前言：随着采掘机械化水平的不断提高，采掘巷道断面的不断加大，更需要改善和简化巷道与端头的支护工艺。在实践中，锚喷支护在岩巷中实现了悬吊组合梁和楔固机理，有效地加固顶板岩层，保持了巷道顶板的完整性，使顶板处于良好的受力状态，有效控制了顶板的自由变形。锚杆支护是一种常用的能够与围岩共同变形的柔性支护，对围岩过度变形有良好的控制作用，在煤矿巷道支护中的应用几乎达到了100%。现实中，往往由于多种客观因素的影响，大多数的矿井都不能根据不同类别的巷道特征，及时选用相应的支护参数与工艺，以致于影响巷道的服务周期、安全性和经济性。因此对锚杆支护设计进行优化研究，改进锚杆的支护参数设计以实现锚杆支护优化，是十分重要的和必要的。

 

 

　　所谓锚杆的参数优化是指在保证围岩稳定的前提下，锚杆的加固能力和围岩的自承能力均得到充分发挥，实现锚杆-围岩共同承载，不仅获得良好的加固效果，而且节省锚杆量，降低支护材料消耗和支护成本。研究认为通过理论推算，在围岩松动圈理论和锚杆支护机理基础上，通过巷道顶板的松动范围观测和试验锚杆的承载力监测，可以方便计算巷道锚杆的长度和准确确定锚杆载荷，设计锚杆参数。求出需要的支护载荷及巷道变形的范围或塑性圈半径，进而可能设计出合理的锚杆参数，再通过锚杆承载力监测对锚杆参数作进一步修改，最终可实现锚杆参数的优化。

 

　　巷道开挖后，围岩应力重新分布，当二次应力达到一定值时，巷道围岩体产生弹塑性变形，并形成三区（松动圈，塑性区，弹性区）。把巷道断面按外接圆等效为圆形，根据岩体力学中的弹塑性理论，利用Mohr-Coulomb屈服准则，按平面应变进行求解可得到轴对称圆形巷道周边的位移公式。巷道周边位移影响围岩支护反力，围岩支护反力由锚杆提供。可以看出锚杆的锚固力是随着巷道围岩的变形的变化而变化的，随着巷道围岩变形的增大，需要锚杆提供的反力越小。因为围岩变形释放掉部分弹性能，减小了所需支护反力。如果控制围岩体未完全破裂前，锚杆支护发挥作用，限制围岩进一步变形，将保持围岩体的平衡稳定，这样，便实现锚杆与围岩共同承载的目的。通过巷道周边位移监测，进而可设计出可能合理的锚杆支护参数。

 

　　岩体抗压强度、材料特性、引发应力的大小和分布，以及巷道的允许变形程度和服务年限，巷道尺寸和形状等条件，都决定于锚杆支护系统的合理设计问题。对此，支护设计要以“新奥法”的施工思想为指导，并根据施工地质条件不同，来选择不同的支护参数。简而言之，锚杆支护系统设计和支护参数的确定，主要也就是指锚杆类型、间排距、长度、直径、锚固力。只有合理确定锚杆支护参数，才能获得锚杆支护在技术和经济上的最佳效果。

 

　　（一）断面形状确定。采用离散元数值分析法，对巷道矿压显现特征进行数值模拟分析得出的结论：在巷道顶部基本形成一个卸载松动区，根据锚杆支护能使塑性破坏后松动的煤体形成具有一定承载能力，且在一定范围内适应围岩变形的平衡拱这一原理，巷道断面选用直墙半圆拱形断面时为最好。这样再根据设备布置、生产能力和通风要求，确定锚网支护条件下巷道断面具体尺寸。

 

　　（二）锚杆长度。锚杆安设在顶板中，被锚固的岩层不厚，上面并有老顶时，锚杆的长度只要使其锚固部分固定在老顶内即可，也就说L≥200～300mm。按单体锚杆悬吊理论，计算锚杆长度如下：L=L2+m+L1，式中L2为锚杆顶部进入老顶的长度（mm）；m为锚固岩层厚度（mm）；L1为锚杆露出孔外长度（mm）。①L2长度：根据杆体设计抗拉强度等于锚固端部的粘结力这一等量关系（πd2σ拉/4=πdL2τ粘），推导出L2=dσ拉/4τ粘。此式中：d为锚杆直径（mm）；σ拉为锚杆杆体材料设计抗拉强度（MPa）；σ粘为锚杆与砂桨的粘结强度（螺纹钢时，取σ粘=5.0MPa）。②锚固岩层厚度（m）：按冒落拱高度的k倍计算，其公式为：m=kb，式中k为安全系数（取1.3～1.5）；b为自然冒落拱高（b=B/2F，cm）；B为巷道掘进宽度（cm）；F为岩石坚固性系数。③锚杆露出孔外长度（L1）：L1=托板厚+螺帽厚+螺帽外露出长度。巷道全部在岩体中掘进时，支护的重点应放在顶部，即顶部锚杆锚固长0.7m，两帮0.25m，这样顶锚杆长2.2m，两帮为1.8m。

 

　　（三）锚杆间排距。在一般情况下，锚杆支护的布置一般呈正方形，即锚杆间距等于锚杆排距。根据锚杆悬吊作用理论，公式为：a=0.887d（σ粘/kmγ）？，式中：γ为岩石密度（2.5kg/cm2）；k为安全系数（取2）；a为锚杆间距（mm）；m为锚固层厚（取1.1m）；d为锚杆直径（mm）；σ拉为杆体材料设计抗拉强度（取38×103kg/cm2）。根据上例参数，计算得：a=b=1179mm。考虑到此类巷道围岩岩体强度低，且要受到动压作用，所以适当加大组合拱厚度，降低应力集中值，这样可减少锚杆间排距。

 

　　（四）锚杆直径。对各种锚杆的锚固力，须与杆体本身的抗拉强度相适应，即锚杆的实际锚固力要大于或等于杆体抗拉极限，如此才能充分发挥锚杆材料的作用。所以，锚杆体的直径可按杆体的抗拉力等于锚杆实际的锚固力的原则确定。计算公式为：P拉=（π/4）d2σ，由P拉=Q固，可得d=1.13（Q固/σ拉）？，式中P拉为锚杆杆体材料的抗拉力（kN）；σ拉为锚杆杆体材料的设计抗拉强度；Q固为锚杆的锚固力；d为锚杆的直径。结语：总而言之，利用现场对锚杆支护进行设计，解决了锚杆支护设计中围岩参数取值不准的问题，是一种很有前途的思路和方法。利用岩石力学原理计算出锚杆支护参数，再通过锚杆承载力监测进一步调整锚杆支护参数，可使锚杆参数更趋合理安全，即实现锚杆支护的参数优化。对锚杆支护进行优化设计后，可降低了支护材料消耗，更好发挥锚杆的支护作用和围岩自承能力，锚杆参数较以前更趋于合理，可以保证安全生产。