錨桿支護(hù)原理及其在煤礦中的應(yīng)用分析

開灤股份有限公司 呂家坨礦業(yè)分公司 巨云峰

錨桿支護(hù)原理及其在煤礦中的應(yīng)用分析

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目前，錨桿支護(hù)工藝作為一種新興的支護(hù)技術(shù)，它在煤巷掘進(jìn)施工中得到了廣泛應(yīng)用，為煤礦采掘工作帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)和安全效益。但是，由于錨桿支護(hù)施工受周邊巷道壓力、煤巖體產(chǎn)狀、煤巖體性質(zhì)、開掘巷道周邊圍巖賦存狀態(tài)、礦體采動等多方面因素影響，迄今仍未形成一套完整、系統(tǒng)的錨桿支護(hù)理論。

一、錨桿支護(hù)原理

現(xiàn)有的錨桿支護(hù)原理都是以實踐及實驗基礎(chǔ)上提出的假說為依據(jù)，對錨桿支護(hù)技術(shù)的作用進(jìn)行理論解釋。目前，已被基層煤礦工作者接受并熟知的錨桿支護(hù)原理主要有錨桿懸吊作用原理、組合梁作用原理和組合拱作用原理。這3種原理均以某一理想的均質(zhì)狀態(tài)下的煤巖層賦存條件為基礎(chǔ)，從不同的角度對錨桿的支護(hù)作用進(jìn)行解釋。

1.懸吊作用原理。巷道開挖后會使周邊圍巖應(yīng)力重新分布，巷道上頂圍巖會出現(xiàn)新舊不連續(xù)面，圍巖的自重作用也會使鄰近巷道的上頂巖體成為游離的巖塊，錨桿的支護(hù)作用就是將這些游離的巖塊懸吊在巷道上頂穩(wěn)定的巖層面上。簡單來說，這一理論認(rèn)為，頂錨桿所懸吊的重量應(yīng)等于巷道上頂冒落帶內(nèi)所有巖塊的重量。

2.組合梁作用原理。巷道開挖后，暴露的頂板會出現(xiàn)彎曲、下沉、離層等現(xiàn)象。在這一過程中，頂板巖石各層面間將產(chǎn)生垂直和水平位移。當(dāng)位移量達(dá)到一定程度時，巖層就會斷裂成巖塊；當(dāng)巖塊之間的摩擦阻力承受不了巖塊自重時，巖塊就會掉落（被稱為頂板冒落）。采用錨桿支護(hù)后，由于錨桿預(yù)緊力的作用，錨桿兩端頭之間的巖石各層面會連結(jié)成為一個組合的整體——人工巖梁。這種人工巖梁的彎曲變形程度是相當(dāng)小的，不易達(dá)到彎曲變形破壞的極限，從而起到對上頂支護(hù)的作用。

3.組合拱原理。這一理論是在巷道為拱形斷面的基礎(chǔ)上確立起來的。該理論認(rèn)為，巷道開挖過程中，其整體周邊煤巖內(nèi)均使用錨桿支護(hù)，由于錨桿預(yù)緊力的作用，在每一根錨桿兩端頭之間將形成立體三維圓錐體形壓應(yīng)力分布區(qū)域，各相鄰錨桿之間的圓錐體形壓應(yīng)力分布區(qū)域相互疊加，形成一個組合拱，這個組合拱不僅可以承受錨桿涉及范圍內(nèi)巖石自身的重量，還可以承受上部破碎巖石所施加的徑向壓力，進(jìn)而對巷道起到支護(hù)作用。

二、錨桿支護(hù)原理在巷道掘進(jìn)施工中的應(yīng)用實例分析

本文，筆者以某煤層沿板施工巷道為例，對錨桿的支護(hù)作用進(jìn)行具體分析。該煤層工作面地面相應(yīng)位置西北約0.33 km處為小寨村莊，地面標(biāo)高為＋29.5 m，掌傾斜上方工作面于2007年回采完畢，東部相鄰工作面與2009年回采完畢，下伏某煤層傾斜上方工作面正在回采。

1.圍巖情況。煤層老頂為灰色粉砂巖，厚5.5 m，成分以泥質(zhì)為主，泥硅質(zhì)膠結(jié)，層面含炭膜，可見燧石。直接頂為泥巖，厚0.7 m，呈深灰色，為致密、均一狀態(tài)，可見植物莖葉化石，近煤含炭質(zhì)。圍巖單向抗壓強(qiáng)度為77.09 MPa，單向抗拉強(qiáng)度為3.24 MPa；煤層沉積較穩(wěn)定，以光亮型、半光亮型為主，煤層平均厚3.1 m，。

