摘要: 本文针对汾西矿区煤巷的具体条件，在深入研究巷道锚杆支护机理的基础上，借助数值计算及大量现场观测研究的结果，提出适合汾西矿区的煤巷锚杆立护设计方法，从而提高了锚杆支护设计的可靠性、合理性和科学性。

　　关键词：锚杆支护;煤巷

　　引言 煤巷锚杆支护设计的主要内容是根据煤巷的具体地质与生产条件，采用有效的设计方法，提供合理的锚杆支护形式与参数。支护设计应科学、经济、合理、可靠，确保井下巷道的安全程度，同时为矿井生产带来显著的经济效益。

　　目前，我国锚杆支护设计方法主要分为四类，即工程类比法、理论分析法、数值计算法及监测怯。①工程类比法是目前应用最广的方法。根据已经支护的类似巷道的经验，通过工程类比，直接提出锚杆支护设计。这种方法与设计者的实践经验关系很大。②理论分析法是根据围岩力学特征建立数学模型，通过计算确定支护参数。理论计算方法很多，如悬吊理论、组合梁理论、剪切破坏理论、均匀压缩带理论。但是，由于围岩地质条件非常复杂，力学模型和参数难以确定，严重影响了计算结果的可信度。③数值计算法。随着计算技术的迅速发展，有限差分、有限元及离散元等数值方法已广泛应用于支护设计。它们在解决非圆形、非均质、复杂边界条件的巷道支护设计方面具有明显优势。而且可以同时进行众多方案的比较，从中选出合理方案。从国内外使用情况分析，有限差分法和离散元法得到了越来越广泛的应用。前者适用于大变形问题，而后者在计算含有大量节理、裂隙的破碎岩体方面具有较大优势。④监测法是根据现场实际监测资料，利用数理统计方法进行巷道支护设计。著名的新奥法特点之一就是根据施工过程中对围岩收敛量等参数监测结果修改初步设计，取得了很好的效果。

　　我国煤矿除少数矿区进行过比较系统的煤巷锚杆支护设计研究外，大多数矿区在巷道锚杆支护设计方面缺乏科学依据。在进行锚杆支护设计时，主要靠经验和工程类比，存在明显的盲目性、不安全性和不合理性。

　　本文针对汾西矿区煤巷的具体条件，在全矿区巷道围岩地质力学测试与评估，深入研究巷道锚杆支护机理的基础上，借助数值计算及大量现场观测研究的结果，提出适合汾西矿区的煤巷锚杆立护设计方法，从而提高了锚杆支护设计的可靠性、合理性和科学性。

　　2.汾西矿区煤巷锚杆支护设计方法

　　2.1动态信息设计法介绍

　　前面叙述的四种锚杆支护设计方法，各有优缺点，单独采用任何一种方法都不能满足煤巷地质条件复杂性和多变性的特征。为此，根据我国煤矿巷道的特点，借鉴国外先进技术经验，提出锚杆支护的动态信息设计法。

　　动态信息法具有两大特点：其一，设计不是一次完成的，而是一个动态过程;其二，设计充分利用每个过程中提供的信息。该设计方法包括五部分，即试验点调查和地质力学评估;初始设计;井下监测;信息反馈和修正设计;日常监测。其中，试验点调查包括围岩强度、围岩结构、地应力及锚固性能测试等内容，在此基础上进行地质力学评估和围岩分类，为初始设计提供可靠的参数。初始设计以数值计算方法为主，结合解析法和经验法，根据围岩参数和已有实测数据确定出比较合理的初始设计。然后将初始设计实施于井下，并进行详细的围岩位移和锚杆受力监测，根据监测结果验证或修正初始设计。正常施工后还要进行日常监测，保证巷道安全。

　　2.2.汾西矿区锚杆支护设计方法确定

　　数值模拟计算可考虑多种影响锚杆支护巷道围岩变形、破坏的因素，详细计算锚杆各部位的受力状况，了解支护与围岩的相互作用关系。通过多方案比较，确定最优方案。这种设计方法具有较高的的科学性和合理性。但是，这种设计方法需要有较深厚的数学和力学基础、娴熟地操作计算机的能力，以及丰富的锚杆支护设计经验。这些条件对于现场工程技术人员来说是很难达到的。

　　为了使锚杆支护初始设计适合煤矿工程技术人员使用，简单、方便，又不能降低科学性和合理性，必须寻找新的设计思路和方法。近年来的研究与实践表明，针对一个矿区，在大量示范巷道数值计算设计的基础上，进行提炼与简化，编制适合现场工程技才人员使用的设计软件是一条可行的途径。

　　3.锚杆支护影响因素的数值模拟分析

　　基于汾西矿区煤巷的地质与生产条件，对不同地应力、围岩强度、围岩结构、巷道断面等情况进行大量数值模拟计算，为设计软件的编制提供可靠的基础。模拟的基本穿件为双柳矿2103运巷，然后通过改变不同的参数进行多方案计算。

　　3.1.地应力对锚杆支护的影响

　　原岩应力是影响锚杆支护巷道围岩变形和破坏的一个关键因素。垂直应力与围岩位移的关系如图1。随着垂直应力增加，巷道围岩变形和破坏范围急剧增加。

　　图1垂直应力与巷道变形量的关系 图2水平应力与巷道变形量的关系

　　侧压系数(水平应力与垂直应力的比值)与巷道变形量的关系见图2。随着侧压系数的增加顶板下沉量和两帮移近量都在显著增加。

　　总之，随着垂直应力或水平应力的增加，巷道围岩位移和破坏范围都显著增加，而且是非线性关系，原岩应力是锚杆支护的关键影晌因素之一。

　　3.2.围岩强度对锚杆支护的影响

　　选择了不同的煤层强度进行模拟。煤层强度与巷道变形量的关系如图3。随着煤层强度的增加顶板下沉量、两帮移近量急剧降低，当煤层强度增加到一定程度后，这种变化趋于平缓。因煤层强度的不同，巷道围岩变形和破坏状况有很大差别。

　　图3 煤层强度与巷道变形量的关系

　　3.3.围岩结构对锚杆支护的影响

　　围岩结构强度对巷道变形影响十分显著，如图4所示。结构强度越低，变形量越大。当结构强度增加到一定程度，对围岩变形的影响不明显。在结构强度低的状态下，顶板层理之间产生了显著离层，两帮整体挤出比较严重。当围岩强度很高时，层理间没有发生离层，两帮整体挤出不明显。可见，围岩结构对巷道稳定性有极其显著的影晌。

　　图4 围岩结构与巷道变形量的关系

　　3.4.巷道断面对锚杆支护的影响

　　巷道宽度、高度与变形量的关系如图5、6。随着巷道宽度增加，顶板下沉量不断增加，之后趋于平缓，最后有所降低。两帮移近量随巷道宽度增加不断增大。巷道高度对变形量也有一定影响。随着高度增加，顶板下沉量不断增加。当高度超过一定数值，下沉量有所降低。两帮移近量整体上随巷道高度增加而增加。但是，巷道尺寸对变形量的影响程度远没有应力、强度和围岩结构明显。

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