唐 禹

（同煤國電同忻煤礦有限公司，山西 大同 037001）

關(guān)于錨桿的支護機理研究，主要有以下四種觀點：第一，懸吊作用；第二，組合梁作用；第三，三鉸拱機制；第四，經(jīng)驗公式。這些理論各有特點，通過這些理論得出的相關(guān)支護參數(shù)也不同，這幾種理論也都有相應(yīng)的適用條件。這主要由以下兩方面因素決定：一是地質(zhì)條件，二是巷道圍巖條件。本文以同忻煤礦5107順槽為背景，通過不同的錨桿支護理論得出相應(yīng)的支護參數(shù)，并采用數(shù)值模擬方法來對比分析不同的支護參數(shù)，從而確定最佳的錨桿支護參數(shù)。

1 概況

同忻煤礦5107順槽埋藏較深，巷道圍巖中存在較大的應(yīng)力。地質(zhì)構(gòu)造簡單，無斷層，巖石普氏系數(shù)較低，表現(xiàn)出較低的強度。順槽巖層組成部分主要包括以下三種巖層：一是灰色頁巖，二是暗灰色粉砂巖，三是暗灰色細砂巖。

5107順槽掘進初期按照設(shè)計的錨桿支護，采用鋼筋樹脂錨桿，其規(guī)格Ф18×1800mm，支護密度700×700mm。在掘進過程中，巷道存在較為嚴(yán)重的變形，對正常生產(chǎn)產(chǎn)生了一定的影響。

2 支護參數(shù)計算方法

2.1 懸吊機制計算方法

懸吊理論是通過錨桿的錨固作用，將煤巖層頂板下部的強度較低的部分吊在其上部強度比較大的煤巖層。

支護參數(shù)的確定：

式中：

l-錨桿的總長度，m；

l1-錨桿的暴露長度，m；

l2-錨桿的被錨固長度，m；

l3-錨桿伸入老頂?shù)拈L度，m；

R0-等效圓掘進半徑，m；

RP-破碎帶高度，m；

K-應(yīng)力集中系數(shù)；

γ- 巖石容重，kN/m3；

H-巷道的埋藏深度，m；

φ、C-分別為巖體的內(nèi)摩擦角和粘結(jié)強度（MPa）。

式中：

d-錨桿的直徑，m；

Q、σt-錨桿的錨固力(kN)和錨桿的桿體抗拉強度（MPa），一般通過數(shù)據(jù)表獲得。

式中：

a-錨桿的間排距，m。

2.2 組合梁機制計算方法

當(dāng)沒有堅硬而厚煤巖層頂板且存在多層薄煤巖層時，通過組合梁機制，即錨桿的預(yù)拉應(yīng)力作用，來實現(xiàn)對各煤巖層的一種擠緊作用，從根本上提高了煤巖層的自身強度，進而提高了煤巖層的自承能力。

支護參數(shù)的確定：

式中：

t-組合拱厚度，m；

α-錨桿控制角，通常確定為45°。

2.3 三鉸拱機制計算方法

若圍巖在礦山壓力的作用下出現(xiàn)了裂隙，形成了塊狀圍巖，則比較適合應(yīng)用三鉸拱機制，該機制通過錨桿的懸吊作用，將塊狀圍巖懸吊起來，使其彼此擠壓，從而形成了一種特殊的結(jié)構(gòu)，即二鉸拱結(jié)構(gòu)。與之前相比，這種結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，既能將巖塊固定在一塊，又能強化巖塊的整體性，從而提高了圍巖的自承能力。

支護參數(shù)確定：

式中：

B-巷道寬度，m ；

f0-可取0。

2.4 經(jīng)驗公式計算方法

支護參數(shù)的確定：

式中：

N-與穩(wěn)定性有關(guān)的系數(shù)；

q-錨桿密度，根/m2；

M-與圍巖穩(wěn)定性有關(guān)的系數(shù)。

3 支護參數(shù)設(shè)計計算與分析

3.1 支護參數(shù)設(shè)計

巷道相關(guān)尺寸具體詳見圖1。在地質(zhì)條件已知的情況下，根據(jù)上述不同的錨桿支護機制，分別計算出相應(yīng)的支護參數(shù)，詳見表1。

圖1 總回風(fēng)巷道斷面示意圖（mm）

表1 不同支護參數(shù)的確定

3.2 模擬研究

對于上述四種理論機制下計算出的支護參數(shù)進行分析，可以得到不同支護參數(shù)下的巷道變形情況，確定巷道最佳的支護參數(shù)。根據(jù)巷道情況，建立數(shù)值分析模型，模型長度為30m，寬度為10m，高度為20m。模型上部采用垂直應(yīng)力約束，其他部分采用固定位移約束。設(shè)定不同巖石的力學(xué)參數(shù)。下圖2、圖3分別為無支護和常見的懸吊理論下的模擬結(jié)果。

3.2.1 巷道幫部變形模擬

對5種錨桿支護參數(shù)下巷道幫部變形情況進行分析，其具體結(jié)果詳見圖4。

圖2 無支護情況下的模擬示意圖

圖3 懸吊理論下的模擬示意圖

圖4 不同支護參數(shù)下的幫部變形量

對于第2種和第4種錨桿支護理論機制確定的支護參數(shù)，幫部變形量較小。因此，從巷道幫部變形量角度講，采用第2種和第4種錨桿支護理論比較合理，即通過懸吊機制和三鉸拱機制得出的錨桿支護參數(shù)能夠較好實現(xiàn)巷道的支護要求。

3.2.2 巷道頂板變形模擬

對5種錨桿支護參數(shù)下巷道頂板變形情況進行分析，其具體結(jié)果詳見圖5。

通過圖5可知，對于第4種和第5種錨桿支護理論機制確定的支護參數(shù)，頂板變形量較小。因此，從巷道頂板變形量角度講，采用第4種和第5種錨桿支護理論比較合理，即通過三鉸拱機制或經(jīng)驗公式得出的錨桿支護參數(shù)能夠較好實現(xiàn)巷道的支護要求。

圖5 不同支護參數(shù)下的頂板變形量

通過上述分析，可知選擇第4種錨桿支護理論機制，即三鉸拱理論機制比較合理。通過三鉸拱理論機制確定的錨桿支護參數(shù)，可使得巷道的幫部和頂板變形量處于最小的情況。因此，確定巷道的錨桿支護參數(shù)：規(guī)格Ф20×2200mm，間排距800×800mm。

4 應(yīng)用效果

按照Ф20×2200mm、間排距800×800mm的支護參數(shù)，對后期的巷道進行施工，一個月后，通過十字測量法測得巷道幫部變形量為20mm，頂板變形量為12mm，有效降低了巷道的變形程度，滿足巷道支護要求。