采用懸臂式掘進機掘進時，掘支錨不能平行作業(yè)，影響掘進效率，該項目針對掘支錨連續(xù)平行作業(yè)機理進行了深入研究。為了實現掘支錨運連續(xù)平行作業(yè)，需對巷道掘進與錨固分離時，圍巖變形破壞機理、支護機理進行研究，研究手段為數值模擬與現場試驗相結合等方法。
1.掘錨分離巷道圍巖受力及變形破壞特征
(1)掘進工作面后方15m范圍不同支護下巷道圍巖應力分布
采用Flac3D軟件模擬某礦西下山回風巷掘錨分離巷道圍巖受力、變形及破壞規(guī)律。模擬研究掘進工作面后方15m范圍內不打設錨桿（a）、頂板每排布置2根錨桿(b)、頂板每排布置4根錨桿(c)及頂板每排布置6根錨桿每兩排布置2根錨索(d)4種不同錨桿布置方式時，巷道圍巖應力、圍巖及塑性區(qū)情況，如圖1~圖2所示。
圖1巷道圍巖垂直應力場分布
圖2巷道圍巖水平應力場分布
從圖1、圖2看出，掘進工作面后方15m范圍內，（a）、（b）、（c）、（d）4種不同條件下巷道圍巖應力分布形態(tài)影響較大，但對最大應力值卻相差不大。4種情況下最大垂直應力值在12.5MPa～12.8MPa之間，垂直應力集中區(qū)域主要分布在巷道的兩幫，頂板垂直應力釋放，屬于應力降低區(qū)。掘進工作面后方15m范圍內不打錨桿情況下，可明顯看出未布置錨桿區(qū)域頂板應力釋放區(qū)域很大，頂板應力降低區(qū)范圍大約是正常錨桿、錨索支護段應力降低區(qū)范圍的3倍左右。隨著錨桿支護數量的增加，頂板垂直應力釋放區(qū)范圍縮小。
隨著錨桿支護數量的增加，頂板最大水平應力略有減小的趨勢，但減小幅度較小，其原因是錨桿支護增加了頂板巖體的整體抗壓強度，使圍巖受力更為均勻。不打錨桿情況下，最大水平應力為13.05MPa；掘進面后方每排布置2根錨桿情況下，最大水平應力為12.96MPa；每排布置4根錨桿情況下，最大水平應力為12.94MPa，每排布置6根錨桿每兩排布置2根錨索情況下，最大水平應力為12.85MPa。從水平應力分布形態(tài)來看，與垂直應力分布形態(tài)類似，不打錨桿時，頂板水平應力降低區(qū)范圍較大，隨著錨桿支護數量和強度的增加，頂板水平應力降低區(qū)范圍逐漸減小。
(2)掘進工作面后方15m范圍不同支護強度下圍巖位移分布
掘進工作面后方15m范圍內，不打錨桿、頂板打設2根錨桿、4根錨桿、6根錨桿及2根錨索4種條件下巷道圍巖位移分布情況見圖3～圖4所示。
圖3巷道圍巖垂直位移場分布
圖4掘進面后方不同位置及不同錨桿支護數量下頂板下沉曲線
針對某礦頂板巖層條件，掘進工作面后方15m范圍內不打錨桿情況下，巷道頂板下沉達到75.85mm，頂板將可能出現離層現象。掘進工作面后方15m范圍內每排布置2根錨桿情況下，巷道頂板下沉34.40mm，頂板基本不會出現離層現象。掘進工作面后方15m范圍內每排布置4根錨桿情況下，巷道頂板下沉21.66mm，頂板基本不會出現離層現象。掘進工作面后方15m范圍內每排布置6根錨桿每兩排布置2根錨索情況下，巷道頂板下沉20.20mm，頂板不會出現離層現象。巷道兩幫水平位移相差不大。巷道掘進后變形最為劇烈的范圍為掘進工作面后方10m范圍內，隨后逐漸趨緩。隨著錨桿數量的增加，頂板下沉量減小，錨桿數量4根和6根時在掘進初期對巷道的變形影響相差不大。
