深井高預(yù)緊力錨桿支護(hù)技術(shù)研究

一、錨桿支護(hù)理論
　　錨巖支護(hù)體理論認(rèn)為錨桿能加固巷道的圍巖，形成一個(gè)組合體，即錨巖支護(hù)體，它不但具有自承能力，而且能承受因巷道開挖或采動(dòng)影響而產(chǎn)生的礦山壓力。理論和實(shí)踐證明，提高錨桿的預(yù)緊力有利于巷道錨巖支護(hù)體的形成，并提高其強(qiáng)度，以產(chǎn)生較大的承載能力。如圖1所示，錨巖支護(hù)體中，每一根錨桿的粘著段和托盤之間都形成一個(gè)雙錐形的應(yīng)力區(qū)。這個(gè)錐體的開角與巖層的摩擦角有關(guān)，也和穿過的裂隙層理有關(guān)。在錨巖支護(hù)體中，由錨桿所造成的應(yīng)力沿粘著段和沿托盤的邊緣最大，在錐體的底部應(yīng)力的強(qiáng)度最小。因此只有使錨桿所形成的雙錐體彼此相切，同時(shí)還必須對(duì)錨桿施加較高的預(yù)緊力，才能進(jìn)一步提高錨巖支護(hù)體的承載能力，也就是說，錨桿支護(hù)區(qū)的厚度及錨桿的預(yù)拉力對(duì)錨巖支護(hù)體的承載能力具有決定性的影響。
　　二、高預(yù)緊力錨桿支護(hù)技術(shù)
　　錨桿可改善錨固體力學(xué)參數(shù)，提高錨固體的強(qiáng)度，使巖體強(qiáng)度特別是峰后強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度得到強(qiáng)化，形成共同承載結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮圍巖自承能力，錨固體強(qiáng)度隨錨桿支護(hù)強(qiáng)度σt 的提高而得到強(qiáng)化，達(dá)到一定程度就可保持圍巖穩(wěn)定。
　　現(xiàn)有的錨桿、錨索支護(hù)系統(tǒng)在淺部能適用，用到深部就不能有效控制圍巖變形，甚至失效，必須要求新的技術(shù)和突破。
　　①發(fā)展錨桿支護(hù)技術(shù)的要點(diǎn)是足夠的錨桿支護(hù)強(qiáng)度和初錨力，適當(dāng)加大錨桿長(zhǎng)度，及時(shí)錨固，特別應(yīng)加強(qiáng)幫、角的控制。
　　支護(hù)強(qiáng)度：改善材質(zhì)。發(fā)展合格的高強(qiáng)、超高強(qiáng)錨桿；加大錨桿直徑。
　　初錨力：在現(xiàn)有風(fēng)動(dòng)條件下，改善結(jié)構(gòu)，完善施工工藝，實(shí)現(xiàn)15～20 kN。
　　錨桿長(zhǎng)度：加長(zhǎng)后控制大塑性區(qū)和破碎區(qū)。
　　及時(shí)錨固：除注意頂板外，還應(yīng)注意兩幫。
　?、诎l(fā)展高（超高）強(qiáng)度錨桿的理論依據(jù)
　　三、巷道圍巖支護(hù)技術(shù)的發(fā)展
　　目前，學(xué)者們更多地認(rèn)識(shí)到在深部大流變圍巖巷道支護(hù)中，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖共同承載的匹配與偶合作用的重要性。錨桿、錨索及剛性金屬支架等支護(hù)材料與巷道圍巖相比，從材料剛度、強(qiáng)度、變形特性、結(jié)構(gòu)特性等方面都存在明顯差異，因此要實(shí)現(xiàn)支護(hù)材料與圍巖在剛度匹配、強(qiáng)度匹配、變形匹配、結(jié)構(gòu)匹配并非容易，因此在深井高地應(yīng)力煤巷的支護(hù)中，如果出現(xiàn)剛度、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)變形中某一方面的不匹配與不偶合，就不可避免會(huì)出現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度失穩(wěn)、變形失穩(wěn)和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等。同時(shí)軟巖巷道的流變時(shí)效性對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)提出了時(shí)間過程匹配的要求。
　　經(jīng)過長(zhǎng)期不懈的努力，我們對(duì)于難維護(hù)圍巖巷道的支護(hù)問題形成了一套綜合支護(hù)體系，概括為“綜合治理、聯(lián)合支護(hù)、長(zhǎng)期監(jiān)控、因地制宜”的指導(dǎo)方針。
　　三、深井高地應(yīng)力煤巷支護(hù)的改進(jìn)措施
　　1、巷道斷面形狀采用圓弧形放頂掘進(jìn)
　　在頂板無支護(hù)狀態(tài)下，冒落后為自然平衡拱形，因此拱形巷道受力較均勻，承壓能力最強(qiáng)。圓弧形斷面是將煤層以上頂板最易冒落或彎曲下沉部分巖石人為放掉，使巷道具有較好的承壓效果。
