煤礦礦井中巷道錨桿支護(hù)技術(shù)

1 錨桿支護(hù)原理
　　錨桿是一種安置于巷道圍巖體內(nèi)的桿狀錨栓體系。運(yùn)用錨桿支護(hù)的巷道，實(shí)際就是在巷道掘進(jìn)后向圍巖中打錨桿眼，隨后將錨桿安裝在錨桿孔內(nèi)，對(duì)巷道進(jìn)行加固，起維護(hù)巷道穩(wěn)定性的作用。
　　我國(guó)錨桿支護(hù)技術(shù)經(jīng)歷了低強(qiáng)度錨桿―高強(qiáng)度錨桿―高預(yù)應(yīng)力和強(qiáng)力錨桿支護(hù)的階段。
　?。?）錨桿支護(hù)的主要作用在于控制錨固區(qū)圍巖的分離層、滑動(dòng)、裂紋張開(kāi)、新裂隙產(chǎn)生等變形與破壞，盡可能使圍巖處于受壓狀態(tài)，以限制圍巖彎曲變形、拉伸與剪切破壞的出現(xiàn)，最大程度地維持錨固區(qū)圍巖的完整性，提高錨固區(qū)圍巖的整體強(qiáng)度與穩(wěn)定性。
　?。?）在錨固區(qū)形成剛度較大的次生承載結(jié)構(gòu)，阻止錨固區(qū)外巖層離層，改善圍巖深部的應(yīng)力狀態(tài)。
　　（3）錨桿支護(hù)的剛度十分重要，其中錨桿預(yù)應(yīng)力起著決定性作用。根據(jù)巷道圍巖條件確定合理的錨桿預(yù)應(yīng)力是支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。當(dāng)然，較高的預(yù)應(yīng)力要求錨桿擁有較高的強(qiáng)度。
　　（4）錨桿預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散對(duì)支護(hù)效果同樣重要。單根錨桿預(yù)應(yīng)力的作用范圍很有限，必須通過(guò)托板、鋼帶（鋼筋梯子梁）和金屬網(wǎng)等構(gòu)件將預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散到離錨桿更遠(yuǎn)的圍巖中。鋼帶、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)揮重要的作用。
　?。?）在復(fù)雜困難巷道中，采用高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿組合支護(hù)系統(tǒng)，同時(shí)要求支護(hù)系統(tǒng)有一定的延伸量。高預(yù)應(yīng)力要求錨桿預(yù)應(yīng)力達(dá)到桿體屈服強(qiáng)度的30%～50%；強(qiáng)力錨桿要求桿體有較大的破斷強(qiáng)度。
　?。?）錨索的作用主要有兩個(gè)方面：一是將錨桿形成的次生承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖相連，提高次生承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；二是錨索施加較大預(yù)緊力，擠壓和壓密巖層中的層理、節(jié)理裂隙等不連續(xù)面，增加不連續(xù)面之間的抗剪力，從而提高圍巖的整體強(qiáng)度。
　?。?）錨桿支護(hù)應(yīng)盡量一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形與破壞，避免二次支護(hù)和巷道維修。造成人力、物力、財(cái)力的二次使用，間接提高錨桿支護(hù)成本。
　　2 錨桿支護(hù)組成及作用
　　錨桿支護(hù)由錨桿桿體、托板、螺母、錨固劑、鋼帶及金屬網(wǎng)等構(gòu)件組成，錨桿支護(hù)的作用是由這些構(gòu)件共同完成的。
　　2.1 錨桿桿體的作用
　　對(duì)于錨桿桿體本身來(lái)說(shuō)，由于桿體長(zhǎng)度方向的尺寸遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)方向的尺寸，所以力學(xué)上屬于桿件。這種構(gòu)件主要可以提供兩方面的作用，首先是抗拉，其次是抗剪。至于桿體的抗彎能力和抗壓能力是微小的，可以忽略。
　　2.2 托板的作用
　　托板是錨桿的重要構(gòu)件，對(duì)錨桿支護(hù)作用的發(fā)揮影響很大。托板的作用可分為兩方面：通過(guò)給螺母施加一定的扭矩使托板壓緊巷道表面，給錨桿提供預(yù)緊力，并使預(yù)緊力擴(kuò)散到錨桿周?chē)拿簬r體中，從而改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，抑制圍巖離層、結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)和節(jié)理裂隙的張開(kāi)，實(shí)現(xiàn)錨桿的主動(dòng)、及時(shí)支護(hù)作用；圍巖變形使載荷作用于托板上，通過(guò)托板將載荷傳遞到錨桿桿體，增大錨桿的工作阻力，充分發(fā)揮錨桿控制圍巖變形的作用。
　　2.3 錨固劑的作用
　　錨固劑的主要作用是將鉆孔孔壁巖石與桿體黏結(jié)在一起，使錨桿發(fā)揮支護(hù)作用。同時(shí)錨固劑也具有一定的抗剪與抗拉能力，與錨桿一起加固圍巖。
　　2.4 鋼帶（鋼筋梯子梁）的作用
　?。?）錨桿預(yù)緊力和工作阻力擴(kuò)散作用。
