煤礦井下巷道錨桿支護(hù)方法技術(shù)性能分析

楊小龍

摘 要：文章在對(duì)錨桿支護(hù)基本原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合煤礦井下巷道錨桿支護(hù)的特點(diǎn)探討了錨桿支護(hù)的主要形式、錨固施工的具體實(shí)踐以及錨桿支護(hù)技術(shù)在井下巷道的具體應(yīng)用，并對(duì)錨固施工的技術(shù)方法及性能做進(jìn)一步的分析。

關(guān)鍵詞：錨桿；支護(hù)方法；巷道加固

中圖分類號(hào)：TD353 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）27-0020-01

錨桿支護(hù)即在完成巷道掘進(jìn)之后，為了對(duì)巷道的圍巖進(jìn)行加固而采取的技術(shù)處理措施。首先，通過(guò)在圍巖中打孔，然后在孔內(nèi)錨入對(duì)應(yīng)的錨桿，利用錨桿對(duì)圍巖進(jìn)行加固，提高圍巖的整體強(qiáng)度，使得巷道的整體強(qiáng)度得到提升。與普通的支架不同，錨桿不僅能被動(dòng)的承載巷道圍巖所產(chǎn)生的壓力而阻止巖石掉落，而且能夠充分利用錨入圍巖中的錨桿對(duì)巷道內(nèi)部圍巖自身的力學(xué)狀態(tài)予以改變，從而在巷道的四周形成一個(gè)穩(wěn)定的巖石層，能夠與錨桿形成穩(wěn)定的支撐體系?；诖耍梢哉J(rèn)為錨桿支護(hù)屬于一種主動(dòng)式的支撐方式。從具體的實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，錨桿支護(hù)能夠最大程度的確保巷道圍巖的整體穩(wěn)定性與完整性，并對(duì)圍巖的變形量、位移和縫隙等進(jìn)行控制，達(dá)到主動(dòng)支撐的目的，對(duì)礦井的支護(hù)情況予以有效改進(jìn)，提高礦井作業(yè)安全性。因此，深入分析錨桿支護(hù)工作原理，探討煤礦井下巷道錨桿支護(hù)的形式和主要技術(shù)方法，對(duì)提高錨桿支護(hù)的性能、保證巷道整體結(jié)構(gòu)性能非常重要。

1 錨桿支護(hù)的基本原理

煤礦井下錨桿支護(hù)的基本原理是基于具體的作用力而構(gòu)建的，因此，本文將基于錨桿使用過(guò)程中的作用力探討錨桿支護(hù)的基本原理。

1.1 錨桿的懸掛作用

錨桿的懸掛作用主要應(yīng)用于較薄的直接頂或者在剛度較大的老頂時(shí)，錨桿直接將下層不穩(wěn)定的巖層與上層較為穩(wěn)固的巖層通過(guò)懸掛作用而形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的整體力學(xué)體系，錨桿能夠承擔(dān)軟土巖石或者危巖的重量，達(dá)到穩(wěn)定巷道圍巖的目的。該錨固原理利用較早，且實(shí)用性較強(qiáng)，能夠有效分析錨桿加固原理。但是卻沒(méi)有考慮圍巖自身承載能力的影響，而人為的將被錨固巖層與原始巖層分開，導(dǎo)致錨桿支護(hù)分析的準(zhǔn)確性不足。

1.2 錨桿的組合梁作用

基于上述錨桿懸掛作用原理的局限性，有學(xué)者基于巷道層狀地質(zhì)結(jié)構(gòu)提出了錨桿的組合梁結(jié)構(gòu)原理。該原理主要用于分析巷道頂板由多層厚度較小而連續(xù)性較強(qiáng)的圍巖。其原理是在沒(méi)有完全穩(wěn)固的小厚度層狀圍巖結(jié)構(gòu)中，錨桿能夠起到錨固小厚度巖層的作用，使之形成一個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的巖石梁，從而提高頂板的承載能力。