2.支護(hù)技術(shù)要求。巷道施工方法為沿板按線機(jī)掘打錨桿施工，設(shè)計巷道斷面規(guī)格為4 500 mm×2 600 mm，頂錨桿為直徑20 mm、長2 200 mm的左旋螺紋金屬錨桿，設(shè)計間距750 mm、排距800 mm；幫錨桿為直徑20 mm、長2 200 mm的左旋螺紋金屬錨桿。

3.巷道開挖后上頂問題表現(xiàn)。巷道開挖后，迎頭頂板出現(xiàn)片狀剝落，剝落巖塊形體為中厚邊薄的不規(guī)則片狀體。如不及時控制，將不間斷地剝落，直到露出穩(wěn)定的老頂為止。

4.采用錨桿支護(hù)后巷道上頂及支護(hù)情況的變化。錨桿支護(hù)后，巷道上頂變形量減小，兩幫穩(wěn)定，煤壁向巷道內(nèi)推移量不明顯；頂幫錨桿托板因受錨桿拉力致使變形量減小。

5.錨索加固分析。在錨桿支護(hù)掘進(jìn)施工中，錨索加固是錨桿支護(hù)不可分割的一部分。該巷道施工采用了打錨索的方法加固，錨索選用Φ17.8 mm、5×7股高強(qiáng)度、低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長6.5 m。錨索托盤選用一字（3孔或2孔）錨索梁，當(dāng)局部頂板不完整時，托盤選用25U型鋼十字托盤（大小為400 mm×400 mm）。錨索布置間距1.1 m、排距3.2 m，3根錨索分別布置在巷道中線及其兩側(cè)。

6.對錨桿支護(hù)原理的分析判斷。根據(jù)對該巷道掘進(jìn)工作面迎頭開挖后周邊圍巖狀況的變化情況、后路成形巷道的周邊圍巖變化和錨桿支護(hù)的變形情況的觀察，可以發(fā)現(xiàn)，沿板掘進(jìn)巷道中，在錨桿錨固段處于頂板穩(wěn)定層位且錨桿作用段頂板相對穩(wěn)定的情況下，懸吊作用和組合梁作用相對明顯，組合拱理論的作用相對次之。

7.控制圍巖變形、離層。在錨桿打好后，由于錨桿的螺母只是擰緊為止，圍巖沒有受外加預(yù)緊力的影響，錨桿還處于等勁的狀態(tài)，因此，錨桿支護(hù)還沒有真正地發(fā)揮作用。只有當(dāng)巖層發(fā)生離層、變形、滑移時錨桿才能進(jìn)入正常工作負(fù)載狀態(tài)。這就不能有效控制 頂板的離層、滑動和變形，從而導(dǎo)致頂板處于不穩(wěn)定狀態(tài)。圍巖只有通過錨桿、錨索的外加預(yù)緊力形成一個有力的剛性體，使圍巖的離層滑動受到錨桿、錨索的限制，才能真正發(fā)揮圍巖的自身承載作用。

對錨桿施加高預(yù)緊力可將巷道圍巖緊緊的擠壓在一起，使巖層處于壓縮狀態(tài)，巖層就不會產(chǎn)生離層、滑動、變形等變化。從而大大提高了巷道的剛度，充分發(fā)揮了圍巖自身的支護(hù)能力，提高了頂板的穩(wěn)定性。目前，我國新汶及淮南等煤礦錨桿巷道均采取了對錨桿施加高預(yù)緊力（預(yù)緊力為80 ～ 100 kN）的措施，有效地控制了圍巖變形、離層與破壞，保護(hù)了圍巖的完整性與穩(wěn)定性，不但顯著提高了支護(hù)效果，而且大大降低了頂板事故率，提高了巷道的安全性與可靠性。

三、結(jié)論

1.巷道支護(hù)施工前，要進(jìn)行巷道類比和綜合評價，在總結(jié)過去施工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上確定錨桿支護(hù)方案。

2.在巷道施工中，還要綜合考慮到巷道所在區(qū)域內(nèi)的大區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、小范圍內(nèi)的地質(zhì)變化、頂幫煤巖的巖性變化、圍巖產(chǎn)狀、賦水情況等多方面因素。

3.施工時應(yīng)采用高預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)度錨桿聯(lián)合支護(hù)。這樣，一次支護(hù)便可能有效地控制圍巖變形與離層等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，避免巷道的二次支護(hù)和維修，不僅可以節(jié)省大量的人力及財力，還可以有力保障煤礦的安全生產(chǎn)。

綜上，錨桿支護(hù)必須要以實踐為基礎(chǔ)，以支護(hù)理論為階梯，在實際工作中不斷探索、不斷完善，進(jìn)一步提升巷道錨桿支護(hù)水平。