　　上順槽：開采時(shí)需要巷道下幫為煤體，因此巷道斷面設(shè)計(jì)為切圓拱形斷面，下幫及上幫為全煤，頂板中部放頂500mm左右。
　　下順槽：開采時(shí)需要巷道上幫為煤體，下幫無要求，因此巷道斷面設(shè)計(jì)為兩肩等高的圓弧拱形斷面，下幫為全巖或底部留有小部分煤層，上幫為全煤。
　　此種支護(hù)下幫為巖石，增加了圍巖的自承能力，降低了煤幫支護(hù)時(shí)帶來的大量變形。
　　同時(shí)采用圓弧形頂后，錨桿與圍巖盡可能垂直，減小了錨桿所受彎剪應(yīng)力，降低了錨桿的拉斷現(xiàn)象。
　　2、采用高預(yù)應(yīng)力錨桿
　?。?）高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)要求
　　隨著開采深度的增加，地應(yīng)力的增大，圍巖松動(dòng)圈也隨之增加，巷道支護(hù)所使用的錨桿規(guī)格也要加長(zhǎng)并向預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)錨桿發(fā)展。錨桿的錨固作用主要是改善圍巖受力狀態(tài)，將其由二向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為三向應(yīng)力狀態(tài)，約束剪脹變形，提高其自身強(qiáng)度，從而起到加固圍巖提高其自承能力，所以嚴(yán)格地講錨桿支護(hù)是一種圍巖加固手段。因此只有在圍巖裸露后就及時(shí)安裝錨桿并施加足夠大的預(yù)拉力，才能有效約束圍巖的剪脹變形，避免其強(qiáng)度的迅速衰減，提高錨桿圍巖支護(hù)體系的整體承載能力。
　　（2）支護(hù)參數(shù)確定的原則
　?、俑呖煽啃院桶踩?，盡可能在巷道服務(wù)期間減少維修次數(shù)或只進(jìn)行局部維修；
　?、谥ёo(hù)參數(shù)和支護(hù)材料規(guī)格具有較好的適應(yīng)性和施工可行性。由于井下巷道圍巖條件變化很大，從支護(hù)合理性考慮，可能出現(xiàn)多種支護(hù)參數(shù)和支護(hù)材料規(guī)格，但這將不利于巷道施工和管理。所以，盡可能采用統(tǒng)一的支護(hù)材料和材料規(guī)格。
　?、墼跐M足前兩項(xiàng)原則的前提下，做到經(jīng)濟(jì)合理。
　?。?）支護(hù)方案
　　錨桿支護(hù)初始設(shè)計(jì)采用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算程序FLAC3.3，進(jìn)行多方案比較，最后得出合理的錨桿支護(hù)初始設(shè)計(jì)。巷道采用樹脂加長(zhǎng)錨固高預(yù)緊力錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng)。
　　錨桿形式和規(guī)格：桿體選用25#左旋無縱筋錨桿，長(zhǎng)度2.4m，桿尾細(xì)螺紋為M27，采用滾壓加工工藝成型。極限破斷力400KN，屈服極限294KN，延伸率17%。采用氣扳機(jī)緊固螺母，擰緊力矩可達(dá)到800N.M。
　　錨固方式：樹脂加長(zhǎng)錨固，采用兩支錨固劑，一支為K2835，另一支為Z2860，鉆孔直徑32mm，錨固長(zhǎng)度1440mm。
　　鋼帶規(guī)格：采用W鋼帶護(hù)頂幫，鋼帶規(guī)格：厚度5mm，寬280mm，長(zhǎng)度3.8m、3.5m和1.8m。
　　錨桿配件：采用高強(qiáng)錨桿螺母M27×3，配合高強(qiáng)托盤調(diào)心球墊和尼龍墊圈，托盤采用拱型高強(qiáng)度托盤，承載能力不小于40噸。
　　網(wǎng)片規(guī)格：采用金屬經(jīng)緯網(wǎng)護(hù)頂護(hù)幫，網(wǎng)片規(guī)格分別為4.5×0.9m、3.6×0.9m和1.9×0.9m，網(wǎng)孔為50×50mm，材料為10#鐵絲。
　　錨桿布置：錨桿排距0.8m，每排12根錨桿，頂板錨桿間距900mm，上幫錨桿間距1100mm，下幫錨桿間距為800mm。
　?。?）高預(yù)緊力錨桿支護(hù)特點(diǎn)
　?、俑哳A(yù)緊力錨桿預(yù)緊力大，加大了錨桿對(duì)圍巖的主動(dòng)約束力，從而控制圍巖的變形，與預(yù)緊力低的全螺紋鋼錨桿相比，可降低支護(hù)密度；②高預(yù)緊力錨桿不易松動(dòng)，受放炮震動(dòng)影響比其他類型的錨桿小，如全螺紋鋼錨桿距迎頭10m范圍內(nèi)松動(dòng)較為嚴(yán)重；③高預(yù)緊力錨桿桿體采用左懸螺紋，而全螺紋鋼錨桿為右懸螺紋，目前安裝緊固螺母的工具為右懸，采用左懸螺紋右懸安裝方式有利于錨固劑的攪拌，能夠提高錨固段的密實(shí)度，錨固效果好；④高預(yù)緊力錨桿使用機(jī)械安裝，安裝可靠性高，避免了人工操作的隨意性，保證了安裝質(zhì)量，而全螺紋鋼錨桿使用扳手人工緊固，隨意性強(qiáng)，難以保證足夠的預(yù)緊力。