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基于正交试验的锚杆支护参数设计研究

发表时间：2020/10/27 来源：《基层建设》2020年第19期作者：肖俊

[导读] 摘要：针对山阳煤矿1511工作面回风巷支护成本高、围岩控制困难的问题，综合运用理论分析、数值分析的方法，选取预紧力、锚杆直径、锚杆长度、锚杆间排距为因素进行三水平的正交试验，对锚杆支护参数进行了重新优化设计，主要得出以下结论：（1）锚杆间排距、锚杆直径对围岩变形影响显著，锚杆预紧力对顶底板变形的影响较两帮变形影响显著，而锚杆长度对围岩变形影响较小；（2）锚杆预紧力对围岩变形的影响存在极值，而随着锚

        陕西澄合山阳煤矿有限公司陕西合阳 715300
        摘要：针对山阳煤矿1511工作面回风巷支护成本高、围岩控制困难的问题，综合运用理论分析、数值分析的方法，选取预紧力、锚杆直径、锚杆长度、锚杆间排距为因素进行三水平的正交试验，对锚杆支护参数进行了重新优化设计，主要得出以下结论：（1）锚杆间排距、锚杆直径对围岩变形影响显著，锚杆预紧力对顶底板变形的影响较两帮变形影响显著，而锚杆长度对围岩变形影响较小；（2）锚杆预紧力对围岩变形的影响存在极值，而随着锚杆直径的增加巷道围岩变形基本呈线性减小，锚杆长度大于2.2m后，两帮移近量减小速度明显放缓，而对顶底板移近量影响较小，锚杆间排距800mm×800mm时综合围岩控制效果和支护成本最佳。应用于1511工作面回风巷支护工程，两帮帮移近量为138mm，顶底板移近量82mm，围岩控制效果好。
        关键词：预紧力；锚杆间排距；支护参数；正交试验
        引言
        锚杆支护是兼顾支护和加固的较完美支护方式[1]，一方面通过施加预应力使巷道浅部围岩受力从双向甚至单向提升为三向或两向，极大地提高围岩的残余强度；另一方面提供横向和切向锚固力，增强锚固区内岩层的抗弯强度和刚度，减小围岩的水平错动，从而增强锚固体的稳定性。2009年，我国发布“煤巷锚杆支护技术规范”（MT/T1104-2009），象征着我国煤巷锚固支护技术趋于成熟[2]。2010年以来，新掘巷道采用锚杆支护技术占比已经在90%以上，目前，锚杆支护是大多数矿井首选的安全高效支护方式[3]。
        近十年来，国内外学者针对锚杆支护参数优化进行了大量研究，代表性成果有：康红普等[4-5]通过数值分析了锚杆预应力、锚杆长度、锚杆支护密度、锚杆安装角度及锚固方式等支护参数对锚杆预应力引起的应力场-锚杆预应力场的影响，提出了预应力锚杆支护参数选择的原则、范围；毕远志等[6-7]介绍了地下工程围岩松动圈支护理论并以此为依据确定了锚杆支护参数的方法；高富强等[8-9]采用正交数值模拟试验方法研究了锚杆支护参数对巷道变形与破坏的影响；薛亚东等[10]设计了预测回采巷道锚杆支护参数的神经网络结构，并根据BP算法对回采巷道锚杆支护参数进行了优化设计。
        锚杆锚固长度的改变是否引起预应力等参数变化，因此，在锚杆支护参数正交试验时，必须考虑因素的交叉作用，从而更为精确地对锚杆支护参数进行优化设计。
        1 工程概况
        山阳煤矿1511工作面回风巷位于一采区东翼（紧靠矿区南部边界），四周皆为未采煤体。13-1钻孔位于自巷道开口350m左右位置，W59钻孔位于自巷道开口650m左右位置。巷道埋深400m左右，沿5#煤层底板掘进，掘进长度1149.3m，巷道掘进断面为5.0×3.8m（宽×高）。煤层赋存比较稳定，煤层总体向北西倾伏，根据钻孔显示煤厚变化在2.9~5.26m之间，平均煤厚3.8m，结构简单，一般含夹矸两层，夹矸为炭质泥岩。顶底板岩体特性见表1。
        表1 顶底板岩体特性