(3)掘進工作面后方15m范圍不同支護強度下圍巖塑性破壞區(qū)分布
掘進工作面后方15m范圍內，（a）、（b）、（c）、（d）4種不同條件下巷道塑性破壞區(qū)分布情況見圖5所示。
圖5 巷道圍巖塑性破壞區(qū)分布形態(tài)
4種條件下圍巖塑性破壞區(qū)分布存在一定差別，掘進面后方15m范圍不打錨桿，巷道頂板及掘進工作面前方煤體塑性破壞區(qū)較大，頂板塑性破壞范圍達到了4m。隨著頂板支護強度的增加，頂板塑性破壞區(qū)范圍逐漸減小。同時，由于支護強度的增加，頂板承載能力增強，對掘進工作面前方煤體的塑性破壞區(qū)分布也存在一定的影響，隨著頂板支護強度的增加，工作面前方煤體塑性破壞區(qū)有少量減少。
2.不同空頂距錨桿（索）錨固性能測試
為了分析不同空頂距對錨桿（索）錨固性能發(fā)揮的影響，采用CRM500，直徑22mm的錨桿，直徑為22mm的錨索，在某礦下山回風巷進行了試驗。分別測試了及時支護時錨桿（索）錨固力、空頂2排（排距1000mm）后支護時錨桿（索）錨固力及空頂3排（排距1000mm）后支護時錨桿（索）錨固力。從測試結果來看，隨著空頂距增大，錨桿錨固力及錨索張拉力一定程度上會降低，且?guī)湾^桿錨固力略小于頂錨桿錨固力。但是某礦西下山回風斯巷空頂3排支護后335#號鋼頂幫錨桿平均錨固力分別為193kN和187.3kN，錨索平均張拉力為283kN，完全能夠滿足生產設計要求。
同時采用鉆孔窺視儀在臨時支架掩護下，對剛掘進出的巷道頂板及24小時后頂板圍巖結構進行了觀測。結果發(fā)現，巷道掘進后在臨時支架作用下未打設錨桿24小時后頂板基本未發(fā)生離層現象。
3.掘進工作面臨時支護裝置作用
依據煤礦地質與生產條件，分別模擬了臨時支架距掘進工作面距離為3m、2m、1m和0m四種情況下巷道圍巖的應力和位移分布特征，數值模型如圖6~圖7所示。
圖6 巷道頂板圍巖垂直應力分布
圖7 巷道頂板圍巖垂直位移分布
臨時支架距掘進工作面不同距離時，巷道圍巖應力垂直應力分布形態(tài)大致相當，都是巷道頂底板應力釋放，掘進工作面前方5m范圍應力集中，尤其掘進工作面處上、下兩角處。從垂直應力數值來看，臨時支架離掘進工作面距離為3m、2m、1m三種情況下，巷道圍巖垂直應力大小相差不大，約為13.17MPa；當臨時支架緊跟掘進工作面，即臨時支架距掘進工作面0m時，由于臨時支架的支護作用，掘進工作面前方垂直應力集中程度降低，最大垂直應力減小為12.63MPa。
從臨時支架距掘進工作面不同距離時巷道頂板下沉量看，臨時支架離掘進工作面距離為3m、2m、1m、0m時下頂板下沉量總體相差不大，約為20.7mm。但頂板位移形態(tài)卻不同，臨時支架與掘進工作面距離越近，對頂板那上部巖層擾動越小，頂板上部整體下沉空間越小。因此，臨時支架應盡量緊跟掘進工作面，以減小掘進頭處的應力集中，減小頂板上部的擾動下沉空間，需開發(fā)相應的連續(xù)自移式臨時支護裝備。
4.掘支錨連續(xù)平行作業(yè)支護機理
基于以上巷道圍巖應力數值計算、及現場測試結果得出，掘支錨連續(xù)平行作業(yè)支護機理主要包括以下內容：
(1)巷道掘進將影響圍巖應力重新分布，是一個先加載后卸載的過程，巷道圍巖的破壞主要是由于掘進過程中偏應力增大所引起。