1.3 減跨度、提剛性作用

在巷道頂板設(shè)置錨桿相當(dāng)于在該位置設(shè)置結(jié)構(gòu)柱，從而使得整個(gè)圍巖頂板懸空的跨度縮小，提高了巷道控件的整體剛度，使得巷道頂板巖層的整體抗彎曲能力得到提升。但是該原理與錨桿懸掛理論類似，也不能提供錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)。

1.4 錨桿的擠壓加固作用

當(dāng)頂板巖層屬于塊狀的圍巖結(jié)構(gòu)時(shí)，通過(guò)錨桿的錨入能夠顯著提高巷道圍巖之間的密實(shí)度，通過(guò)這種巖塊之間的加壓作用而在圍巖對(duì)應(yīng)厚度范圍內(nèi)形成一個(gè)具有穩(wěn)定自持能力的圍巖結(jié)構(gòu)，從而使得巷道頂板結(jié)構(gòu)得到加固。

2 錨桿支護(hù)的主要結(jié)構(gòu)形式

在實(shí)際的錨桿支護(hù)過(guò)程中，主要應(yīng)用的錨桿組合構(gòu)件包括7種：①單體錨桿；②錨桿網(wǎng)；③錨桿鋼帶；④錨桿粱；⑤錨桿桁架；⑥錨桿錨索；⑦組合結(jié)構(gòu)，如錨梁網(wǎng)、錨帶網(wǎng)索、錨帶網(wǎng)等。

錨桿布置基本形式。在實(shí)際的布置過(guò)程中，多采用“三花”布置、“五花”布置以及矩形布置三種基本形式，對(duì)應(yīng)的錨固間距分別為0.6 m、0.8 m和1.0 m。當(dāng)巷道的頂板結(jié)構(gòu)狀態(tài)較優(yōu)時(shí)，可以采用組合錨固結(jié)構(gòu)，這時(shí)錨固距離可以根據(jù)情況選擇1 m或1.2 m。

錨固的主要方式。錨桿所采用的錨固方式主要包括端頭錨固、加長(zhǎng)錨固以及全長(zhǎng)錨固三種。在實(shí)際的選擇過(guò)程中要結(jié)合使用的錨桿性能以及巷道圍巖的實(shí)際強(qiáng)度等進(jìn)行選擇。

樹脂錨固劑。使用錨固劑與不同材質(zhì)的錨桿桿體粘接已經(jīng)成為了當(dāng)前錨固工程的有效方式。其具有粘接能力強(qiáng)、固化速度快以及持久性好的特點(diǎn)，且能夠有效抵御外部因素，諸如濕度、溫度等影響，能夠顯著提升整個(gè)錨固體系的穩(wěn)定性。

孔眼、錨桿、樹脂藥卷直徑的合理配對(duì)。錨桿支護(hù)的最終目的在于對(duì)巷道圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)固控制，減少其在使用過(guò)程中的變形、裂隙等。而錨桿錨固力的大小又直接關(guān)系到圍巖變形的能力。因此，為了對(duì)錨固力進(jìn)行控制，并保證其能夠順利安裝，通常所鉆孔眼的直徑為28 mm。

3 煤礦井下巷道錨桿支護(hù)技術(shù)及性能分析

3.1 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)

當(dāng)前，煤礦井下巷道錨桿設(shè)計(jì)的過(guò)程中，大多采用基于動(dòng)態(tài)信息的設(shè)計(jì)方法，即在整個(gè)施工過(guò)程中，并不一次性的完成所有錨桿支護(hù)的設(shè)計(jì)工作，利用巷道的各個(gè)支護(hù)位置的反饋信息進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的支護(hù)設(shè)計(jì)，從而使得所設(shè)計(jì)的錨桿支護(hù)方式滿足實(shí)際的圍巖狀況。在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，重點(diǎn)需要對(duì)錨桿與錨索之間的匹配進(jìn)行設(shè)計(jì)，這是保證錨桿支護(hù)性能得以重復(fù)發(fā)揮的基礎(chǔ)。另外，錨桿托板和螺母也必須與錨桿桿體的整體強(qiáng)度相匹配。這樣，才能夠使得設(shè)計(jì)的錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)形式、力學(xué)性能以及設(shè)計(jì)參數(shù)等相互協(xié)調(diào)，使得錨桿支護(hù)性能得到充分發(fā)揮。

