錨桿加固圍巖潛力研究及應(yīng)用

鄭再拓

摘 要：

隨著社會(huì)發(fā)展，人們對(duì)煤礦安全的關(guān)注也越來越高，當(dāng)今煤礦巷道掘進(jìn)速度一再提升，這就對(duì)巷道安全提出了更高的要求。本文探討了錨桿支護(hù)理論研究現(xiàn)狀，分析了巷道錨桿支護(hù)理論及技術(shù)現(xiàn)存的主要問題。

關(guān)鍵詞：安全； 巷道； 圍巖

引言

我國從1956年起在煤礦巖巷中使用錨桿支護(hù)，到60年代末，錨固技術(shù)己在我國的礦山、冶金、水電、交通、土木建筑等領(lǐng)域內(nèi)廣泛采用，應(yīng)用范圍由堅(jiān)硬穩(wěn)定巖石發(fā)展到松軟破碎巖石，由小巷道發(fā)展到大跨度硐室，至今己近50年的歷史了。我國煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用主要經(jīng)歷了三個(gè)階段：80年代中期至90年代初為起步階段；1991一1995年為“八五”攻關(guān)階段；1996年至今為引進(jìn)技術(shù)和提高階段。錨桿支護(hù)在技術(shù)上有了較大的發(fā)展，煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的提高，對(duì)于平衡采掘關(guān)系，加快高產(chǎn)高效礦井建設(shè)，提高煤礦經(jīng)濟(jì)效益將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。煤巷錨桿支護(hù)不同于一般巖巷的錨噴（網(wǎng)）支護(hù)。它的主要型式是單體錨桿；錨桿加W鋼帶（或鋼筋梁）或加網(wǎng)，或者加W鋼帶（鋼筋梁）及網(wǎng)，簡(jiǎn)稱為錨梁、錨網(wǎng)或錨梁網(wǎng)支護(hù)。我國煤巷錨桿支護(hù)在不斷發(fā)展中也取得了不少寶貴經(jīng)驗(yàn)，主要有：?jiǎn)误w錨桿支護(hù)、錨梁網(wǎng)組合支護(hù)、軟巖巷道錨桿支護(hù)、深井巷道錨桿支護(hù)、沿空巷道錨桿支護(hù)、錨桿與金屬支架聯(lián)合支護(hù)等。

錨桿支護(hù)屬于主動(dòng)支護(hù)方式，有利于加固圍巖和提高圍巖強(qiáng)度，保持巷道的長期穩(wěn)定。同架棚支護(hù)相比，錨桿支護(hù)的優(yōu)越性主要表現(xiàn)在：由于錨桿是主動(dòng)支護(hù)頂板，防止早期離層，大大改善了巷道的穩(wěn)定狀況，有利于巷道維護(hù)。錨桿支護(hù)與工字鋼棚支護(hù)相比，支護(hù)成本可降低30%左右，維護(hù)費(fèi)用可降低30%—50%，有利于工作面單產(chǎn)和效率的提高，另外也可減少支護(hù)材料運(yùn)輸量，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和勞動(dòng)量，改善作業(yè)環(huán)境，為回采工作面安全快速推進(jìn)和實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效創(chuàng)造了有利條件。

1錨桿支護(hù)理論研究現(xiàn)狀

隨著錨桿支護(hù)工程實(shí)踐的不斷豐富，錨桿支護(hù)的理論計(jì)算模型己有許多有價(jià)值的成果。目前，較成熟的理論主要有：一、基于錨桿的懸吊作用而提出的懸吊理論；二、基于錨桿的擠壓加固作用而提出組合梁理論；三、綜合錨桿的各種作用或基于特殊條件而提出的錨桿桁架支護(hù)理論、錨注理論、松動(dòng)圈理論、錨固體強(qiáng)度強(qiáng)化理論等。

1、懸吊理論，懸吊理論認(rèn)為：錨桿支護(hù)是通過錨桿將軟弱、松動(dòng)不穩(wěn)定的直接頂板錨固在比較堅(jiān)硬的巖層上，以防止其離層滑脫，起到懸吊作用，在這種理論下，錨桿主要是提供足夠的拉力，用于克服離層巖體的重力。該理論適用于錨桿長度范圍內(nèi)賦存有穩(wěn)定巖層的條件。

2、組合梁理論，組合梁也是一般公認(rèn)的支護(hù)作用理論，組合梁理論是從經(jīng)典的材料力學(xué)中借用而來的。在美國七十年代無拉力全長膠結(jié)錨桿盛行時(shí)，組合梁理論被廣泛用來解釋錨桿的支護(hù)機(jī)理，其主要要點(diǎn)是：錨桿的軸向作用力將頂板各分層加緊，各分層相互擠壓，以增強(qiáng)各分層間的摩擦作用，提高層間抗剪力，各分層貫穿在一起形成一個(gè)厚的組合梁，薄的巖石分層能獨(dú)立抗拒的拉應(yīng)力較小，而厚的組合梁抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度大大提高。在錨桿與巖石層面橫交處，錨桿與膠結(jié)物一起共同阻止巖層沿層理面的水平錯(cuò)動(dòng)。材料力學(xué)中的組合梁理論本身不考慮水平側(cè)壓的影響，而只考慮垂直載荷。該理論適用于頂板由多層小厚度連續(xù)性巖層組成的巷道支護(hù)。