        2 正交试验因素水平确定
        1）锚杆直径
        依据煤矿巷道锚杆支护技术规范国家标准GB/T 35056-2018：螺纹钢树脂锚杆的钻孔直径、锚杆直径和树脂锚固剂直径应合理匹配，钻孔直径与锚杆杆体直径之差应为6mm~10mm；钻孔直径与树脂锚固剂直径之差应为4mm~8mm。我国煤巷锚杆支护一般使用钻头直径为27mm、32mm和42mm的锚杆钻机钻眼，因而形成的钻孔直径一般为28mm、33mm和43mm，而直径43mm的钻孔由于其空间大、不能保证树脂药卷的均匀混合，导致锚固力较低，同时因钻孔过大、需要的树脂药卷量大，造成成本高，且钻孔时间长、效率低，因此，尽量不采用这种钻孔直径。我国煤矿普遍使用的钻孔直径为28mm，适宜锚固的锚杆直径为18～22mm。选取锚杆直径18mm、20mm、22mm三个水平参与正交试验。
        2）预紧力
        我国锚杆预紧力设计一般要求达到锚杆屈服载荷的30%~60%，直径为18~22mm的20MnSi左旋螺纹钢锚杆，其屈服强度一般要求大于345MPa，则其预紧力上限范围为52.6kN~78.7kN。选取锚杆预紧力50kN、60kN、70kN三个水平参与正交试验。
        3）锚杆长度
        锚杆长度主要由1511工作面回风巷围岩松动圈测试结果确定，1511工作面回风巷顶板和两帮钻孔窥视如图1所示。

        （a）顶板1.4m         （b）实体煤帮1.4m

        （c）回采帮0.5m         （d）回采帮1.5m
        图1 围岩钻孔窥视图
        1511工作面回风巷顶板松动圈为1.4m，实体煤帮松动圈为1.4m，回采帮松动圈为1.5m。取锚杆锚入稳定岩层的深度0.5m，外露长度0.1m，顶锚杆长度要大于2.0m，帮锚杆长度要大于2.1m，选取锚杆有效长度2.0m、2.2m、2.4m三个水平参与正交试验。
        4）锚杆间排距
        锚杆间排距依据煤矿巷道锚杆支护技术规范国家标准GB/T 35056-2018推荐的范围为0.6~1.5m，依据悬吊理论，可计算得到锚杆间排距。

正交试验设计见表2。
表2 锚杆支护参数正交试验因素水平表

        3 正交试验结果分析
        1511工作面回风巷锚杆支护参数正交试验结果及极差分析见表3。R为第j列因素的极差，R越大，说明该因素对试验指标的影响越大。K为第j列因素m水平所对应的试验指标和除以该指标出现的次数，由K大小可以判断第j列因素优水平和优组合。因素与指标趋势图，如图2所示。
        表3 正交试验结果及方差分析

        （a）两帮移近量

        （b）顶底板移近量
        图2 正交试验因素水平对围岩变形的影响趋势图
        基于顶底板移近量、两帮移近量的双目标锚杆支护参数正交试验结果表明：
        （1）由极差值R可知，锚杆预紧力、锚杆直径、锚杆长度和锚杆间排距对两帮移近量的影响显著顺序为锚杆间排距>锚杆直径>锚杆长度>锚杆预紧力，对顶底板移近量的影响显著顺序为锚杆间排距>锚杆预紧力>锚杆直径>锚杆长度，其中，锚杆间排距、锚杆直径对围岩变形影响显著，锚杆预紧力对顶底板变形的影响较两帮变形影响显著，而锚杆长度对围岩变形影响较小。由3列空格因素的极方差分析可知，四因素之间基本不存在交互作用。
        （2）锚杆预紧力对围岩变形的影响存在极值，当锚杆预紧力为60kN时，控制围岩变形效果最佳，锚杆预紧力继续增大，顶底板移近量反而增大，如图3（b）所示，确定锚杆预紧力为60kN，对应的预紧扭矩为400N•m。
        （3）锚杆直径对围岩变形影响显著，随着锚杆直径在18~22mm之间增加，围岩变形量呈线性减少，因此，增加锚杆直径为控制巷道围岩变形地有效途径，确定锚杆直径为22mm。
        （4）围岩的松动范围应小于2.2m，锚杆有效长度从2.0m增加至2.2m时，两帮移近量减小速度快，但大于2.2m后，两帮移近量减小速度明显放缓，锚杆有效长度的改变对顶底板移近量影响较小，确定锚杆长度为2.2m。
        （5）增加锚杆间排距，两帮变形量增加较快，影响显著，锚杆间排距从700×700mm增加至800×800mm，锚杆支护成本降低27%，两帮移近量增加5%，顶底板移近量增加7%，锚杆间排距从800×800mm增加至900×900mm，锚杆支护成本降低19%，而两帮移近量增加4%，顶底板移近量增加7%，因此，综合考虑支护成本与围岩控制效果，锚杆间排距800×800mm为最经济合理锚杆布置方案。
        综合考虑围岩控制效果和支护成本，确定最优支护方案为A2B3C2D2，围岩控制效果如图4所示。

