不同围岩级别下锚杆支护效果对巷道掘进效率的影响分析

在煤矿开采和地下隧道施工中，随着掘进深度和断面尺寸的不断增加，围岩稳定性问题日益突出。尤其在不同岩性和地质结构条件下，巷道支护强度的匹配显得尤为关键。锚杆作为控制围岩松动和支护变形的重要手段，其参数配置需根据围岩类别科学确定，才能实现安全与效率的统一。传统经验性支护设计在复杂地质条件下往往难以兼顾施工效率和支护效果，因此，结合数值模拟与现场实测，探索围岩等级与锚杆支护强度之间的定量关系，具有重要的理论与实践意义。

一、围岩分级与锚杆支护设计概述

（一）围岩级别划分标准与特征分析

围岩分级是制定合理支护方案的前提。常用的围岩分类主要参考岩石完整性系数Kv、岩石质量指标RQD、岩性及其软硬程度、结构面发育状况等指标。通常将围岩分为Ⅰ~Ⅴ类：Ⅰ类围岩完整、结构致密，如花岗岩、辉绿岩等，稳定性极高；Ⅲ类围岩常为中风化砂岩或粉砂岩，结构面较多，稳定性中等；而Ⅴ类围岩如膨润土、煤层夹矸等软岩，节理裂隙发育，常伴随明显变形，稳定性极差。实际工程中，围岩级别需通过钻探取芯与现场调查相结合的方法确定[1]。典型指标如Kv <0.2 或 RQD<25% 的岩层，多归属为Ⅳ类及以下，需进行重点支护。在掘进设计阶段，围岩分级应与掌子面预报、超前地质雷达、瞬变电磁法等手段联动使用，提高支护适应性。

（二）锚杆支护技术原理与常用参数

锚杆支护的核心原理在于通过将锚杆与围岩形成“复合结构体”，提升岩体自承能力，阻止围岩松动带的发展。主要作用机制包括剪切加固、围压增强与延缓破坏。常见锚杆类型包括钢筋锚杆、中空注浆锚杆与树脂锚杆，其中中空注浆锚杆适用于水敏软岩，树脂锚杆则广泛用于高应力条件下的快速支护[2]。

锚杆参数需结合围岩条件具体设置。以 Φ22mm 钢筋锚杆为例，在Ⅲ类围岩中推荐锚杆长度为 2.02.5m ，间距为 800mm×800mm ，预紧力不低于 30kN ；而在Ⅴ类围岩中，需采用 Φ25mm 锚杆，长度加长至 3.03.5m ，间距缩至 600mm×600mm ，预紧力不少于50kN ，并辅以钢带、W钢带或网片等联合支护手段。

二、数值模拟与现场试验分析

（一）数值模拟方法与工况设置

本研究采用FLAC3D建立三维巷道支护模型，模拟不同围岩等级下锚杆支护对巷道围岩稳定性的影响。模型规模为长 50m 、宽 20m 、高 15m ，模拟巷道断面为拱顶圆形结构，净宽 5m ，净高 5.5m ，采用弹塑性模型计算岩体力学行为，支护结构以弹性单元简化处理。

围岩材料参数设置如下：Ⅲ类围岩的弹性模量 E=2.5GPa ，泊松比 μ=0.25 ，抗剪强度参数为 _c=1.5MPa ， Φ=28^∘ ； V 类围岩则为 E=0.8GPa ， μ=0.33 ， _c=0.6MPa ， ϕ=18^∘ °。锚杆按照Grouted Cable Element单元模拟，锚固段与自由段刚度分别设为 与 通过设置不同锚杆布置参数（长度、间距、密度），分析围岩变形量、塑性区范围与支护体受力状态。

（二）巷道掘进速度与支护效果的关系

模拟结果显示，在Ⅲ类围岩中，锚杆长度从 2.0m 增至 2.5m ，塑性区面积减少约15.6% ，围岩最大变形值由 58mm 降至 39mm ，相应掘进速度可从 2.4m/c 提升至 3.1m/d 而在Ⅴ类围岩中，支护参数提升至锚杆 3.5m 、间距 600mm 时，塑性区缩小 30% 以上，围岩最大沉降由 146mm 降至 92mm ，掘进速度由原来的 1.3m/c 提至 1.9m/d 。说明加强支护强度可显著提升低等级围岩条件下的掘进效率。但在Ⅱ类围岩中，若继续加密支护，如将锚杆间距由 900mm 缩小至 600mm ，虽围岩变形由 22mm 降至 15mm ，但对掘进速度的提升不足 0.2m/d ，施工成本反而上升 12% 以上，经济性较差。说明在良好围

