刘亮
淮河能源控股集团煤业公司潘二煤矿，安徽淮南 232001
摘要：煤矿锚杆支护技术的理论与实践都已比较成熟，并得到大面积推广使用，这一切都说明煤巷锚杆支护的可行性和安全可靠性。从而提高煤矿生产效率、降低成本、保证生产安全、获得可观的社会经济效益。因此，在煤巷中推广锚杆支护是势在必行的。积极组织推广煤巷锚杆支护技术，是煤矿巷道支护技术发展的必然。
关键词：锚杆支护；参数设计；围岩
根据松动圈厚度的实测数据并对照围岩松动圈理论及其分类表，可将巷道分为三种类型：小松动圈、中松动圈和大松动圈，然后采用相应类型松动圈的支护设计方法进行锚杆参数设计。
1小松动圈围岩
小松动圈围岩采用喷混凝土支护，其喷层的厚度按抵抗危石坠落和防止风化计算，危石的稳定条件是喷射混凝土的抗冲切和联结力必须大于危石的重量。喷层厚度一般依下式计算：
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式中，T为喷层厚度，m；G为危石重量，N；K为安全系数，一般取3；为喷混凝土的抗拉计算强度，由施工现场确定，一般可取0.4～0.6MPa；S为危石与喷混凝土接触面周长，m。
2中松动圈围岩
在中松动圈围岩中开掘巷道，围岩碎胀变形较为明显，必须进行锚喷支护。支护的主体构件是锚杆，锚头必须锚固在松动圈以外稳定的岩体上，将松动圈以内的岩体悬吊起来，以达到安全支护的目的。
在层状岩层中开挖的巷道，顶板岩层的滑移与分离可能导致顶板的破碎直到冒落；在节理裂隙发育的巷道中，松脱岩块的冒落可能造成对生产的威胁；在软弱岩层中开挖的巷道，围岩破碎带内不稳定岩块在自重作用下也可能发生冒落。如果锚杆加固系统能够提供足够的支护阻力将松脱顶板或危岩悬吊在稳定岩层中，同时阻止松动圈围岩的过度碎胀变形，就能保证巷道围岩的稳定。
2.1锚杆长度与间排距
锚杆长度通常按下式计算：
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式中，L1为锚杆外露长度，其值主要取决于锚杆类型及锚固方式，一般L1=0.15m。对于端锚锚杆，L1=垫板厚度+螺母厚度+(0.03～0.05m)，对于全长锚固锚杆，还要加上穹形球体的厚度。L2为锚杆有效长度。L3为锚杆锚入松动圈以外稳定岩层的长度，一般端锚为L3=0.4~0.7 m；当围岩松软时，L3还应加大。
显然，锚杆外露长度（L1）与锚杆锚入松动圈外稳定岩层的长度（L3）易于确定，关键是如何确定锚杆有效长度（L2）。通常按下述方法确定L2：① 当直接顶需要悬吊而它们的范围易于划定时，L2应大于或等于它们的厚度。② 当巷道围岩存在松动破碎带时，L2应大于或等于巷道围岩松动圈厚度Lp。
对于锚杆的间排距，往往是根据锚杆间岩体的完整情况及工程类比法确定，其取值一般不超过锚杆长度的一半。锚杆间排距一般可取0.6m、0.7m、0.8m、0.9m、1.0m等。
2.2锚杆直径
锚杆直径应同时满足两个方面：既要悬吊松动圈内破碎岩体的重量又要阻止松动圈内岩体的过度碎胀变形。对于这两方面的要求，一般情况下只要满足后者就能满足前者，因此只需按照锚杆所要承受的碎胀变形力（即锚杆必须提供的最小锚固力，围岩碎胀变形力可根据类似工程中现场实测的锚杆受力来确定）来计算锚杆直径的下限值，然后在锚杆直径系列中选取符合要求的作为锚杆初始直径。另外还要考虑“三径”（锚杆直径、钻孔直径和树脂药卷直径）匹配的要求，钻孔直径与锚杆直径之差为4～10mm为宜，以6～8mm为最好。根据碎胀变形力的要求有：
