錨桿錨固機(jī)理及深部復(fù)雜困難條件的巷道支護(hù)

摘 　要 　文章在研究巖體自身性質(zhì)的基礎(chǔ)上 , 分析了巖體變形及破壞規(guī)律 , 得出錨桿錨固的機(jī)理 ; 并通過對(duì)深部及復(fù)雜困難條件巷道的分析研究 , 提出兩種有效的巷道支護(hù)體系。

　　巖體結(jié)構(gòu)控制理論認(rèn)為巖體的結(jié)構(gòu) ( 內(nèi)在因素 )在巖體的變形破壞發(fā)展過程中起著決定性作用 ; 而作為外因的荷載 , 是通過內(nèi)因起作用的。突破觀點(diǎn)認(rèn)為工程巖體的變形破壞過程總是從一處或少數(shù)幾處開始突破 , 并通過應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整和巖體性質(zhì)改變 , 或者逐步擴(kuò)展導(dǎo)致破壞 , 或者轉(zhuǎn)入相對(duì)穩(wěn)定?；谏鲜稣J(rèn)識(shí) , 在巷道支護(hù)體系中 , 應(yīng)把圍巖視為支護(hù)體系的一部分或全部 , 使圍巖成為主要的承載體單元 , 在支護(hù)的設(shè)計(jì)和施工方法上盡量抑制圍巖強(qiáng)度的惡化 , 積極發(fā)揮圍巖本身的承載能力。

1 　錨桿錨固機(jī)理

　　錨桿錨固作用表現(xiàn)在巖體結(jié)構(gòu)性質(zhì)的改善和巖體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的改變兩個(gè)方面。錨桿錨入巖層可提高巖體的完整性 , 使劈裂、塊裂或板裂結(jié)構(gòu)的巖體轉(zhuǎn)變?yōu)榻仆暾膸r體 ; 其錨固作用效果重在改善圍巖的受力狀態(tài) , 通過對(duì)圍巖施加巷道徑向、橫向約束 , 將巷道開挖后圍巖的二向或單向受力狀態(tài)重新轉(zhuǎn)化為三向受力狀態(tài) , 提高其自身強(qiáng)度和承載能力 ; 且錨桿群的共同作用使錨桿在其長(zhǎng)度范圍內(nèi)的巖 ( 煤 ) 體內(nèi)部形成具有一定承載能力的內(nèi)部支護(hù)結(jié)構(gòu) , 達(dá)到控制圍巖進(jìn)一步變形的目的。

2 　深部復(fù)雜困難條件的巷道支護(hù)

　　在煤礦開采過程中 , 出現(xiàn)了大量復(fù)雜巷道 , 它們共同的特點(diǎn)是圍巖變形強(qiáng)烈、破壞范圍大 , 巷道往往需要多次維修與翻修 , 極易出現(xiàn)冒頂、片幫 , 巷道安全得不到保證。

2. 1 　預(yù)應(yīng)力桁架錨桿支護(hù)

(1) 預(yù)應(yīng)力桁架的概念 : 預(yù)應(yīng)力桁架是將巷道兩肩窩深部巖體作為錨固點(diǎn) , 專用張拉機(jī)具通過桁架連接器將高強(qiáng)度的預(yù)應(yīng)力鋼絞線鎖緊 , 并傳遞張拉力 , 實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板淺部圍巖的兜護(hù)和對(duì)頂板結(jié)構(gòu)的加固 , 控制頂板的離層、防止頂板加固區(qū)整體垮冒。它由預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度鋼絞線、桁架連接器、錨具組成。

(2) 預(yù)應(yīng)力桁架的作用機(jī)理 : 當(dāng)桁架支護(hù)的預(yù)應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí) , 能形成預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu) , 該結(jié)構(gòu)能通過大變形實(shí)現(xiàn)對(duì)外層結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性讓壓 , 并在大變形中保持整體穩(wěn)定性 , 它具有連續(xù)傳遞應(yīng)力的效應(yīng) , 從而使垂向應(yīng)力集中程度減緩 , 兩幫煤體破壞減弱 , 消除或大大減緩頂板離層 , 并從根本上控制巷道圍巖的最終變形量 , 以達(dá)到最佳支護(hù)效果。這種支護(hù)方式充分發(fā)揮了各自的優(yōu)勢(shì) , 既控制變形又保證了安全。

(3) 預(yù)應(yīng)力桁架的實(shí)用性。預(yù)應(yīng)力桁架錨桿支護(hù)

　　形式有頂板桁架與幫部桁架兩種 , 可有效抵抗巷幫與頂板之間的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)剪切力 , 有效控制幫部向巷內(nèi)的位移 , 從而減少巷幫變形 , 使巷道滿足生產(chǎn)需要。預(yù)應(yīng)力桁架支護(hù)對(duì)錨桿支護(hù)使用程度很有限及高性能錨桿組合支護(hù)技術(shù)也顯得無能為力的采空區(qū)下松軟煤層巷道 , 大傾角巷道高幫、沿空巷道、高應(yīng)力巷道能起到很好的支護(hù)效果。

2. 2 　高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)