3、錨桿桁架支護(hù)理論，錨固桁架對(duì)巷道的加固作用主要表現(xiàn)在①改變頂板的應(yīng)力狀態(tài)。即隨著桁架錨桿預(yù)緊力的增加，頂板中部的拉應(yīng)力將減小，甚至出現(xiàn)壓應(yīng)力，從而彌補(bǔ)了巖體抗拉強(qiáng)度較小的弱點(diǎn)。②促進(jìn)頂板裂隙體梁的形成。當(dāng)巷道開挖在層狀巖體中且頂板極軟和破碎時(shí)，頂板的破壞和變形可以用“巖梁”理論來分析，它的穩(wěn)定性取決于裂隙體梁的成拱作用，桁架錨桿的預(yù)緊力可以增強(qiáng)裂隙體間的擠壓作用，從而增強(qiáng)其間的摩擦作用，并可約束巖層的下沉變形，有利于裂隙體梁達(dá)到壓力拱式的平衡狀態(tài)。

2巷道錨桿支護(hù)理論及技術(shù)現(xiàn)存的主要問題

雖然錨桿支護(hù)理論取得了巨大的成就，并在指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)實(shí)踐方面發(fā)揮了積極的作用，但能夠用于定量支護(hù)設(shè)計(jì)的方法仍存在嚴(yán)重不足，由于錨桿支護(hù)機(jī)理的復(fù)雜性和多樣性，已有的理論計(jì)算模型都是經(jīng)過大量的簡(jiǎn)化而得到的，其結(jié)果往往與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐存在較大的誤差，或者對(duì)錨桿的支護(hù)效果體現(xiàn)的不明顯。主要表現(xiàn)在：

1、現(xiàn)有的錨桿支護(hù)理論存在一定的局限性，難以滿足復(fù)雜條件下尤其是煤巷圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)的要求。懸吊作用的實(shí)現(xiàn)有賴于錨桿有效長度范圍內(nèi)堅(jiān)固穩(wěn)定巖層的存在。組合梁作用的實(shí)現(xiàn)要以連續(xù)層狀頂板為條件。而擠壓加固作用僅能在巷道為拱形斷面的條件下，才能得以較好地發(fā)揮。由于煤巷圍巖具有強(qiáng)度低，裂隙發(fā)育等內(nèi)在的不穩(wěn)定因素，因而不具備錨桿組合梁的形成條件；在錨桿有效長度范圍內(nèi)往往沒有穩(wěn)固巖層，因而難以發(fā)揮錨桿的懸吊作用。由于煤巷多為矩形或梯形斷面，傳統(tǒng)的擠壓加固拱理論不再適用。

2、數(shù)值計(jì)算方法出現(xiàn)后，克服了解析計(jì)算中的諸多的困難，擴(kuò)大了定量分析的范圍。但由于模型本身的缺陷，并不能較好地反映出錨桿加固的實(shí)際效果；而且，數(shù)值計(jì)算方法很難在現(xiàn)場(chǎng)推廣和普及，現(xiàn)場(chǎng)的支護(hù)設(shè)計(jì)很大程度上依賴于經(jīng)驗(yàn)類比，這就不可避免的帶有一定的盲目性，因?yàn)殄^桿支護(hù)屬于隱蔽性工程，這種類比設(shè)計(jì)的盲目性，有時(shí)可能會(huì)造成頂板離層冒落，而且頂板冒落前征兆不明顯，具有突發(fā)性，帶來嚴(yán)重的事故。

3、在現(xiàn)場(chǎng)錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方面，傳統(tǒng)的錨桿支護(hù)理論只能從宏觀上、理論上解釋錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)，對(duì)于錨桿支護(hù)定量設(shè)計(jì)的貢獻(xiàn)不大，因此，沒有涉及錨桿增加圍巖穩(wěn)定性潛力的定量描述問題。

3結(jié)論

錨桿支護(hù)對(duì)于巷道安全至關(guān)重要，隨著科技發(fā)展，錨桿加固相關(guān)理論也層出不窮。而對(duì)于煤礦安全運(yùn)行來說，找到合適本煤礦應(yīng)用的錨桿加固方法則是考驗(yàn)煤礦工作者智慧的要點(diǎn)。

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（作者單位：淮南礦業(yè)集團(tuán)朱集東煤礦開拓一區(qū)，安徽 淮南232000）endprint