mm，顶板两端的角锚杆布置成与水平大小成75°，除顶板两端剩余的锚杆布置成与顶板垂直；对于锚索，规格为Φ17.8 mm×5 000 mm，锚索采用三花布置方式，也就是第一排设置角锚索根数为2，跟水平方向成75°布置，距离巷帮300 mm，第二排布置1 根锚杆于巷道中间位置，并与顶板垂直布置，排距是2 000 mm。此外，顶板每根锚杆采用一支CK2355 和Z2355 锚固剂，而每根锚索采用一支CK2355 和K2355 锚固剂，同时，顶板还铺设金属网。

对于帮部支护，帮锚杆采用左螺纹钢，规格同于顶部锚杆，间排距是900 mm、1 000 mm，且两帮的最顶排锚杆向上倾斜15°进行布置，此外，两帮每根锚杆采用一支CK2355 和Z2355 锚固剂，且采用钻头的规格是Φ28 mm。强帮强角锚杆支护设计断面图如图1 所示。

图1 锚杆巷道支护设计断面图（单位：mm）

2 锚杆支护对巷道表面位移的影响分析

为验证采用上述锚杆支护方案后，对巷道支护的效果以及支护的合理性。本文对煤巷表面位移进行分析，也就是巷道顶板下沉量、左右两帮变形量进行监测研究，设置两组监测断面，图2 中1 号和2 号断面的位置分别是828.5 m 和854.5 m，其中，每组监测断面据掘进工作面4～10 m 区域内进行布置。

图2 巷道监测点的布置情况

2.1 锚杆支护对巷道顶板变形的影响

对支护后的巷道顶板变形量进行分析，得到如下页图3 所示的曲线图。从图3 中可知，在监测时间0~20 d 时间段内，顶板各断面处于加速变形时段，此段内变形量增加速度比较快。加速变形时段内1 号断面变形量是40.5 mm，占总变形量的88.0%；2 号断面变形量是55 mm，占总变形量的93.2%，且这两个断面的变形量均占顶板整体变形量的最大比例。当巷道顶板从加速变形时段逐渐过渡到稳定时段时，此段内围岩位移增长速度比较缓，最后达到基本稳定。1 号断面第32 天结束过渡时段，变形量是5.5 mm，占总变形量的12.0%，稳定值是46 mm；2 号断面第30 天结束过渡时段，变形量是4.5 mm，占总变形量的7.6%，稳定值是59 mm，且此段内两个断面的变形量比较小。当巷道掘进一定深度后，顶板巷道不再产生大变形，即进入稳定状态，最终1 号和2 号断面稳定值分别是46 mm 和59 mm，且再继续监测一周时间，发现最终稳定值基本没有明显变化，表明巷道已进入稳定状态。

图3 锚杆支护后的巷道顶板变形曲线图

2.2 锚杆支护对巷道左帮变形的影响

对支护后的巷道左帮变形量进行分析，得到图4所示的曲线图。从图4 中可知，左帮加速变形时段的曲线斜率相比后两个时段变化显著，1 号断面加速变形时段总共26 d，变形量是93 mm，占总变形量的97.9%；2 号断面加速变形时段总共29 d，变形量是97 mm，占总变形量的98.0%，且这两个断面的变形量均占了左帮整体变形量的最高比例。当巷道左帮变形进入过渡时段时，1 号断面第32 天结束过渡时段，变形量是2 mm，占总变形量的2.1%，最终稳定值是95 mm；2 号断面第35 天结束过渡时段，变形量是2 mm，占总变形量的2.0%，最终稳定值是99 mm，且此段内这两个断面的巷道左帮变形量均比较小。当巷道左帮由过渡时段进入最后稳定状态，1 号和2 号断面左帮变形量最终值是95 mm 和99 mm，且再经过一周的连续监测，巷道左帮也不再产生变形。

图4 锚杆支护后的巷道左帮变形曲线图

2.3 锚杆支护对巷道右帮变形的影响

对支护后的巷道右帮变形量进行分析，得到图5所示的曲线图。从图5 中可知，右帮变形规律基本同于左帮变形。对于右帮加速变形时段，1 号断面的加速变形时段共26 d，变形量是125mm，占总变形量的98.0%；2 号断面的加速变形时段共27 d，变形量是130 mm，占总变形量的97.0%。且此段内这两个断面的变形量也均占右帮整体变形量的最大比例。对于右帮变形过渡时段，1 号断面第27 天结束，变形量是2.5 mm，占总变形量的2.0%，最终稳定值是127.5 mm；2 号断面第33 天结束，变形量是4 mm，占总变形量的3.0%，最终稳定值是134 mm。对于右帮变形稳定时段，1 号和2 号断面的最终稳定值分别是127.5 mm 和134 mm，且经过一周监测后，巷道右帮基本不再产生变形，达到稳定状态。

图5 锚杆支护后的巷道右帮变形曲线图

综上，通过对巷道顶板及左右两帮变形量进行分析可知，尽管其都产生一定的变形量，但是均在可控范围内，且随着时间推移，巷道不再产生变形，达到稳定状态，表明强帮强角锚杆支护技术能够在提升顶板承载力的同时，减小对巷道帮部和角部的变形，从而维护巷道的整体稳定。

3 结论

1）巷道顶板、左右两帮变形都存在三个时段，既加速变形、过渡和基本稳定时段，且加速变形时段的围岩变形量最大，过渡时段围岩变形量变慢，最终不再增加达到稳定状态。

2）采用强帮强角锚杆支护，能够大幅改善围岩变形，增强巷道整体支护的稳定性。