巷道锚杆支护围岩加固体稳定性研究

张雪峰

（西山煤电西曲矿，山西 古交030200）

引言

随着工业化进程的不断加速，我国对能源消耗的需求越来越大，虽然众多绿色能源的出现代替了化石能源，但由于我国绿色能源处于起步阶段，仍有较长的路要走，所以化石能源仍是我国主要消耗的能源。据统计我国煤炭资源有9成需要掘进巷道进行开采，所以巷道的稳定性直接决定了煤层开采的安全性。近年来锚杆支护技术不断进步，逐步成为我国巷道支护的主流。锚杆支护具有成本低、支护效率高、断面利用率高、前期准备期短等优点[1-2]。此前众多学者对锚杆支护巷道围岩应力进行过一定的研究[3-4]。本文通过建立支护后的巷道力学模型对锚杆支护围岩稳定性进行分析，对不同锚杆参数下围岩的稳定性进行研究，为矿山围岩支护提供一定的借鉴与参考。

1 围岩加固支护参数影响分析

支护合理与否可以通过矿井开采是否会造成围岩失稳及影响矿井生产安全来衡量，当井工开采对巷道围岩等无影响时认为支护合理，如果支护后围岩的稳定性仍较差则认为支护不合理。对于一定埋深的围岩，在无采动影响时，围岩处于三向应力平衡状态，开采围岩由三向应力状态转化为二向应力状态，此时需要对围岩进行及时的支护。首先对端部锚杆支护下围岩的影响参数进行研究，首先给定巷道半径3 m，埋深为600 m，围岩的初始地应力设定为8 MPa，围岩的岩性分别为弹性模量E=5×103MPa、泊松比μ=0.3、内摩擦角30°，锚杆的支护参数分别为锚杆直径20 mm、锚杆长度2.4 m、锚杆的弹性模量2.1×105MPa、屈服极限235 MPa，设置间排距为1.0 m×0.8 m，锚杆外露、自由端及锚固长度依次为0.1 m、2 m、0.3 m。利用MATLAB软件对不同力学参数下的影响进行分析。围岩加固体的弹性模量随间排距的变化曲线如图1所示。

图1 围岩加固体的弹性模量随间排距的变化曲线

从图1-1可以看出，围岩加固体弹性模量随着锚杆长度的增大逐步减小，随着锚杆间距的增大而逐步减小。在锚杆间距为1.2 m的情况下，锚杆长度为2 m时，围岩加固体弹性模量为5.09 GPa，锚杆长度增大至4 m时，加固体弹性模量减小至5.06 GPa；在锚杆间距减小至0.8 m的情况下，锚杆长度为2 m时，围岩加固体弹性模量为5.11 GPa，锚杆长度增大至4 m时，加固体弹性模量减小至5.08 GPa；在锚杆间距减小至0.6 m的情况下，锚杆长度为2 m时，围岩加固体弹性模量为5.11 GPa，锚杆长度增大至4 m时，加固体弹性模量减小至5.08 GPa。从图1-2可以看出，随着锚杆排距的增大围岩加固体的弹性模量逐步减小，可以看出锚杆越密，围岩加固体的弹性模量越大，但根据实际经验可知锚杆支护不能无限制地改善加固体的弹性模量，所以适当地减小锚杆布置间排距可以有效提升围岩稳定性。

围岩加固体的泊松比随间排距的变化曲线如下页图2所示。其中Sr为锚杆间距，Sl为锚杆排距。

从图2-1可以看出，围岩加固体泊松比随着锚杆长度的增大逐步增大，随着锚杆间距的增大而逐步增大。在锚杆间距为1.2 m的情况下，当锚杆长度为2 m时，围岩加固体泊松比为0.278，当锚杆长度增大至4 m时，加固体泊松比增大至0.285；在锚杆间距减小至0.8 m的情况下，当锚杆长度为2 m时，围岩加固体泊松比为2.74，当锚杆长度增大至4 m时，加固体泊松比增大至0.283；在锚杆间距减小至0.6 m的情况下，当锚杆长度为2 m时，围岩加固体泊松比为0.263，当锚杆长度增大至4 m时，加固体泊松比增大至0.275。从图2-2可以看出，随着锚杆排距的增大围岩加固体的泊松比逐步增大，可以看出锚杆越密，围岩加固体的泊松比越小。

