錨桿技術的應用

張文濤

摘 要：隨著我國煤巷錨桿支護的推廣普及，在一些特殊的生產地質條件下使用錨桿支護有一定困難，不足以維護工程的穩(wěn)定。為擴大錨桿支護使用范圍，充分發(fā)揮錨桿支護的經濟、快速、安全可靠的優(yōu)點，在大斷面、地質構造破壞地段、頂板軟弱且較厚、高地應力、綜放巷道等困難、復雜的巷道中，需要采用與錨桿支護相配套的支護形式和相關的技術。

關鍵詞：煤巷；錨桿支護；預應力錨索；注漿加固；組合錨桿

一、預應力錨索技術

預應力錨索加強支護在煤巷支護中占有重要地位，它具有錨固深度大、承載能力高、可施加較大的預緊力等特點，因而可獲得理想的支護加固效果。其加固范圍、支護強度、可靠性是普通錨桿支護所無法比擬的。

1.錨索的作用機理。預應力錨固是把錨索埋入巖層內部進行預加應力的施工技術，是傳遞主體結構的支護應力至深部穩(wěn)定巖層的主動支護。其作用方式一般有3種：第一、自承拱作用。錨索安設鎖緊后，錨索集中應力以45°壓力分布線傳遞至支護結構物上，在預應力作用下，圍巖產生壓縮，可使松散圍巖在錨索的彈性壓縮下形成“自承拱”，提高了圍巖的整體性和在抗力，增加其強度，其它力學性能也會得到改善，有效地控制了圍巖的有害變形的發(fā)展，增大了圍巖的穩(wěn)定程度。第二、組合梁作用。組合梁作用就是錨索穿過層狀巖層，使巖層層面和層理之間的摩擦力增大，增強圍巖的整體性，阻止巖層間的分離、位移，提高巖層的抗彎強度。第三、懸吊作用。懸吊作用就是錨索把不穩(wěn)定巖塊吊掛在穩(wěn)定巖體上，限制不穩(wěn)定巖塊的位移，防止其冒落。

2.錨索主要參數的確定。在進行錨索設計時，可按自承拱作用、組合梁作用、懸吊作用進行錨索主要參數的確定，即錨固長度、錨索長度、錨索的間排距，但由于巖層本身具有承載力，尤其是采用錨桿支護的頂板，圍巖強度得到了提高，設計中應考慮到此因素。根據大量的現(xiàn)場成功試驗數據，考慮到巖性和施工等影響因素及安全系數，錨固長度為：水泥漿錨固，最小錨固長度為2.5m；樹脂錨固，最小錨固長度為1.0m；錨索長度，可根據巖性和鉆眼機具能力進行綜合考慮，一般為5-8m。錨頭端張拉長度不小于300mm；錨索的間排距e和長度L一般宜滿足L：e≥2。

二、巷道圍巖注漿加固

1.圍巖注漿加固機理。（1）注漿提高巷道圍巖弱面的強度和變形模量漿液固結體的強度不一定比圍巖高，但加固材料具有較大的粘結力，可顯著提高弱面的強度和剛度，某些材料的塑性變形較大，當載荷較大時，固結體發(fā)生變形但不破壞，載荷主要有強度較高的圍巖承擔，圍巖的破壞由原來強度較低的弱面控制轉變?yōu)閺姸容^高的圍巖控制。弱面強度和彈性模量等力學性能的改善，大大地提高了巖體的強度，從而提高了圍巖的自身承載能力，改善圍巖維護狀況。（2）充填壓密裂隙。注漿時漿液在泵壓的作用下，滲透充填一些裂隙，另外經擠壓可以使一些充填不到的裂隙閉合，提高圍巖的強度，降低巖體的孔隙率，可大幅度提高巖體的強度。裂隙內充滿加固材料壓密后，將由二向應力狀態(tài)轉變?yōu)槿驊顟B(tài)，而巖體在三向應力狀態(tài)時的強度比二向應力狀態(tài)時顯著增大，并且脆性減弱、塑性增強。（3）注漿封閉水源、隔絕空氣。由理論研究和工程實踐得知水對巷道圍巖有軟化、溶蝕等作用，能顯著降低巷道圍巖的強度，風化也會對圍巖強度造成較大的損失。圍巖注漿后，隔離巷道流水及防止或減輕水對圍巖的軟化，同時也有效地防止圍巖風化。

2.注漿加固主要參數的確定。注漿加固屬于隱蔽性工程，注漿加固工程的地質條件及應力狀況具有復雜多變的特性，這給注漿參數的理論計算帶來了困難。目前的注漿理論都是在一定假設、簡化條件下建立的，與工程實際有一定差距。注漿加固參數的設計一般以理論計算作為參考，根據工程類比法及現(xiàn)場注漿實際情況進行調整。注漿加固主要參數有：注漿時間、注漿壓力、注漿量、漿液擴散半徑、漿液固結體力學性能的確定及注漿孔的布置。

三、組合錨桿支護

1.組合錨桿支護機理。（1）由于錨桿預緊力和錨桿工作阻力的作用，可提高巷道圍巖C值，增加巷道頂板和兩幫的承載能力。（2）鋼帶、金屬網將單體錨桿群聯(lián)系在一起，從而改善和平衡了巷道頂板各部位的受力和變形狀態(tài)，避免和消除了因局部破壞而導致整個支護體系失穩(wěn)、失效的不良影響，使圍巖始終保持良好的支護狀態(tài)。（3）錨桿、鋼帶聯(lián)成一體，對頂板彎曲變形具有明顯的限制作用，比單體錨桿更能有效地阻止頂板巖層節(jié)理、裂隙的發(fā)生和擴展，從而提高了頂板巖層的完整性和穩(wěn)定性。（4）組合錨桿支護中金屬網的整體護頂作用效果顯著。金屬網的作用一方面全面護頂，使頂板受力均勻；另一方面即使局部巖石脫離巖體，在網的撐托作用下不致冒落下來，有效地控制了圍巖的破壞，保證了整體支護體系發(fā)揮正常支護作用。（5）W鋼帶作為組合錨桿中的主要支護構件，具有連接錨桿、金屬網和圍巖體為一整體的綜合作用，把錨桿和圍巖加固接連為一體，使之性能更加匹配，使圍巖受力更趨于均勻，特別是加強了對錨桿之間的圍巖支護作用，克服了錨桿群支護的不足，提高了組合錨桿對圍巖的整體支護效果。

2.組合錨桿支護參數的確定。組合錨桿支護參數包括：梁、鋼帶、金屬網的材料與規(guī)格，錨桿的主要力學參數（錨固方式、錨固力、錨桿直徑、長度、間排距）。目前對組合錨桿支護參數的確定更多地依賴于現(xiàn)場專家和工程類比法，設計方法具有很大的局限性，設計的參數不合理，嚴重地影響了錨桿支護的支護效果。因此尋求可靠、科學、合理的設計方法還需做進一步的研究工作。

四、結語

在特殊的地質和開采技術條件下，采用預應力錨索支護技術、注漿加固技術、組合錨桿支護技術是擴大錨桿支護的應用范圍、充分發(fā)揮錨桿支護作用的有效的技術措施。為此，應當加強對各自支護機理和支護參數設計的研究工作，確定出科學、合理、可靠的支護技術措施，將進一步推動我國錨桿支護的發(fā)展，提高我國的錨桿支護技術水平。