針對大斷面巷道錨桿支護(hù)參數(shù)改進(jìn)的研究

祖賀軍

（河南理工大學(xué) 454010）

針對大斷面巷道錨桿支護(hù)參數(shù)改進(jìn)的研究

祖賀軍

（河南理工大學(xué) 454010）

錨桿錨索支護(hù)技術(shù)取得了一定的進(jìn)步，通常情況下錨桿錨索支護(hù)技術(shù)處在巷道下的技術(shù)已十分完善。解決好礦井開采的安全技術(shù)與擴(kuò)大其開采范圍的重要措施在于如何處置大斷面、大跨度的支護(hù)問題。本文歸納出支護(hù)參數(shù)設(shè)計措施，其主要是針對大斷面桿錨索。

耦合支護(hù)；頂板；錨桿支護(hù)；數(shù)值模擬

引言

礦井能夠使產(chǎn)量與效率保持高水平的必要前提在于巷道支護(hù)有效而合理的保護(hù)，對于煤礦安全生產(chǎn)來講，錨桿支護(hù)技術(shù)起到了舉足輕重的作用。錨桿支護(hù)方式的大規(guī)模應(yīng)用使煤礦企業(yè)在技術(shù)與經(jīng)濟(jì)上取得了極大的突破，而這主要源于錨桿支護(hù)方式的下列特點：費用少、率效高、支護(hù)效果佳，巷道支護(hù)以后的發(fā)展趨勢必將是錨桿支護(hù)。

本文所采用的工程實例為南屯煤礦三采東區(qū)回采巷道支護(hù)，進(jìn)一步分析了大斷面、大跨道巷道錨桿支護(hù)。概括出的矩形巷道圍巖塑性區(qū)的確定措施主要依據(jù)在于對錨桿（索）支護(hù)機(jī)理展開探討，而這種針對大跨度巷道的錨桿設(shè)計方法立足于實際。

1 工程概況

現(xiàn)階段對南屯煤礦開采水平保持在3上煤和3下煤服務(wù)的-350m主水平，為16上煤和17煤服務(wù)的-432m主水平，同時還包括5個鋪助水平，即-290m、-440m、-260m、-670m、-537m。把厚、中煤層、礦井厚概括為12個采區(qū)，在1984年開始廣泛應(yīng)用綜合機(jī)械開采技術(shù)，礦井對采區(qū)合并技術(shù)進(jìn)行了完善與創(chuàng)新，主要是為了促進(jìn)綜采機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展。十二、十一、十、九采區(qū)重組成為九采區(qū)，八、七、六采區(qū)重組為七采區(qū)；五、四、三采區(qū)合并為三采區(qū)；二、一采區(qū)重且為一采區(qū)。目前，一采區(qū)已開采結(jié)束且停止使用，而九采區(qū)與七采還在正常使用當(dāng)中。

2 巷道不平衡受損機(jī)理

巷道工程不平衡狀況的出現(xiàn)本身與地層壓力的效應(yīng)相一致，假設(shè)不同次數(shù)的應(yīng)力量值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一些圍巖的強(qiáng)度極限或塑性極限或?qū)鷰r的塑性狀態(tài)有明顯的作用性，那么圍巖將會出現(xiàn)明顯的松碎和變形，破裂和破壞等情況，地層壓力就會顯現(xiàn)出來。地層壓力效應(yīng)直接影響著地下工程進(jìn)展后的工作狀況，圍巖和二次應(yīng)力發(fā)生的形變，所產(chǎn)生的強(qiáng)度是難以估計的。地層壓力包括了膨脹壓力和形變壓力及松動壓力等。地下工程不平衡受損的原因是這三種壓力跟圍巖之間形成的支護(hù)結(jié)構(gòu)的結(jié)果，假設(shè)巷道工程得不到適時的支護(hù)。形變壓力對圍巖的作用力表現(xiàn)在其能夠引起圍巖的不平衡受損并演變?yōu)樗蓜訅毫Α?/p>

煤層地下工程包含的一些礦物質(zhì)具有膨脹特性，而這些礦物質(zhì)往往藏在巷道圍巖中里面，像高嶺石和伊利石及蒙脫石等。在動工時，巖體與水相遇但仍可探測到整體的膨脹變形及移動。在一定支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力下，膨脹變形將會產(chǎn)生另一種壓力。出現(xiàn)這種情況的原因跟圍巖的顆粒細(xì)有關(guān)，圍巖的毛細(xì)管是互通并有著一定的吸水性，巖體的體積隨即增大并移往地下工程內(nèi)空的位置，造成支付結(jié)構(gòu)的影響。

3 煤巖巷道工程支護(hù)原則

煤巖巷道支護(hù)以實際工程作為問題分析的支撐，并沒有絕對的標(biāo)準(zhǔn)化支護(hù)。煤巖不論從宏觀地質(zhì)上分析還是從微觀上分析，都有著極大的差別。因此，其所需要的支護(hù)對策也是有針對性選擇的。煤巖工程與支護(hù)的穩(wěn)定，必須對煤巖的形變力學(xué)有足夠的把握，掌握煤巖工程變形的原因，才能針對性地實施科學(xué)的支護(hù)措施。