图2 围岩加固体的泊松比随间排距的变化曲线

围岩加固体的黏聚力随间排距的变化曲线如图3所示。

图3 围岩加固体的黏聚力随间排距的变化曲线

从图3-1可以看出，围岩加固体黏聚力随着锚杆长度的增大逐步减小，随着锚杆间距的增大而逐步减小。在锚杆间距为1.2 m的情况下，当锚杆长度为2 m时，围岩加固体黏聚力为1.61 MPa，当锚杆长度增大至4 m时，加固体黏聚力减小至1.59 MPa；在锚杆间距减小至0.8 m的情况下，当锚杆长度为2 m时，围岩加固体黏聚力为1.64 MPa，当锚杆长度增大至4 m时，加固体黏聚力减小至1.61 MPa；在锚杆间距减小至0.6 m的情况下，当锚杆长度为2 m时，围岩加固体黏聚力为1.68 MPa，当锚杆长度增大至4 m时，加固体黏聚力减小至1.65 MPa。从图3-2可以看出，随着锚杆排距的增大围岩加固体的黏聚力逐步减小，可以看出锚杆越密，围岩加固体的黏聚力越大，但围岩加固体的黏聚力不是线性增大的，存在一定的合理范围，当超过这个范围时，黏聚力不增大反而减小。

2 围岩加固稳定性分析

对端部锚杆锚固稳定性影响进行研究，锚杆长度及锚杆间排距对围岩稳定性影响曲线如图4所示。

图4 锚杆长度及锚杆间排距对围岩稳定性影响曲线

从图4可以看出，随着锚杆长度的增大围岩的稳定性得到一定的提升，且稳定系数曲线越平缓。在其余条件不变的情况下，当锚杆长度小于1.5 m时，围岩的稳定性系数为零，此时由于支护强度不够使得围岩加固体全部转化为塑性变形，巷道极易发生失稳状态，当锚杆的长度增大至4.2 m时，围岩稳定系数增大至0.615，围岩稳定性得到了有效的提升。随着锚杆间排距的增大，围岩稳定性系数逐步减小，当锚杆间排距从0.6 m×0.6 m增大至1.2 m×1.2 m时围岩稳定性系数约降低了0.057。

对端部锚杆支护围岩力学属性与围岩稳定性关系进行分析，围岩力学参数对岩层稳定性影响曲线如图5所示。

图5 围岩力学参数对岩层稳定性影响曲线

从图5可以看出，随着岩石弹性模量的不断增大，岩石稳定系数呈现增大的趋势，当岩石弹性模量为1 GPa时，此时岩石稳定系数为0.211，当岩石的弹性模量增大至2 GPa时围岩的稳定性系数增大至0.216。当围岩岩性较软时，锚杆充分发挥其支护作用，使得围岩加固体的力学参数有了大幅度的提升，但当围岩的变形过大时，此时锚杆达到屈服极限，支护作用消失，围岩的稳定性丧失，发生失稳现象。随着岩石泊松比的增大，围岩加固体的稳定性系数逐步减小，当岩石的泊松比为0.25时，稳定性系数为0.23，当岩石的泊松比增大至0.35时，岩石稳定系数降低至0.206。

3 结论

1）围岩加固体弹性模量随着锚杆长度的增大逐步减小，随着锚杆间排距的增大而逐步减小，锚杆布置越密，围岩加固体的弹性模量越大。

2）围岩加固体泊松比随着锚杆长度的增大逐步增大，随着锚杆间排距的增大而逐步增大。围岩加固体黏聚力随着锚杆长度的增大逐步减小，随着锚杆间排距的增大而逐步减小。

3）随着锚杆长度及弹性模量的增大，围岩的稳定性系数逐步增大，随着泊松比的增大围岩稳定性系数降低。