巷道掘進對圍巖來說是一個先加載后卸載的過程。巷道開始掘進后，距離掘進工作面一定距離的一點A處首先應力達到超前支承應力的峰值，隨著開挖的進行，A點的應力逐漸降低。
由于巷道的掘進，引起巷道圍巖的垂直應力和水平應力在掘進工作面周圍重新分布，在工作面前后方出現應力升高區(qū)與降低區(qū)。巷道前方圍巖在超前支承應力的作用下，應力逐漸升高，隨著掘進工作面的推進，圍巖應力逐漸降低，工作面推過后，支承應力急劇降低，隨著掘進距離的增加，巷道后方圍巖應力緩慢恢復。
巷道圍巖在這種加載-卸載的力學環(huán)境中，其應力偏量（）逐漸增大，以摩爾-庫倫強度準則為例，處在極限平衡狀態(tài)的圍巖，當圍壓（）固定，軸壓（）增加時，或當軸壓固定，圍壓減少時，都會引起偏應力（）的增加，從而導致巖體破壞。
(2)巷道支護的實質是通過錨桿或掘進工作面臨時支架，改變巷道圍巖的受力狀態(tài)，有效降低圍巖應力減小速率，避免偏應力（）的快速增大，從而提高圍巖承載能力。
巷道圍巖作為一種天然的多孔介質，其內部存在大量的微裂紋、微孔洞和微缺陷等細觀結構，在巷道掘進、回采等施工擾動過程中，圍巖處于反復的加卸載過程中，在這種循環(huán)加卸載過程中，煤巖體內部節(jié)理、裂隙張開，新的裂紋產生擴展，導致圍巖擴容膨脹，最后失穩(wěn)。
巷道開挖后，圍巖應力釋放過程需要一定的時間，在應力釋放期內采取錨桿支護或掘進工作面臨時支架支護措施后，將有效降低圍巖應力減小速率，避免偏應力（）的快速增大，從而減小巷道圍巖的破壞。
(3)圍巖條件不同，巷道掘進后應力降低速率不同，對于某礦試驗巷道地質條件，掘進工作面臨時支護及前期錨桿支護能夠有效控制巷道頂板離層，并阻止圍巖塑性破壞區(qū)的擴展，同時掘支錨連續(xù)平行作業(yè)顯著提高了成巷速度。
不同條件的圍巖，巷道圍巖應力釋放過程不同，當圍巖破碎強度較低時，應力釋放速度較快；當圍巖一般時，應力釋放速度一般；當圍巖堅硬，強度較高時，應力釋放較慢。
巷道開挖后，由于圍巖應力釋放，巷道發(fā)生頂板離層，無支護時離層隨著時間的推移逐漸增大；采取掘進工作面臨時支架主動支護后將有效減小離層速度和離層量。頂板離層存在離層界限值，當離層值大于離層界限值后，打設錨桿索將會對支護產生影響；當頂板離層在離層界限值內，對錨桿索預應力擴散及傳遞影響范圍較小，打設錨桿索后對支護效果影響不大。
巷道開挖后，受偏應力的作用巷道圍巖將形成塑性破壞區(qū)，不同圍巖條件時塑性破壞區(qū)分布范圍不同。根據現場試驗某礦巷道采用臨時支護及兩幫各打設一根錨桿后，能夠有效控制巷道圍巖擴容變形，圍巖塑性區(qū)范圍非常有限，在臨時支護區(qū)域外打設錨桿索施加高預緊力后能夠有效阻止了塑性區(qū)范圍的進一步擴展。
掘支錨連續(xù)平行作業(yè)一體化時，首先采用臨時支護裝置初撐力或頂板首次支護錨桿在頂板永久支護前，短期內控制頂板離層破壞的發(fā)生，永久支護錨桿索打設后將與初次打設錨桿工作作用，防止頂板巖層發(fā)生離層破碎等。掘支錨連續(xù)平行作業(yè)一體化的關鍵為：初期頂板離層破壞的控制，及后期支護完成盡量實現一次支護就能有效控制圍巖變形與破壞，避免二次支護和巷道維修。
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