岩条件下，支护设计应避免“过度强化”。

（三）现场试验布置与数据收集

试验选取位于某煤矿主运输巷的大断面掘进区段，长度为 180m ，围岩类型分别为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类。采用A组（常规支护）与B组（优化参数）对比试验，每组段落掘进长度为 60m ，采用掘锚一体机作业，记录日均掘进速度、锚杆施工时间、初期收敛变形值及支护材料损耗情况。现场数据显示，B组在Ⅴ类围岩中平均掘进效率提升约 38% ，锚杆损耗率下降 22% ，初期变形控制在 70mm 以内，较A组显著改善。在Ⅲ类围岩中，优化支护亦带来约 15% 的效率提升，但提升幅度随围岩条件改善而趋缓。

三、支护参数优化方案与应用建议

（一）支护参数敏感性分析

通过对模拟与试验数据的回归分析发现，锚杆长度对Ⅴ类围岩稳定性的影响最为显著，其权重达0.43，其次为间距（0.36）与预紧力（ (0.21) 说明在软弱围岩条件下，适度延长锚杆与提高锚固密度是控制初始变形与提高施工效率的关键。优化建议如下：Ⅴ类围岩锚杆长度应控制在 3.03.5m ，采用 Φ25mm 中空注浆锚杆，注浆压力 0.30.5MPa ，锚杆间距控制在 600×600mm ，预紧力不低于 50kN ，辅以W钢带与钢筋网片；Ⅲ类围岩可采用 Φ22mm 树脂锚杆，长度 2.0～2.5m ，间距 800mm ，配合网带。

（二）适应不同围岩级别的支护参数建议

针对不同围岩等级，应合理匹配锚杆支护参数与方式。Ⅱ类围岩整体性好，宜采用 2.0 米长、900 毫米间距的 Φ20 钢筋锚杆配合钢筋网片，满足常规支护需求。Ⅲ类围岩结构面较多，推荐使用2.5 米长、800 毫米间距的 Φ22 树脂锚杆，辅以W钢带与网片，提高初期围压。Ⅴ类围岩稳定性差，需 3.5 米长、600 毫米间距的 Φ25 中空注浆锚杆，并联合W钢带及双层钢筋网片，构建高强支护体系，有效控制围岩变形，保障掘进安全。

（三）优化支护设计对掘进效率的提升效果评估

结合模拟与实测数据可见，支护优化对掘进效率提升具有显著效果[3]。以Ⅴ类围岩为例，采用优化支护后日均掘进速度由 1.3m/d 提升至 1.9m/d ，提升率达 46% ；Ⅲ类围岩提升约 30% ；Ⅱ类围岩提升不足 10% 。从成本角度看，虽然Ⅴ类围岩单位支护费用增加约 18% ，但整体工期缩短 12 天，节省间接费用超过 20 万元，经济与安全双向受益。

总结

通过数值模拟与现场试验对比，本文系统分析了不同围岩级别下锚杆支护参数对巷道掘进效率的实际影响。研究表明，在Ⅲ类及以下等级的软弱围岩条件下，适当提高锚杆长度、间距密度及预紧力，有助于有效控制围岩变形，减少施工干扰，显著提升掘进速度；而在Ⅱ类等较好围岩中，应避免支护过度，以兼顾经济性与施工效率。各级围岩条件下的支护响应差异清晰明确，支护参数优化后的掘进效率提升效果具备显著的工程价值，对巷道快速、安全掘进具有重要指导意义。

参考文献：

[1]陈晨.岩体等级差异锚杆支护响应与内在关联研究[D].合肥工业大学,2022.001499.

[2]原东.1301 工作面回采巷道围岩分类及控制技术应用[J].江西煤炭科技,2020,(03):83-85+89 .

[3]董跃.钟九铁矿斜坡道围岩工程分级与支护优化研究[D].中国矿业大学,2022.002031.