礦井巷道掘進(jìn)中錨桿支護(hù)優(yōu)化技術(shù)研究

李艷光

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司四臺(tái)礦， 山西 大同 037000）

引言

為實(shí)現(xiàn)礦井巷道的快速掘進(jìn)，需要對(duì)掘進(jìn)、支護(hù)、運(yùn)輸?shù)裙ば蜻M(jìn)行合理的設(shè)計(jì)優(yōu)化，使其相互間緊密銜接，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，實(shí)現(xiàn)礦井開采的高產(chǎn)高效。在煤礦施工中，制約礦井巷道快速掘進(jìn)的因素有煤礦地質(zhì)狀況、掘進(jìn)挖掘設(shè)備、施工工藝、施工整體隊(duì)伍及其管理、支護(hù)技術(shù)等，其中錨桿支護(hù)的工作量占整個(gè)礦井巷道掘進(jìn)工作量的50%以上，是影響掘進(jìn)效率的關(guān)鍵因素[1]。而錨桿支護(hù)中錨桿對(duì)巷道巖體具有很強(qiáng)的加固作用，表現(xiàn)在：一是錨桿與巷道圍巖巖體黏結(jié)成整體，使巖體的抵抗變形水平明顯提高，圍巖整體的完整性也加強(qiáng)；二是借助于錨桿的抗拉能力，當(dāng)錨桿穿過破碎圍巖注入穩(wěn)固的巖體時(shí)，對(duì)不穩(wěn)固巖層發(fā)揮著懸吊作用；三是借助于錨桿的抗剪切能力，對(duì)圍巖離層起到阻礙水平，深入阻止巖層產(chǎn)生相對(duì)位移，各巖層間起到組合梁作用；四是借助于錨桿的支護(hù)作用形成有效的三向作用應(yīng)力，有效改變邊界處圍巖巖體的受力狀況，提高巖體的整體承載能力，起到錨桿與巖體共同增強(qiáng)的作用[2]。由于錨桿支護(hù)對(duì)礦井巷道具有很強(qiáng)的錨固作用，優(yōu)化錨桿支護(hù)技術(shù)可有效提高巷道掘進(jìn)的效率，本文對(duì)比研究端部錨固式錨桿和全長(zhǎng)錨固式錨桿支護(hù)技術(shù)下，巷道圍巖的變形情況，引出全長(zhǎng)錨固式錨桿支護(hù)優(yōu)化技術(shù)，錨固力值大、錨固效果好。

1 錨桿支護(hù)技術(shù)

錨桿是加固礦井巷道圍巖巖體的體系結(jié)構(gòu)，其中錨桿的錨固區(qū)內(nèi)長(zhǎng)度對(duì)保護(hù)礦井巷道巖體發(fā)揮著決定性的作用。錨桿支護(hù)技術(shù)按照錨固區(qū)內(nèi)長(zhǎng)度分為端部錨固式錨桿支護(hù)、全長(zhǎng)錨固式錨桿支護(hù)和加長(zhǎng)錨固式錨桿支護(hù)三種，其中端部錨固式錨桿的錨固區(qū)內(nèi)長(zhǎng)度為打孔全長(zhǎng)的1/3；全長(zhǎng)錨固式錨桿的錨固區(qū)內(nèi)長(zhǎng)度為打孔全長(zhǎng)的90%以上；加長(zhǎng)錨固式錨桿的錨固區(qū)內(nèi)長(zhǎng)度位于以上兩者之中。

端部錨固式錨桿支護(hù)技術(shù)增強(qiáng)巷道圍巖是借助于施加給桿體的預(yù)緊力后出現(xiàn)的拉伸力，擠壓巷道圍巖，來提高巷道圍巖的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，降低巷道圍巖的變形，此技術(shù)對(duì)錨固點(diǎn)有著較高的要求，適用于礦井巷道圍巖穩(wěn)定、構(gòu)造完整且掘進(jìn)開挖對(duì)巷道影響小的煤礦中。

全長(zhǎng)錨固式錨桿支護(hù)是在錨桿安裝初期，未出現(xiàn)位移的圍巖不能與錨固區(qū)內(nèi)的錨固體相互摩擦作用，不產(chǎn)生錨固作用；當(dāng)圍巖出現(xiàn)變形，或者是錨桿和巷道圍巖間出現(xiàn)位移時(shí)，此時(shí)錨桿產(chǎn)生的剪應(yīng)力不僅能約束圍巖，且能阻止圍巖的橫向變形，減小圍巖變形量，支護(hù)效果顯著[3]。

2 不同錨固區(qū)內(nèi)長(zhǎng)度錨桿的受力分析研究

錨桿支護(hù)作用下產(chǎn)生的錨固力為錨固段與礦井巷道巖體相互作用形成的力，作用的錨固力值越高，錨固支護(hù)效果就越好[4]。本文以某礦為例，對(duì)于研究在端部錨固和全長(zhǎng)錨固下，礦井巷道圍巖的變形情況，得到下頁圖1 和圖2 所示的曲線圖。

