赵亚鹏
（山西潞安郭庄煤矿有限责任公司，山西 长治0 46100）
煤炭是我国工业发展的命脉，对我国的经济发展具有重要的作用。我国的煤炭资源多依靠地下开采的方式，在进行开采的过程中对井下各种巷道的掘进及支护是重要的工作内容。井下巷道的支护对巷道的稳定性及煤矿的安全开采具有重要的作用[1]。随着我国煤层的不断开采，逐渐向着深部高应力的煤层过渡，开采的难度不断增加，巷道的变形增加[2]，因此对巷道支护的要求越来越高。煤矿开采过程中，增加支护的密度是保证巷道稳定性的一种方式，单纯地增加支护密度会造成采掘接替的紧张[3]，影响煤矿的开采效率。针对巷道锚杆支护的不同参数进行分析，研究不同参数对巷道支护的机理作用[4]，从而采用合理的支护方式保证巷道的稳定性，并提高煤矿的开采效率。
煤层开采时，巷道在开挖之前的围岩处于三向受力状态，体积受到一定的压缩而处于弹性状态，具有较高的承受破坏的能力[5]。巷道掘进后，巷道的围岩附近的应力降低，从而使得巷道表面的应力逐渐增加，由于围岩的压力作用对岩层的强度造成影响，使得围岩产生变形。
巷道掘进的过程中，由于巷道的埋深、围岩性质及采动作用的不同，使得围岩的变形量不同，且不同地质条件下围岩的变形量也不同[6]。不同地质条件下巷道岩体变形的深表比的变化趋势与巷道掘进过程中受到的应力重力的分布一致，主要受到自身岩体的强度及结构影响，同时受垂直应力、巷道断面的作用。
巷道进行掘进开挖后，需采用锚杆进行巷道的支护从而控制巷道围岩的变形过大，锚杆是安装在围岩体内部的支护杆，其受到的作用力相对复杂[7]。锚杆进行支护的过程中，对巷道围岩的作用力可以分为径向锚固力及切向锚固力，如图1所示。
图1 锚杆的支护作用力示意图
切向锚固力指锚杆在支护过程中对弱面形成的限制巷道弱面滑动及扩大的约束力，巷道的弱面与巷道一般呈一定角度分布，锚杆对弱面的作用力和弱面相切。弱面自身的强度较低，不利于巷道的稳定，切向锚固力对保持巷道的稳定性作用较大。切向锚固力依据作用机理的不同可以分为托锚力及黏锚力[8]，托锚力是指在进行支护的过程中通过钻机施加的预应力作用在巷道的表面限制巷道变形的径向约束力，托锚力使得围岩的应力状态发生改变，将围岩的单向应力转变为双向或者三向应力[9]，从而提高围岩自身的强度，提高巷道的稳定性。锚杆进行支护的过程中通过锚固剂与围岩相互黏接，形成一个整体，在巷道发生变形引起不同深度的位移不同时，引起围岩的错动，此时围岩受到锚杆的作用力成为黏锚力[10]。黏锚力对巷道施加沿着轴向的作用力，减小围岩的错动。
进行巷道掘进的过程中，岩层的围岩产生一定的破裂，锚杆对围岩的加固作用通过托盘及杆体的托锚力及黏锚力结合锚杆的切向力限制巷道围岩的变形。在进行巷道掘进支护的过程中，锚杆的参数设计对支护的作用具有直接的影响[11]。针对锚杆的预紧力及布置角度，对不同参数下的锚杆支护的机理进行分析。
2.1 锚杆预紧力
锚杆进行支护过程中的预紧力对保证锚杆的高效支护具有决定性的作用，可以提高单个锚杆的支护能力。对不同锚杆预紧力作用下的锚杆支护的应力分布进行模拟分析，得到预紧力为20 kN及100 kN时的应力分布如图2所示。从图2中可以看出，在预紧力为20 kN时，锚杆尾部的应力较为集中，随着锚杆支护深度的增加，压应力逐渐降低，且在到达忙那一半长度时，压应力作用为零；
锚杆较小的预紧力使得锚杆产生的预应力场强度较低，锚杆两端的应力作用不能形成整个的应力场作用，锚杆中间段的应力重叠较少，锚杆的支护作用较弱。在预紧力为100 kN时可以看到，在锚杆的中间长度时形成了强度较大的压应力作用区，相对于20 kN时的有效压应力作用增加较大，同时锚杆的另一端出现了拉应力区域，与微端的压应力作用相互配合形成压应力场，可以有效地控制巷道围岩的变形。锚杆之间形成整体作用的压应力区域，多个锚杆支护时对巷道的支护起到了更好的作用。
图2 不同锚杆预紧力作用下的应力场分布
2.2 锚杆安装角度
锚杆进行支护过程中杆体的轴向与顶板的垂线之间常依据地形的不同存在一定的角度，即为锚杆支护的安装角度。锚杆安装角度的不同对巷道支护的应力场具有一定的影响，对垂直安装、倾斜角10°、倾斜角30°的应力场进行模拟分析，得到不同安装角度的应力场分布如图3所示。从图3中可以看出，锚杆进行垂直安装时，四角的锚杆与巷道中间位置的顶锚杆形成的压应力区域相互重叠相互作用，在顶板的深度上形成较大的应力场，且分布较为均匀，占据了大部分的锚固范围，有利于锚杆预紧力的扩散作用[12]，具有较好的支护作用。在锚杆的安装角度增加时，四角的锚杆应力场与中间位置的压应力区域重合逐渐减小，应力场的强度不断降低，对巷道围岩的锚固作用也随时降低。在安装角度为30°时，相互之间的应力场基本么有重叠作用，形成相互独立的锚杆支护，对巷道支护的作用有限，不能发挥锚杆之间的整体作用，不利于控制巷道的围岩变形。
图3 不同锚杆安装角度的应力场分布
在进行锚杆支护的过程中，预紧力的作用也会相互叠加，采用锚杆控制围岩的变形作用时安装角度越小越好，有利于预紧力的扩散作用，最好采用垂直安装的形式。当巷道的地质条件不允许进行垂直安装时，锚杆的安装角度不能大于10°，从而可以发挥锚杆之间的作用，避免单个锚杆发挥支护作用。
锚杆支护是巷道掘进过程中的重要工作内容，对煤矿及巷道的安全具有重要的作用。在巷道掘进的过程中，对巷道进行锚杆支护参数的不同对支护的效果具有重要的影响。针对巷道支护的机理作用，从影响锚杆支护力的因素中选择锚杆的预紧力及安装角度进行分析。结果表明，锚杆的预紧力要保证一定的强度才能发挥锚杆的支护作用，在地形允许的条件下尽量采用较小的锚杆安装角度，有利于发挥锚杆间的支护作用。进行巷道支护设计的过程中，可据此进行合理支护参数的选择，从而保证支护的效果以及煤矿的安全生产。
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