2. 2. 1 　高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)理論

　　合理的巷道支護(hù)為 : 大幅度提高支護(hù)系統(tǒng)的初期支護(hù)剛度與強(qiáng)度 , 保持圍巖的完整性 , 同時(shí)支護(hù)系統(tǒng)具有足夠的延伸率 , 允許巷道圍巖有較大的連續(xù)變形 , 使高應(yīng)力得以釋放。預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)主要作用在于控制錨固區(qū)圍巖的離層、滑動(dòng)、裂隙張開、新裂紋產(chǎn)生等擴(kuò)容變形 , 使圍巖處于受壓狀態(tài) , 抑制圍巖彎曲變形、拉伸與剪切破壞的出現(xiàn) , 使圍巖成為承載的主體。在錨固區(qū)內(nèi)形成剛度較大的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu) , 阻止錨固區(qū)外巖層產(chǎn)生離層 ,同時(shí)改善圍巖深部的應(yīng)力分布狀況。

　　錨桿預(yù)應(yīng)力及其擴(kuò)散對(duì)支護(hù)效果起著決定性作用。單根錨桿預(yù)應(yīng)力的作用范圍很有限 , 必須通過托板、鋼帶和金屬網(wǎng)等構(gòu)件將錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散到離錨桿更遠(yuǎn)的圍巖中。特別是對(duì)于巷道表面 , 即使施加很小的支護(hù)力 , 也會(huì)明顯抑制圍巖的變形與破壞 , 保持頂板的完整。錨桿托板、鋼帶與金屬網(wǎng)等護(hù)表構(gòu)件在預(yù)應(yīng)力支護(hù)系統(tǒng)中發(fā)揮極其重要的作用。

2. 2. 2 　高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)

(1) 強(qiáng)力錨桿。

①錨桿桿體幾何形狀與尺寸 : 螺紋鋼錨桿桿體選用左旋無縱筋螺紋鋼桿體 ( 煤礦錨桿專用) ,根據(jù)復(fù)雜困難巷道條件 , 確定強(qiáng)力錨桿桿體公稱直徑一般為 22～ 25 mm, 長(zhǎng)度為 2 ～ 3 m 。

②錨桿桿體材質(zhì) : BHRB500, BHRB600 型號(hào)鋼材的公稱直徑均為 22 ～ 25 mm, 屈服強(qiáng)度分別為 500 、 600

MPa, 抗拉強(qiáng)度分別為 670 、 800 MPa 、伸長(zhǎng)率均為 18% ,用于生產(chǎn)的強(qiáng)力錨桿預(yù)應(yīng)力級(jí)別可超過 100 kN 、真正實(shí)現(xiàn)了高預(yù)應(yīng)力與高強(qiáng)度。

③錨桿附件 : 高效減摩墊圈置于螺母與托板之間 ,可減少螺母與托板之間的摩擦阻力和摩擦扭矩 , 最大限度地將錨桿安裝扭矩轉(zhuǎn)化為錨桿預(yù)緊力。

(2) 強(qiáng)力鋼帶。

　　與我國(guó)礦用 W 鋼帶標(biāo)準(zhǔn) (MT/T861 - 2000) 相比 ,強(qiáng)力鋼帶有如下特點(diǎn) : ①將鋼帶厚度由原來的 2. 5 ～

3. 0 mm 增加到 4. 0 ～ 5. 0 mm, 使鋼帶的拉斷載荷達(dá)到500 kN 以上 ; ②在不改變鋼帶幾何尺寸的情況下 , 選用強(qiáng)度更高的鋼材。

(3) 強(qiáng)力錨索。

　　錨索索體材料一般采用鋼絞線 , 強(qiáng)力錨索索體材料宜選用由煤炭科學(xué)研究總院開發(fā)的大直徑、高 t 位的強(qiáng)力錨索。它采用新型的 19 根鋼絲代替原來的 7根鋼絲 , 索體結(jié)構(gòu)更加合理 , 而且增加了索體的柔性和延伸率 ; 同時(shí)該強(qiáng)力錨索使錨索索體直徑從Φ 15. 2 mm增加到Φ 18. 0 mm 、Φ 20. 0 mm 、Φ 22. 0 mm, 顯著地提高了索體的破斷力 , 并使索體直徑與鉆孔直徑的配合更加合理。

3 　結(jié)論

(1) 巷道錨桿支護(hù)應(yīng)將錨桿與圍巖視為統(tǒng)一的整體 , 錨桿在改善巖體結(jié)構(gòu)性質(zhì)的同時(shí)改變了巖體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài) , 充分發(fā)揮圍巖的自承能力 , 達(dá)到支護(hù)目的。

(2) 提出新型預(yù)應(yīng)力桁架錨桿支護(hù) , 用于頂板和幫部支護(hù) , 解決了采空區(qū)下松軟煤層巷道、巖空巷道等

的支護(hù)難題。

(3) 分析了深部復(fù)雜困難巷道的特點(diǎn) , 提出高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)理論及其具體支護(hù)體系 , 解決深部復(fù)雜困難巷道支護(hù)難題。