煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的探討

曹子文

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 泰安煤業(yè)有限公司，山西 保德 036604）

1 錨桿支護(hù)技術(shù)的概述

錨桿支護(hù)是煤巷支護(hù)技術(shù)的發(fā)展方向。實(shí)踐表明，它與傳統(tǒng)棚式支護(hù)相比，錨桿支護(hù)可以改善支護(hù)效果、降低成本、加快速度、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高斷面利用率等優(yōu)越性，是煤礦高產(chǎn)高效生產(chǎn)的重要配套技術(shù)。錨桿支護(hù)的目的，是使巷道圍巖達(dá)到穩(wěn)定。本文從巷道圍巖的變形特征出發(fā)，分析錨桿支護(hù)的作用及效果。

2 典型巷道圍巖的變形特征

調(diào)查與實(shí)測(cè)表明，大部分巷道的破壞是漸進(jìn)形成的，圍巖松動(dòng)范圍也是隨著時(shí)間逐漸擴(kuò)展的；巷道周邊一定范圍的圍巖內(nèi)，巷道各點(diǎn)的變形速度及變形量差異較大：深部的圍巖變形小、速度慢，而淺部圍巖變形大、速度快。即使是完全處于塑性區(qū)的巷道，圍巖內(nèi)部變形差異也是存在的，并在不同的圍巖深度還存在拉壓域。深部圍巖受壓，而淺部受拉。不同位置圍巖之間變形量與變形速度的差異，會(huì)導(dǎo)致圍巖的進(jìn)一步變形或相互約束。若能在實(shí)際中，仔細(xì)分析其相互作用、明確其相互作用的范圍和條件、充分考慮實(shí)現(xiàn)圍巖的自我約束條件，利用圍巖的這一變形不協(xié)調(diào)性來實(shí)現(xiàn)圍巖相互約束，則可減少巷道變形。錨桿的作用首先是實(shí)現(xiàn)或增強(qiáng)圍巖的自身穩(wěn)定，其次才考慮其進(jìn)一步的加固作用，控制圍巖的變形量，從而達(dá)到安全目的。

3 錨桿支護(hù)的作用分析

1）懸吊作用論。錨桿的支護(hù)作用最早為懸吊理論，巷道表層的圍巖用錨桿懸吊起來，錨固在深層的圍巖上，這種解釋存在一定的局限性。例如巷道圍巖存在形狀和大小合適的破碎圍巖體，且此圍巖體在不支護(hù)的條件下可能自行垮落，這時(shí)若用錨桿將其懸吊起來、以保持巷道周邊的完整性，則錨桿的懸吊理論是成立的；否則是不成立的。

2）組合梁理論。眾所周知，煤系地層的圍巖大多是層狀的，即使是同一種巖性，也表現(xiàn)為層狀，典型的為泥巖、頁巖，有時(shí)層理還較發(fā)育，若用錨桿把這些層狀的圍巖錨固成一個(gè)整體，則可增強(qiáng)承載能力。這種組合梁理論也存在其缺陷。例如圍巖相對(duì)破碎，但靠自身的摩擦和相互擠壓能夠達(dá)到自身穩(wěn)定時(shí)，采用組合梁理論解釋，其理由就不夠充分。

3）組合拱理論。組合拱理論恰好解釋了組合梁理論不能解釋的問題。例如相對(duì)破碎但在一定條件下可以自穩(wěn)的圍巖，采用組合拱理論解釋是很完美的，尤其是巷道斷面大或一些拱形巷道，用組合拱理論解釋非常貼近實(shí)際。錨桿把這些相對(duì)破碎的圍巖進(jìn)行組合，防止其進(jìn)一步移動(dòng)垮落，再靠圍巖自身的摩擦、相互擠壓形成承載能力較強(qiáng)的拱形結(jié)構(gòu)，阻止圍巖的進(jìn)一步變形，從而達(dá)到安全目的。

以上是傳統(tǒng)的三種假說，從不同角度、條件解釋了錨桿支護(hù)的作用機(jī)理，力學(xué)模型簡(jiǎn)單、計(jì)算方法簡(jiǎn)便。近年來，又提出了巷道錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論及最大水平應(yīng)力理論，主要是針對(duì)錨桿的受力狀況提出來的，揭示了錨桿支護(hù)的實(shí)質(zhì)，擴(kuò)大了錨桿支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用范圍，為巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。

4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的理論分析

錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)考慮的因素較多，主要有：巷道圍巖的賦存特征及其物理力學(xué)特性；巷道圍巖的受力狀況及主應(yīng)力方向與巷道軸線方向的關(guān)系；巷道的斷面形狀尺寸及服務(wù)年限。

考慮以上因素設(shè)計(jì)的錨桿支護(hù)參數(shù)有：錨桿的長(zhǎng)度、直徑、錨固長(zhǎng)度、錨桿的間距、排距、方向。其傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法主要如下：

1）經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法：

①錨桿長(zhǎng)度：L=N（1.5+W/10）.