         （b）无支护
        图4 围岩控制效果
        最优支护方案为A2B3C2D2时，相比无支护条件下，巷道围岩变形减少77.8%，有效地增强了巷道的稳定性。
        1511工作面回风巷采用1×7股，公称抗拉强度1770MPa，直径Φ18.9mm的钢绞线锚索。
        巷道顶板锚索长度X为：
        X=X1+X2+X3=0.3+5.0+2.0=7.3m
        式中：
        X1—锚索外露长度，取0.3m；
        X2 —锚索锚固长度，取2.0m；
        X3 —潜在不稳定岩层高度，取巷道跨度，5.0m。
        确定锚索长度取6.5m。
        锚索间排距依据锚杆失效原则，由锚索所承担的岩层重量确定，锚索布置密度为每排布置2根、3根时锚索排距S为：

        锚索布置密度为3根/每排时，排距1.6m能满足支护强度要求，布置密度为1.88根/m；锚索布置密度为2根/每排时，排距0.8m能满足支护强度要求，布置密度为2.50根/m。因此，从支护成本角度考虑，确定1511工作面回风巷顶板采用Φ18.9×7300mm的锚索，“三三”布置方式，锚索间排距为1600×1600mm。
        4 最优锚杆支护方案
        依据锚杆正交试验结果，锚杆支护断面如图5所示。

        图5 支护断面图
        （1）锚杆支护
        顶部及帮部均采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆规格为φ20×2200mm，每根锚杆使用2卷MSZ2360树脂锚固剂，间排距800mm×800mm，锚杆安装扭矩不小于400N•m，锚固力不低于80KN。
        （2）锚索支护
        采用Φ18.9×7300mm钢绞线，“三三”布置，巷道正中一根，锚索间排距为1600mm×1600mm，每根锚索使用4卷MSZ2360型树脂锚固剂，锚索张拉预紧力不小于200KN。均采用配套金属托盘加一个锚索卡紧器。
        （3）支护配件
        锚杆采用150mm×150×8mm拱形铁托盘和300mm×280mm×2.5mm型W托盘的组合托盘（W托盘在上）；锚索采用300×300×16mm配套金属托盘。采用铁丝网+钢筋网双网支护（铁丝网贴岩面），钢筋网采用Φ6.5mm圆钢焊接而成，网片规格900×2000mm，网格100×100mm，铁丝网规格为900×2000mm，采用14#双股铁丝联网，网与网搭接100mm；要求逢孔必联。
        工程应用效果表明，采用基于交叉分析的锚杆支护参数正交试验是有效地，如图6所示，在观测期内，两帮帮移近量为138mm，顶底板移近量82mm，围岩控制效果显著。

        图6 巷道变形与时间关系曲线
        5 结论
        基于交叉分析的锚杆支护参数正交试验，确定了合理的支护方案，给出了巷道支护参数，结合现场矿压观测，主要得出以下结论：
        （1）采用锚杆预紧力、锚杆直径、锚杆长度和锚杆间排距进行正交试验，锚杆间排距、锚杆直径对围岩变形影响显著，锚杆预紧力对顶底板变形的影响较两帮变形影响显著，而锚杆长度对围岩变形影响较小。
        （2）锚杆预紧力对围岩变形的影响存在极值，60kN时控制围岩变形效果最佳，而随着锚杆直径的增加巷道围岩变形基本呈线性减小，锚杆长度大于2.2m后，两帮移近量减小速度明显放缓，锚杆长度的改变对顶底板移近量影响较小，综合考虑围岩控制效果和支护成本锚杆间排距800mm×800mm时最佳。
        （3）应用于1511工作面回风巷支护工程，两帮帮移近量为138mm，顶底板移近量82mm，围岩控制效果显著。
        参考文献：
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        作者简介：肖俊（1984-），男，陕西泾阳人，本科，从事煤矿生产技术管理工作。