煤層巷道圍巖預應(yīng)力錨桿支護技術(shù)研究

孫有明 鄭雷 王雪芹

摘 要： 本文介紹了錨桿支護技術(shù)在煤層巷道的應(yīng)用和影響，同時指出了某些煤層頂板事故發(fā)生的原因有多種，錨桿強度較弱只是其中之一，錨桿密度不能從根本上解決問題，而錨桿的預拉力在其中有不可忽視的作用，進而比較系統(tǒng)、詳細地介紹了煤層巷道圍巖預應(yīng)力結(jié)構(gòu)理論和支護設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞： 煤巷 錨桿支護 技術(shù)研究

20世紀80年代以來，煤層巷道樹脂錨桿支護技術(shù)不斷成熟，目前已經(jīng)被世界上一些先進的采煤國家當做是煤礦支護的核心模式。中國也于20世紀80年代末開始大力開展煤巷錨桿應(yīng)用技術(shù)研究和推廣應(yīng)用，并在20世紀90年代末基本與國際先進水平接軌。結(jié)合國內(nèi)外的具體應(yīng)用現(xiàn)狀，目前在支護系統(tǒng)自身存在的一些問題中，比如強度的不足、錨桿的錨固技術(shù)不足等，可以借助于高強螺紋鋼樹脂錨桿技術(shù)對其進行彌補，較深入地分析煤巷高強錨桿的作用機理，已經(jīng)形成一套較為完善的研究體系。

在近些年的發(fā)展中，巷道冒頂事故頻頻發(fā)生，而且出現(xiàn)了離層變形的情況，錨桿強度并不是造成冒頂?shù)奈ㄒ灰蛩?，同樣不是單純地增加錨桿密度便可以實現(xiàn)，我們不能忽視錨桿預拉力在冒頂事件中的作用，并且它的作用要高于錨桿的強度與密度。早在1997年和1998年，郭頌便展開了對巷道穩(wěn)定性的研究，他指出，水平地應(yīng)力對其產(chǎn)生一定影響，而且在巷道頂?shù)理敯咫x層垮冒事故中及底板鼓起現(xiàn)象中，水平地應(yīng)力是最核心的因素。同時，郭頌的研究表明，可以借助于巷道頂板錨桿預拉力的提升，進而實現(xiàn)對巷道穩(wěn)定性的提升。

目前業(yè)界亟待深入研究錨桿支護技術(shù)，對其未來的發(fā)展趨勢進行預測，對當前已有的技術(shù)進行全面應(yīng)用，并深入研究預拉力錨桿支護技術(shù)。當前美國高預拉力錨桿支護技術(shù)已取得了顯著成效，各項新技術(shù)取得了不少成功。這些成功證明：高預拉力錨桿技術(shù)可以實現(xiàn)對層狀頂板的離層良好的把控，直接帶來的結(jié)果就是冒頂情況銳減；在同等條件之下，對錨桿的密度進行降低，從而提升了間排距，并且大大減少了錨桿的使用數(shù)量；對掘進的速度有效提升，同時良好地提升了支護效率。

1.煤巷層狀頂板的預應(yīng)力結(jié)構(gòu)理論

1.1概念

如果在巷道已經(jīng)開挖之后，圍巖出現(xiàn)了小幅度的變形，那么，較脆的巖體便會隨之發(fā)生一定的改變，常見的有離層、松動、開裂等，從而降低圍巖強度。雖然在煤層巷道開挖過程中會及時地安裝上錨桿，然而，如果采用的是一般的錨桿，在不加預拉力的情況下，它仍然是一個被動支護的性質(zhì)。這種錨桿一般情況下都具有一定的“鋼”性，而且用的時候都是盡可能多用。如果一旦頂板出現(xiàn)離層現(xiàn)象，那么，這種錨桿所具有的抗力無法對頂板總體的抗剪能力帶來絲毫幫助。它無法對錨桿長度不能覆蓋的范圍內(nèi)的離層現(xiàn)象有效控制，仍然會出現(xiàn)垮冒現(xiàn)象。

據(jù)相關(guān)資料顯示，在我國，高強錨桿通常都保持有0.6～0.8m的排距，整體離層現(xiàn)象時有發(fā)生，嚴重的甚至會出現(xiàn)垮冒現(xiàn)象，但是在這種情形之下，錨桿的實際受力不大，整體安全性不高。

由此我們提出了煤巷支護預應(yīng)力結(jié)構(gòu)的概念為：在實際施工時，可以迅速地給各種支護構(gòu)件足夠的張拉力，并快速地進行傳遞，一直將其傳至頂板，令頂板巖石可以保持橫向壓縮的狀態(tài)，以便保護頂板圍巖體受到的損害，避免弱面離層問題的出現(xiàn)，從而實現(xiàn)對圍巖穩(wěn)定的保護。目前將之稱作是頂板預應(yīng)力機構(gòu)。