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式中：d－锚杆直径，m；
P－锚杆承受的碎胀变形力，根据现场实测锚杆受力确定，MN；
[]－锚杆的抗拉强度，MPa。
2.3 锚固剂及锚固长度
根据“三径”（锚杆直径、钻孔直径和树脂药卷直径）匹配的要求，钻孔直径与锚杆直径之差为4～10mm为宜，以6～8mm为最好。直径20mm和22mm的锚杆宜选用钻孔直径为28mm或29mm，同时宜选用直径23mm的树脂药卷。每根锚杆所需锚固剂的数量要根据设计的锚固长度确定。
锚杆设计锚固长度可按下式计算：
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式中：—树脂药卷总长度；
—锚固剂损耗系数，取；
—钻孔半径；
—锚杆半径；
—树脂药卷半径。
树脂锚固剂长度一般有350mm、500mm、600mm、700mm和800mm五种规格。根据以上分析计算树脂药卷总长度选用合适的药卷规格和卷数：为加快施工速度，最好一孔一卷，一般不超过三卷；为便于运输和往钻孔填塞，单个药卷长度不宜超过800mm。当一个眼孔需要不只一个药卷时，为便于安装、提高安装速度和保证质量，需在孔中装入不同凝胶速度的树脂锚固剂，孔底为超快速、快速，其余为中速。
2.4岩巷喷射混凝土的厚度
在中松动圈围岩锚喷支护中，锚杆是支护的主体，松动圈岩体的碎胀力由锚杆承受，喷层只起局部支护作用，即锚杆间的表面支护、控制锚杆间非锚固区围岩的变形、阻止非锚固区危石的坠落以及防止围岩风化，因而喷层厚度一般选取70～100mm。
3大松动圈围岩
依据围岩松动圈分类方法，当Lp＞150cm时，为大松动圈围岩状态。大松动圈围岩状态在煤矿生产中，如遇到的松散软弱或遇水膨胀岩层、开采深度较大地区、采动及地质构造影响等原因，则都可能产生大松动圈。在大松动圈围岩巷道中，围岩表现出软岩的工程特征，围岩松动圈碎胀变形量大，初期围岩收敛变形速度快，变形持续时间长，矿压显现较大，支护难度大。支护不成功时，巷道底板出现底臌，在这种条件下，如果用悬吊理论设计锚杆支护参数，常因设计锚杆过长、过粗而失去其普遍应用的价值。因此，我们在总结前人研究成果的基础上，对锚杆支护的组合拱理论进行了长期的理论研究和实践。
单体锚杆作用机理表明锚杆安装总是在围岩松动圈巷道支护形成之前，当松动圈厚度值发展到锚杆端头时，锚杆的拉应力达到最大值，同时巷道围岩松动圈支护内围岩将承受相等的压应力，其应力分布如图1所示。
在单根锚杆作用下每根锚杆因受拉应力而对围岩产生挤压，在锚杆两端周围形成一个两端圆锥形的受压区，合理的锚杆群可使单根锚杆形成的压缩区彼此联系起来，形成一个厚度为b的均匀压缩带。对于拱形巷道，压缩带将在围岩破裂带形成拱形，矩形巷道将形成矩形结构，统称之为组合拱作用机理。
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由上式可见，加长锚杆、减少间排距可以增大组合拱的厚度（强度），使围岩更加稳定。如果锚杆支护参数不合理，其组合拱的厚度趋于零时，则不管锚杆的锚固力有多大，锚杆的长度如何，其组合拱支护抗力都趋于零，不能保持围岩的整体稳定性和起到有效支护的作用，最多它只是起局部支护作用，控制住锚杆所在位置的危石。假如采用锚杆的有效长度为1.5 m，锚杆的间排距a为0.5 m，则可以形成1.0 m厚的组合拱，拱的强度一般可达C10～C20，并且具有足够可缩性。