在礦井巷道早期施工中，圍巖出現(xiàn)變形最先是在礦井巷道的最表層，隨后持續(xù)向巷道圍巖內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)展延伸。當(dāng)采用錨桿支護(hù)技術(shù)注入錨桿，錨桿可與巷道圍巖整體作用形成錨固體。對(duì)于端部錨桿式錨固，伴隨礦井圍巖的破碎變化，其錨固力由慢慢的增阻后逐漸衰減；對(duì)于全長(zhǎng)錨桿式錨固，其錨固力先快速增阻上升轉(zhuǎn)為平緩，最后衰減，其中全長(zhǎng)錨固式錨桿與礦井巷道圍巖的變化規(guī)律為：注入錨桿后，伴隨礦井巷道圍巖的變形，出現(xiàn)荷載最先增大的位置在錨桿的尾部，同時(shí)，錨桿體產(chǎn)生的最大軸力點(diǎn)由錨桿尾部的位置轉(zhuǎn)移至錨桿中部的位置，當(dāng)巷道圍巖進(jìn)一步出現(xiàn)變形，載荷在錨桿的端部也快速增大。對(duì)比圖1 和圖2 可知，全長(zhǎng)錨桿式錨固體在礦井巷道圍巖持續(xù)的變形中，錨桿增阻速度較快，達(dá)到2 kN/mm，具有較大的徑向錨固力值，比圖1 端部錨桿產(chǎn)生的錨固力值大3 倍。綜合可得出，全長(zhǎng)錨桿式錨固施加圍壓給錨固體后，巷道掘進(jìn)引起的圍巖位移量?jī)H為圖1 端部錨桿支護(hù)的1/2～1/3 之間，支護(hù)效果好。

在礦井巷道掘進(jìn)影響降低后，圍巖處于近似穩(wěn)定的狀態(tài)。圖1 中，在巷道圍巖流變期間，端部產(chǎn)生的錨固力值逐漸衰減，其為殘余錨固力，已無法約束圍巖的流變變形；圖2 中，全長(zhǎng)錨固式錨桿產(chǎn)生的錨固力值在礦井巷道掘進(jìn)時(shí)快速達(dá)到較大值，當(dāng)巷道圍巖穩(wěn)定后，錨桿所受的最大軸力值到達(dá)峰值，基本接近錨桿體的屈服強(qiáng)度，并恒定在一個(gè)穩(wěn)定的區(qū)間，實(shí)際產(chǎn)生的錨固力值達(dá)到90 kN 左右，是端部錨桿產(chǎn)生的錨固力峰值的2～3 倍。此時(shí)，全長(zhǎng)錨桿支護(hù)后對(duì)于錨固區(qū)內(nèi)的破碎、軟弱圍巖重新具有承載能力，可有效抑制深部巷道圍巖變形，圍巖流變變形的速率約僅為端部錨桿的1/3。

圖1 端部錨固錨桿支護(hù)下錨桿受力變化規(guī)律

圖2 全長(zhǎng)錨固錨桿支護(hù)下錨桿受力變化規(guī)律

在礦井巷道掘進(jìn)回采期間，由于受到圍巖的劇烈干擾，變形快速加大，不斷向巷道巖體的深部延伸。此時(shí)，對(duì)于端部錨固，大部分錨桿已失效或僅存一點(diǎn)點(diǎn)殘余的錨固力，已無法控制巷道圍巖發(fā)生變形。而對(duì)于全長(zhǎng)錨桿支護(hù)，其系統(tǒng)的位移量一般在300 mm 左右，如果超出這個(gè)位移量，錨桿產(chǎn)生的鎖緊作用就失效，伴隨巷道圍巖的變形和錨固區(qū)內(nèi)錨固體體破壞程度的加劇，錨桿產(chǎn)生的錨固力開始衰減，出現(xiàn)殘余錨固力的情形，部分錨桿開始失去作用。

對(duì)比綜合可知，全長(zhǎng)錨固式錨桿支護(hù)技術(shù)能使錨桿錨固區(qū)內(nèi)形成穩(wěn)定的承載體，約束礦井巷道圍巖深部的破壞和位移，有效控制礦井巷道下圍巖的變形，支護(hù)效果顯著。

3 結(jié)論

1）巷道掘進(jìn)初期，全長(zhǎng)錨固式錨桿支護(hù)增阻速度快，徑向錨固力值較大，且比端部錨桿產(chǎn)生的錨固力值大3 倍，支護(hù)效果顯著；

2）巷道掘進(jìn)圍巖穩(wěn)定時(shí)，全長(zhǎng)錨固式錨桿支護(hù)產(chǎn)生的最大錨固力值達(dá)到了90 kN 左右，是端部錨桿產(chǎn)生的錨固力峰值的2～3 倍，支護(hù)效果顯著；

3）全長(zhǎng)錨固式錨桿支護(hù)技術(shù)能使錨桿錨固區(qū)內(nèi)形成穩(wěn)定的承載體，有效控制礦井巷道下圍巖的變形，支護(hù)效果明顯優(yōu)于端部錨固式錨桿支護(hù)。