锚杆参数对巷道支护效果影响的研究

白 杨

(阳泉煤业集团和顺新大地煤业有限公司，山西 晋中 032700)

1 工程背景

8101工作面走向长度为1817m、倾斜长度为187.4m、面积为340505.8m2，倾角为2°～11°，平均5°。该工作面所采8号煤层裂隙发育，结构简单，局部地段煤层下部夹0.2m的页岩或炭质页岩，厚度变化不大，属于稳定煤层。

煤层顶板(伪顶、直接顶、老顶)：描述煤层顶板岩石性质、层理、节理、厚度、强度(硬度)、顶板分类等情况及其变化情况。煤层顶板情况如表1所示。

表1 煤层顶板情况

水文条件：该综采工作面最大涌水量25m3/h，正常涌水量为0～5m3/h。瓦斯绝对涌出量为2m3/min。煤尘爆炸指数为21.33%(煤尘具有爆炸性)，自燃倾向性等级为Ⅱ级(易自燃)。

2 预应力锚杆的支护机理研究

随着综采工作面巷道的开挖，破坏了该工作面巷道围岩的应力平衡状态，从而造成了巷道围岩的应力集中状态。即，将原先的三向应力状态变为二向甚至单向应力状态，使得围岩的承载能力大打折扣。故，需对正在生产的工作面巷道进行支护。预应力锚杆支护技术作为当前的主流支护技术，主要从以下几个方面改善巷道围岩的状态，进而提升其承载能力。

1)预应力锚杆支护技术能够为巷道围岩提供表面支护抗力，进而确保巷道围岩不会继续朝着有害变形的方向发展。此外，高预应力锚杆还能够将巷道围岩的承载能力和控制顶板位移能力上升新的台阶。

2)基于预应力锚杆支护技术能够将巷道围岩形成一个整体，使得其围岩强度得到了提升，能够承受顶板给予的径向载荷。

3)基于预应力锚杆支护技术能够避免巷道围岩强度降低，进一步从受力状态及应力场方向优化围岩力学参数。

4)采用预应力锚杆支护能够使得锚杆支护特性曲线前移。预应力锚杆能够促使围岩与锚杆融为一体，极大地提升其承载能力，避免围岩与锚杆被分别击破的现象发生。

综上所述，采用预应力锚杆支护能够将巷道围岩的支护效果提升到更高的层次，使其支护能力得到显著提升。

3 预应力锚杆支护效果验证

为了从定量的角度分析预应力锚杆是如何提升综采工作面巷道的支护效果。本文对锚杆施加不同大小的预应力，并对现场的支护效果进行对比分析。

3.1 综采工作面支护方案

选取8101综采工作面其中的一个梯形巷道为研究对象，并对该断面采用锚杆支护的方案。该巷道断面及支护方案如图1所示。

图1 巷道支护方案示意图(单位：mm)

3.2 支护效果对比分析

基于上述锚杆+金属网+钢筋梁的支护方式，安装时将锚杆的预紧扭矩设定为300N·m和600N·m两种，对比分析不同预紧扭矩锚杆的支护效果。其中，与300N·m预紧扭矩对应的预紧力为50kN，与600N·m预紧扭矩对应的预紧力为75kN[4]。巷道的支护效果通过巷道表面位移、顶板离层结果及锚杆的受力情况三个方面体现。

3.2.1 巷道表面位移情况

通过对巷道两帮的移近量及其移近速度与顶板位移量及速度进行监测，得出如表2所示的结果。如表2所示，随着锚杆预紧力的增加，两帮及顶板的位移量均在减少，且两帮及顶板的移动速度均降低。

表2 不同预紧力锚杆巷道表面位移量及速度对比分析

3.2.2 巷道顶板离层情况

采用巷道顶板离层指示仪对巷道顶板的离层情况进行监测，得出如表3所示的结果。

如表3所示，随着锚杆预紧力的增加，顶板离层量明显降低。

表3 不同预紧力锚杆支护的顶板离层情况

3.2.3 锚杆受力情况

不同预紧力下1—4号位置的锚杆受力情况如表4所示。

表4 不同预紧力锚杆受力情况分析

如表4所示，随着锚杆预紧力的增加锚杆最终受力大小与最初受力大小之间的差值不断缩小，在有些点最终受力与初始值相等。说明：随着锚杆预紧力的增加，锚杆支护的稳定性在不断提升。

4 结语

预紧力锚杆支护作为当前综采工作面巷道支护的主流方法，能够将锚杆与围岩融为一体，使其不易被分别击破，从整体上提升了巷道围岩的承载能力。经试验表明，随着锚杆预紧力的增加，巷道表面位移量、顶板离层量以及锚杆初始受力与最终受力的差值明显降低。说明采用适当预紧力的锚杆支护能够明显提升其支护效果。