式中：L 為錨桿的總長(zhǎng)度，m；N 為圍巖影響系數(shù)，該礦為Ⅲ類圍巖取1.0；W 為巷道或硐室的跨度，m。

②錨桿間距：M≤1.0/N.式中：M 為錨桿間距，m。

③錨桿直徑：d=L/110.式中：d 為錨桿的直徑，m。

2）規(guī)程類比法：表1為常見巷道錨桿參數(shù)的取值。

3）極限平衡區(qū)設(shè)計(jì)法：分述如下。

表1 各類巷道錨桿支護(hù)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公計(jì)算值

巷道理論半徑的確定。巷道理論半徑為當(dāng)量半徑與外接圓半徑的最小者，當(dāng)量半徑用下式計(jì)算：

式中：rs為巷道當(dāng)量半徑，m；S 為實(shí)際巷道斷面積，m2；kx為巷道端面修正系數(shù)。

極限平衡半徑、巷道周邊位移、極限平衡區(qū)深入巷道圍巖的深度。

根據(jù)彈性理論、雙向等壓情況下，受采動(dòng)影響圓形巷道的極限平衡區(qū)半徑R 可表示為：

式中：α 為巷道理論半徑，m；γH 為自重應(yīng)力，kg/cm2；γ為上覆巖層體積質(zhì)量，kg/cm3；H 為巷道埋深，m；Pi為支護(hù)阻力kN；R 為 極限平衡區(qū) 半徑，m；C 為 黏 結(jié) 力kg/cm2；φ 為內(nèi)摩擦角，°；K1為采動(dòng)影響系數(shù)；K2為巖體力學(xué)參數(shù)修正系數(shù)。

巷道周邊位移u 可表示為：

式中：u 為巷道周邊位移，m；G 為剪切彈性模量，MPa。λ=（1-sinφ）/2sinφ.極限平衡區(qū)深入圍巖的深度Δ 為：Δ=R-a.式中：Δ 為極限平衡區(qū)深入圍巖的深度，m。

3）錨桿長(zhǎng)度：L=L1+Δ+L2.式中：L 為錨桿長(zhǎng)度，m；L1為錨固長(zhǎng)度，m；L2為錨桿外露長(zhǎng)度（取0.1m）。按端錨方式安設(shè)錨桿，錨固長(zhǎng)度L1按黏結(jié)段的黏度同錨桿承擔(dān)的最大載荷相匹配的原則確定。

錨固段內(nèi)金屬錨桿同黏結(jié)劑之間總黏結(jié)力與錨桿載荷之間滿足下式：

式中：dj為錨桿直徑，mm；τj為黏結(jié)劑同金屬錨桿間的黏結(jié)強(qiáng)度，取8MPa；P 為錨桿載荷，MPa；L'1為按破壞面發(fā)生在金屬錨桿表面處要求的錨固段長(zhǎng)度，mm。從而可有L'1=P/（πdjτj）。同理，錨固段內(nèi)黏結(jié)劑同鉆孔巖壁之間的的黏結(jié)力與錨桿載荷之間應(yīng)滿足下式：

式中：dy為鉆孔的直徑，mm；τy為黏結(jié)劑同鉆孔巖壁之.間的的黏結(jié)強(qiáng)度；L"1為按破壞面發(fā)生在鉆孔巖壁處要求的錨固段長(zhǎng)度，mm。從而可有L"1=P/（πdjτj）.

4）錨桿直徑D 與間排距的確定：在載荷集度一定的情況下，錨桿直徑同錨桿間排距成反比關(guān)系；在每根錨桿負(fù)責(zé)的維護(hù)面積確定的情況下，需支護(hù)加固的最大載荷密度為qd=n（R-h）γ.

式中：n 為載荷備用系數(shù)，取2；h 為矩形巷道的半高，m。根據(jù)每根錨桿所維護(hù)的面積S（S=H×I=間距×排距）及載荷集度，可以算出每根錨桿所承擔(dān)的載荷，從而確定錨桿直徑，公式為

式中：D 為錨桿的直徑，mm；［σ］為桿體材料的許用強(qiáng)度，MPa。錨桿直徑與錨桿的間排距存在如下關(guān)系：

5 結(jié)束語

上述設(shè)計(jì)，基本上考慮了巷道在圍巖中的賦存特性，進(jìn)而從理論方面設(shè)計(jì)錨桿的支護(hù)參數(shù)，但是沒有考慮主應(yīng)力方向與巷道軸線的關(guān)系，這是目前設(shè)計(jì)中存在的一個(gè)缺陷。再者，巷道圍巖的變形并不是連續(xù)的、均勻的，可能存在離層，一些巖層的變形量大、另一些小，層與層之間發(fā)生離層，這些變形與離層所產(chǎn)生的力都由錨桿來承擔(dān)，若是端錨、錨桿相對(duì)均勻承載，若是全長(zhǎng)錨固、則錨桿的受力不均勻，在變形量大的巖層部位、錨桿受力也較大。一般情況下，錨桿的初錨力要達(dá)到其額度承載力80%以上，如果圍巖變形量超出錨桿的伸長(zhǎng)量，錨桿可能拉斷或失去承載力。所以本人認(rèn)為，如果圍巖變形不均勻連續(xù)，宜用端錨，使錨桿均勻伸長(zhǎng)，避免全錨產(chǎn)生局部伸長(zhǎng)而拉斷錨桿。大部分巷道后期變形量非常嚴(yán)重（也即流變），如超出一定的范圍，錨桿可能失去其支護(hù)效果而導(dǎo)致巷道垮落。為了適應(yīng)圍巖的大變形，可伸縮錨桿的研制成為當(dāng)務(wù)之急；只有錨桿適應(yīng)圍巖的變形，才能對(duì)圍巖起到控制作用（也即耦合作用）；所以可伸縮錨桿是今后錨桿發(fā)展的主要方向之一。