3.2 錨桿材料的選擇

隨著錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展和完善，錨桿材料的研發(fā)和使用也得到了迅速的發(fā)展。從當(dāng)初使用的低強(qiáng)度材料發(fā)展成為當(dāng)前廣泛應(yīng)用的強(qiáng)力支護(hù)。最初，國(guó)內(nèi)錨桿支護(hù)主要使用Q235圓鋼進(jìn)行支護(hù)，而且在部分地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的區(qū)域依然有使用。但是在井下巷道結(jié)構(gòu)中，由于大部分的錨桿結(jié)構(gòu)多復(fù)雜，Q235材料已經(jīng)不能滿足實(shí)際的使用需要，因此當(dāng)前多使用專門的高強(qiáng)度螺紋鋼作為支護(hù)使用的材料，其利用形狀和結(jié)構(gòu)的多重優(yōu)化來(lái)提高錨固穩(wěn)定性。

3.3 錨固與注漿組合加固技術(shù)

圍巖中經(jīng)常會(huì)含有大量的塊狀巖石，單純的使用錨桿支護(hù)技術(shù)并不能夠達(dá)到預(yù)期的支護(hù)效果。因此，通過(guò)使用注漿與錨桿支護(hù)相結(jié)合的加固方式能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)圍巖的有效加固。這也是當(dāng)前有效出力破碎圍巖的有效支護(hù)方式之一。結(jié)合當(dāng)前礦井巷道的實(shí)際特點(diǎn)，根據(jù)采用的實(shí)際錨桿結(jié)構(gòu)，基于小孔徑樹脂錨索技術(shù)，可以設(shè)計(jì)使用樹脂與注漿錨桿組合的錨固錨索技術(shù)，提高對(duì)破碎圍巖的出力能力。

4 錨桿支護(hù)成套技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

本文主要就大斷面矩形巷道錨固技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行分析。某煤礦使用厚煤層一次采全高的開采方法，其巷道內(nèi)煤層均厚為4.92 m左右，局部煤層抗壓強(qiáng)度在8.0 MPa左右。其直接頂主要是泥巖與砂質(zhì)泥巖，均厚為5.73 m，抗壓強(qiáng)度在24.3～34.4 MPa之間，屬于節(jié)理裂隙發(fā)育地層。整個(gè)作業(yè)面的超寬部分為10 m左右，斷面面積達(dá)到48 m2，是典型的大斷面巷道，錨桿支護(hù)難度較大。在錨桿支護(hù)方法設(shè)計(jì)過(guò)程中，基于理論分析以及數(shù)值計(jì)算之后，決定使用高預(yù)應(yīng)力與強(qiáng)力錨桿、錨索相組合的支護(hù)方式。錨桿為BHRB600型、準(zhǔn)22 mm螺紋鋼強(qiáng)力錨桿，全長(zhǎng)2.8 m，抗拉強(qiáng)度為300 kN。同時(shí)，其鋼索托板使用強(qiáng)度較高的可調(diào)托板，并每排布置4根錨索，兩者相互間距2 m。在施工之后，發(fā)現(xiàn)支護(hù)狀態(tài)得到有效改善，頂板沒(méi)有出現(xiàn)明顯的變形以及分離層等，兩側(cè)幫的變形量較小。表明所設(shè)計(jì)的錨桿支護(hù)方式不但能夠控制頂板的變形量，而且能夠持續(xù)降低煤幫位置的壓力。

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