1.2層狀頂板預應(yīng)力結(jié)構(gòu)理論

1.2.1預拉力（或稱預緊力）的大小

預拉力的大小對整個錨桿頂板來說，要想穩(wěn)定錨桿頂板，預拉力起著至關(guān)重要的作用。

出現(xiàn)高水平應(yīng)力情況時，頂板表面勢必會遭受到損壞，而如果預拉力一直增大，能夠使整個頂板巖層保持一個橫向壓縮的情況，這樣一來，便可以有效提升抗剪能力，從而阻止它的破壞力繼續(xù)蔓延。

錨桿參數(shù)及預拉力之間要實現(xiàn)一個科學而合理的配置，從而更好地確保錨桿長度覆蓋內(nèi)與覆蓋外的頂板巖層不會遭遇離層的損傷。如果預拉力十分強大，頂板巖層的各個層位便會出現(xiàn)負應(yīng)變以及正應(yīng)變，此時，無法造成頂板的下沉問題。也就是說，預應(yīng)力結(jié)構(gòu)能夠保證只是在縱向方面有小幅度的變形，而在橫向方面不存在變形。

1.2.2水平應(yīng)力

在既定環(huán)境中，水平應(yīng)力對整個巷道頂板的穩(wěn)定有一定作用。

如果最大水平應(yīng)力與巷道軸向處于一種垂直的狀態(tài)，那么，此時的巷道不見得就難以維護，可以借助于加大預拉力保護頂板一定的穩(wěn)定性；而如果最大水平應(yīng)力與巷道軸處于的狀態(tài)是平行狀態(tài)，那么，此時巷道并一定就可以實現(xiàn)更好的維護，主要取決于其自身的強度與地應(yīng)力之間的比例，同時與預拉力的強度有關(guān)。

1.2.3頂板的穩(wěn)定性與巷道寬度和垂直壓力的關(guān)系

在既定的范圍之內(nèi)，頂板的穩(wěn)定性并不與巷道寬度及所受的垂直壓力直接相關(guān)。普遍認為，巷道越寬，則其相應(yīng)的頂板穩(wěn)定性便顯得越差。但是，這種理論僅僅在被動支護中存在，在這種情況下，拉應(yīng)力與其破壞程度成正比。

對于頂板的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的還有其他因素，比如采深因素、長壁工作面超前垂直支撐壓力等，這些因素相應(yīng)而言，也會對其穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響，但是影響微小。如果預拉力過大，此時，整個頂板的垂直壓力便會不再那么集中，相對而言，兩幫維護也更容易操作。在被動錨桿支護原則中，一向是堅持“先護幫，后控頂”，而在主動錨桿支護的原則中，則是堅持“幫頂同治”，此時幫部穩(wěn)定能夠?qū)崿F(xiàn)與頂部的對比分析。

在施工機具及施工的工藝等方面，目前的研究方向應(yīng)該集中在高預拉力的實現(xiàn)方面。在相同的地段里，同等的條件下，要盡可能地提升錨桿的預拉力，從而更好地保證穩(wěn)定性，并且有效地節(jié)省成本，進而提升掘進的整體速度。

2.煤巷預應(yīng)力支護設(shè)計方法

2.1設(shè)計方法

為了保證巷道錨桿支護這種技術(shù)是經(jīng)濟的、合理可靠的，我們就要將重點放在該技術(shù)的設(shè)計層面。就目前已經(jīng)出現(xiàn)的設(shè)計方法，大致可以劃分為三種：一是利用工程類比的手段，這里還包含了應(yīng)用一些簡單的計算公式（如常見的在回采巷道圍巖穩(wěn)定基礎(chǔ)上設(shè)計出來的方法）；二是理論計算方法，這種典型的計算法有組合拱理論及懸吊理論等；三是采用數(shù)值模擬的方式設(shè)計所需要的巷道支護桿，計算機的使用已經(jīng)進入普遍化階段，這就促進人們利用計算機來模擬巷道支護的設(shè)計，比如模擬計算地下巖石工程結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的應(yīng)力等。

2.2快速、通用、巨型礦山巷道系統(tǒng)三維有限元模型系統(tǒng)的建立

一直以來，有限元數(shù)值計算技術(shù)都是人們解決在采礦過程中出現(xiàn)的力學問題的主要方法，但是這種方法有一定的局限性（比如僅限于二維模型或者小范圍的問題），幾乎沒有考慮到水平應(yīng)力的方向性問題。除此之外，原有的數(shù)值計算技術(shù)設(shè)定出的模型往往是針對特定問題，這就使得一旦問題發(fā)生變化，已有的模型將不再適用。同時傳統(tǒng)的有限元數(shù)值計算技術(shù)在其整個分析過程（從模型的建立、運行、檢測再到最后的結(jié)果分析）中需要耗費大量資金和人力。

隨著時間的推移，人們重新審視了水平應(yīng)力方面的問題，開始慢慢質(zhì)疑在傳統(tǒng)有限元計算技術(shù)分析下得到的結(jié)果的合理性，這也使得傳統(tǒng)的方法開始受到挑戰(zhàn)。相比傳統(tǒng)的思維來說，新的思維要求擴大研究的范圍，這也就需要不斷地改進有限元方法。