　?。?）支護(hù)巷道表面和改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)作用。
　?。?）均衡錨桿受力和提高整體支護(hù)作用。鋼帶將數(shù)
　　2.5 網(wǎng)的作用
　?。?）維護(hù)錨桿之間的圍巖，防止破碎巖塊垮落。
　　（2）緊貼巷道表面，提供一定的支護(hù)力，一定程度上改善巷道表面巖層受力狀況。
　?。?）網(wǎng)不僅能有效控制巷道淺部圍巖的變形與破壞，而且對(duì)深部圍巖也有良好的支護(hù)作用。
　　3 錨桿支護(hù)參數(shù)的確定方法
　　3.1 懸吊機(jī)制及圍巖條件
　　在層狀巖體中，錨桿將下部不穩(wěn)定巖層懸吊在上方穩(wěn)固的巖層上，錨桿承受的負(fù)荷為下部不穩(wěn)定巖層的重量。典型情況是頂板上部1～1.8m處有一厚層堅(jiān)固巖石，下部是比較完整的層狀弱巖層。如沒(méi)有上述堅(jiān)固巖層，也可使用免壓拱高或者破碎帶高度以外的非破碎穩(wěn)定帶概念替代。
　　3.2 組合梁機(jī)制及圍巖條件
　　組合梁理論認(rèn)為，在層狀巖層中，錨桿的作用是提供軸向和切向約束，阻止巖層產(chǎn)生離層和相對(duì)滑動(dòng)，將若干薄巖層錨固成一個(gè)較厚的巖層，形成組合梁。與不錨固巖梁相比，組合梁的最大彎曲應(yīng)變和應(yīng)力都將大大減少，從而提高巷道頂板的穩(wěn)定性。通過(guò)計(jì)算組合梁所必需的承載能力確定錨桿支護(hù)參數(shù)。
　　在沒(méi)有堅(jiān)硬厚層的薄裝巖層中，通過(guò)錨桿的預(yù)拉應(yīng)力，視為疊合梁的各薄層擠緊，提高自稱(chēng)能力。桿狀體系受巖層錯(cuò)動(dòng)趨勢(shì)所產(chǎn)生的剪應(yīng)力。
　　3.3 三鉸拱機(jī)制及圍巖條件
　　在被裂隙切割的塊狀圍巖中，錨桿將危石懸吊，形成類(lèi)似三鉸拱的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，不但是巖石不會(huì)掉落，而且能承受在和的整體結(jié)構(gòu)。
　　3.4 組合拱機(jī)制及圍巖條件
　　運(yùn)用點(diǎn)錨固形式的錨桿預(yù)拉應(yīng)力可以形成一錨桿兩端為頂點(diǎn)的壓縮區(qū)。如把錨桿用適當(dāng)?shù)拈g距沿著拱形斷面系統(tǒng)安裝，可在巷道周邊形成連續(xù)的均勻壓縮帶作為承載結(jié)構(gòu)，同時(shí)將應(yīng)力向兩側(cè)深部圍巖傳遞。
　　4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法
　　4.1 懸吊理論分析設(shè)計(jì)法
　　4.2 自然平衡拱理論分析設(shè)計(jì)法
　　自然平衡拱理論認(rèn)為，巷道開(kāi)掘后，圍巖失去了層間聯(lián)系。在上覆巖層壓力作用下，淺部圍巖發(fā)生破壞，而在深部一定范圍內(nèi)形成自然平衡拱。
　　4.3 組合梁理論分析設(shè)計(jì)方法
　　4.4 加固拱理論分析設(shè)計(jì)方法
　　加固拱理論認(rèn)為，在錨桿錨固力作用下，每根錨桿周?chē)纬梢粋€(gè)兩頭帶圓錐的筒狀壓縮區(qū)，各錨桿所形成的壓縮區(qū)彼此聯(lián)成一個(gè)一定厚度的加固拱（或均勻壓縮帶）。該拱（帶）具有較大的承載能力和一定的可縮性，能夠起到有效支護(hù)巷道的作用。
　　4.5 錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法
　　動(dòng)態(tài)信息法具有兩大特點(diǎn)：其一，設(shè)計(jì)不是一次完成的，而是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程；其二，設(shè)計(jì)充分利用每個(gè)過(guò)程中提供的信息，實(shí)時(shí)進(jìn)行信息收集、信息分析與信息反饋。
　　動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)方法包括5部分：巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估、初始設(shè)計(jì)、井下監(jiān)測(cè)、信息反饋與修正設(shè)計(jì)。
　　5 錨桿支護(hù)的施工和檢驗(yàn)
　　錨桿支護(hù)施工主要工序?yàn)?，鉆孔與安裝錨桿。打孔時(shí)，孔位、孔深、角度必須符合設(shè)計(jì)要求。鉆孔完成后進(jìn)行錨桿的安裝工作。
　　檢驗(yàn)需滿(mǎn)足以下條件：孔深度要與錨桿的長(zhǎng)度配合適當(dāng)；孔的直徑與錨桿直徑配合得當(dāng)；安裝托板要盡量將巖面找平；螺帽要使用扳手?jǐn)Q緊，使得桿體產(chǎn)生較大的預(yù)應(yīng)力；錨桿質(zhì)量檢查。
　　綜上所述，煤礦礦井支護(hù)有架棚、料石砌碹、錨桿等一系列的支護(hù)形式，架棚、料石砌碹等支護(hù)是被動(dòng)支護(hù)，成本高、進(jìn)度慢、消耗大、支護(hù)效果不好等因素，逐漸淘汰。錨桿支護(hù)實(shí)現(xiàn)安全、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。在礦井支護(hù)中占據(jù)主導(dǎo)地位。