4 錨桿（索）支護(hù)設(shè)計理論和方法

懸吊理論顯示把錨桿支護(hù)應(yīng)用到巷道頂板不強(qiáng)的巖層懸吊上，使巖層得以穩(wěn)定。

4.1 巷道支護(hù)機(jī)理分析

根據(jù)目前的錨桿支護(hù)理論，對錨桿支護(hù)起到支撐的理論包括懸吊理論和組合梁理論及加固拱理論?，F(xiàn)在檸條塔煤礦面臨的狀況是錨桿支護(hù)的穩(wěn)定和擴(kuò)容工作。

由圍巖現(xiàn)存的破壞變形情況可得知錨桿支護(hù)的穩(wěn)定和擴(kuò)容情況，包括：

（1）巷道圍巖破壞變形規(guī)律的不同時段表現(xiàn)存在明顯差異。所以錨桿支護(hù)的受力情況要受巷道的影響。

（2）錨桿最初用于對破碎巖塊的掉落造成阻力，使表面圍巖得以穩(wěn)定，使巖層彎曲及壓曲得以平衡。錨桿安裝的及時能夠?qū)χёo(hù)結(jié)構(gòu)起到較好的作用。

（3）時間越長，巷道圍巖的平衡受損表現(xiàn)得越明顯。如果錨桿裝進(jìn)穩(wěn)定巖層，那么巖層和穩(wěn)定層緊靠在一起，有效地加強(qiáng)了巷道的穩(wěn)定性。由于錨桿提供切向和徑向力量，巖層的擴(kuò)容和離層及滑動得到了很好的控制，因而其承載能力也得到了相應(yīng)的提高。

（4）錨桿未進(jìn)入穩(wěn)定巖層時，將在破壞區(qū)內(nèi)形成次生承載層，它有助于上部完整巖層的鞏固和穩(wěn)定，同時，圍巖深部應(yīng)力將趨于內(nèi)移及均勻。

（5）次生承載層厚度的因素并不是唯一和靜止的。如果比巷道尺寸小，那么就要跟壓曲及彎曲的不平衡性相聯(lián)系。

（6）鋼帶和鋼筋托梁的使用是對錨桿間的破碎巖塊進(jìn)行加固的。錨固區(qū)巖層的擴(kuò)容和離層，其受力情況不斷加大，對錨桿間圍巖的擴(kuò)容和離層形成一定的阻力，不斷加大次生承載層的承載力和厚度。

4.2 煤礦巷道頂板錨桿作用機(jī)理

從組合梁理論中可以得知，頂板巖層如果有不同的分層，頂板錨桿負(fù)責(zé)加大不同巖層的錨固力，使摩擦增大，從而減輕巖石沿層面滑動，使各巖層的分離現(xiàn)象得以控制；另外，錨桿桿體有效防止巖層間的水平滑動，把巷道頂板中的薄巖層鎖緊，形成一個較厚的巖層體，叫做組合梁。

依據(jù)該理論進(jìn)行頂部錨桿計算，梁的載荷如下：

p0=γ1gH

式中：W01——巷道頂部的寬度，m；

H——錨桿加固長度，m。

巖梁安全工作的條件為：

錨桿長度最小應(yīng)為l=h2+3p0錨桿外露長度。

式中：3p0是巷道頂部錨桿加固范圍內(nèi)薄弱巖體的抗拉強(qiáng)度，MPa。

4.3 煤礦巷道錨桿支護(hù)組合拱（壓縮拱）理論

根據(jù)組合拱理論可知，拱形巷道圍巖的破裂區(qū)的預(yù)應(yīng)力錨桿，把壓應(yīng)力集中在桿體兩端，形成圓錐形。假設(shè)巷道四周安裝的錨桿群，并且錨桿的間距小到一定的范圍，壓應(yīng)力圓錐體形成交錯，巖體中將會出現(xiàn)一種均勻的壓縮帶，這種壓縮帶也稱為承壓拱。承壓拱的承受能力足以承受其上部破碎巖石施加的徑向荷載。承壓拱的受力處于三向應(yīng)力狀態(tài)，三向應(yīng)力狀態(tài)是一種均勻的應(yīng)力狀態(tài)，這樣圍巖強(qiáng)度得到一定的加強(qiáng)，同時支撐能力也得到有效的鞏固。

4.4 構(gòu)造應(yīng)力作用理論

澳大利亞學(xué)者蓋爾（W.J.Gale）提出的最大水平應(yīng)力理論也就是構(gòu)造應(yīng)力作用的理論。礦井巖層的水平應(yīng)力一般比垂直應(yīng)力大，水平應(yīng)力有著明確的方向性，水平應(yīng)力的最大與最小差額一般為1.5～2.5倍。水平應(yīng)力跟巷道頂?shù)装宓姆€(wěn)定性密切相關(guān)，其特征表現(xiàn)如下：

（1）頂?shù)装宸€(wěn)定性最好的是的跟最大水平應(yīng)力平行的巷道，其受水平應(yīng)力作用最?。?/p>

（2）頂?shù)装遄冃纹茐钠蛳锏滥骋粠偷氖歉畲笏綉?yīng)力呈銳角相交的巷道；

（3）頂?shù)装宸€(wěn)定性最差的要數(shù)跟最大水平應(yīng)力垂直的巷道。

5 結(jié)束語

本文主要闡述了穩(wěn)定性控制方法和原則及軟巖巷道的特性，以及錨固耦合支護(hù)理論實施方法。由南屯煤礦三采東區(qū)段巷道作工程背景，有效實現(xiàn)了錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)的基礎(chǔ)上對耦合支護(hù)使用。

TD353

A

1004-7344（2016）01-0164-02

2015-12-1