目前市場上有各種有限元軟件，其中包括NASTRAN、ABAQUS、ANSYS、ALGOR、ADINA等。在選擇有限元軟件時，要考慮到各種因素的制約，比如程序本身的功能、前處理和后處理的能力、計算機的容量和速度、用戶的工作需要等。

一般來說，現(xiàn)場施工時具備三個特點：地質(zhì)不穩(wěn)定、巷道掘進比較快速與必須有支護服務(wù)，所以依據(jù)這三個特點，通常用ANSYS這款軟件。這款軟件擁有獨立的語言系統(tǒng)（APDL），使用者可以獨立的操作編程。這款語言系統(tǒng)擁有普通計算機的語言功能，包括條件、循環(huán)和賦值語句等，操作者可以通過變量建立模型。這款語言系統(tǒng)（APDL）結(jié)合ANSYS給出的大量宏指令，將采礦過程中的自動化分析和研究提上日程。

參照現(xiàn)在比較典型的設(shè)計方法，我們可以利用工具預先設(shè)立二維和三維的通用化空間立體模型。通用化的定義：當需要設(shè)計時，我們可以在輸入提示窗口輸入一些數(shù)值，確定模型的相關(guān)變量，包括采礦深度、巖石的力學性質(zhì)等，最終就會得到我們想要的一些模型。通用化的出現(xiàn)給限元建模創(chuàng)造了無限可能，使得建模過程方便快捷。

2.3設(shè)計步驟

錨桿類型多種多樣，每種類型都有自己的適用條件（應(yīng)力狀況、頂板巖性、技術(shù)條件、成本因素等）。除了一般錨桿類型外，還有用于二次支護的主動和被動型的錨索（以鋼絞線為材質(zhì)），主動和被動型的頂板系統(tǒng)（分別以鋼材和鋼絞線為材質(zhì)的載荷連續(xù)傳遞的系統(tǒng)、兩根普通斜錨桿和水平拉桿結(jié)合的并且荷載互相獨立的系統(tǒng)）。

研究表明，提高頂板穩(wěn)定性最經(jīng)濟有效的手段就是改變錨桿的預應(yīng)力。這也就使得預應(yīng)力的設(shè)計成為頂板穩(wěn)定性設(shè)計的重要部分，以下是具體的設(shè)計步驟：

（1）通過三維有限元模型來明確巷道的應(yīng)力情況。

針對這種模型，我們有以下幾個重要的設(shè)計參數(shù)：夾角（度）、深度、最大最小水平應(yīng)力（σ■、σ■）、關(guān)于圖面的一些幾何尺寸（如煤柱、采空區(qū)等）。

（2）大模型完成之后，可以針對特定的部分區(qū)域進行專門分析，分割出來的模型就稱為子模型。

大模型完成之后會自動輸出子模型的邊界條件，并且將之附加在子模型上。只要選擇合適的子模型邊界，我們就可以在子模型中分析錨桿的單元問題，能夠這樣做的原因就是錨桿所影響到的應(yīng)力范圍是有限的，這也避免我們從大模型中做非線性分析。

主要的子模型參數(shù)有：錨桿預拉力、錨桿直徑、錨桿長度、巖石層理面的力學性質(zhì)、錨桿的間距。

以上的錨桿間距并不會作為我們考慮的主要參數(shù)，原因就在于它對梁頂板的剛性不會有太大的決定作用，通常采用1.2m×1.2m的布置，這是美國50多年錨桿支護的經(jīng)驗。因此，模型輸入時的錨桿間距初選值也用1.2m。但排間距可能要根據(jù)計算后得出的所需預拉力進行調(diào)整，比如所需預拉力為10t，技術(shù)上可達到的最大預拉力為5t，那么錨桿排間距要縮小到0.6m。“剛性”梁頂板，是保證大錨桿間距的基礎(chǔ)。

2.4評判標準

水平地應(yīng)力會給層狀的巖體一定的作用力，導致頂部和底部的巖層比較容易被損壞，結(jié)果就是巖層發(fā)生分離，可是一旦頂部的巖層分離后，其受壓能力就會突然下降，支護效果受到影響的同時，會影響到一系列的安全問題，所以巷道穩(wěn)定性的檢驗標準就是頂板的分離狀態(tài)。通常我們將離層這一因素作為主要的考慮對象，所以能夠?qū)⑺鼈兘Y(jié)合，考慮錨桿支護參數(shù)時，常常將錨桿預拉力考慮進來，立足于頂板離層研究和計算，最終得到的方案中，巷道冒頂事故的概率極小。特別指出，在巖性有差別和支護條件有差異，所以將圍巖形變量定為判定標準不實際的，完全問題得不到保障。

工程上支護是不是符合標準的判斷依據(jù)是頂板預應(yīng)力的形成，厚度與承載力決定了巷道是否合格，如何設(shè)計支護結(jié)構(gòu)和預拉力的數(shù)值，決定了預應(yīng)力結(jié)構(gòu)的厚度與承載力，以上標準都必須結(jié)合實際考慮。

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