淺析煤礦開挖巷道錨桿支護參數(shù)的合理選擇

引言
　　近幾年來，錨桿支護已是煤礦巷道主要的支護方式。要保障錨桿支護的安全和經(jīng)濟性，在選擇錨桿支護時，關(guān)鍵問題就是如何正確的選擇錨桿支護參數(shù)，以實現(xiàn)既經(jīng)濟合理，又能較好的達到支護效果的目的。在此，引入圍巖松動圈和錨桿支護機理為基礎(chǔ)理論，論述錨桿支護的參數(shù)選擇問題。
　　2 圍巖松動圈理論和錨桿支護機理
　　1）圍巖松動圈理論。對于地下巖體來說，在開挖之前是處于原始應(yīng)力平衡的狀態(tài)，當開挖后這種平衡狀態(tài)遭到破壞，由原來的單向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)殡p向應(yīng)力狀態(tài)，并在巷道周圍產(chǎn)生了應(yīng)力集中。而巷道的周邊變?yōu)閱蜗驊?yīng)力狀態(tài)，此時徑向應(yīng)力σr下降為零，切向應(yīng)力σt則集中。當圍巖集中應(yīng)力σt小于巖體強度時，圍巖處于彈性變形狀態(tài)；當圍巖集中應(yīng)力σt大于巖體強度時，則圍巖就會產(chǎn)生破裂松動，并由巷道周邊開始向深部發(fā)展，這種破裂松動深入圍巖深部的距離則稱為圍巖松動區(qū)的厚度，這個破裂區(qū)也就常稱為圍巖松動圈。
　　2）錨桿支護機理。對于這類的開挖巖體，在現(xiàn)有的支護條件下，若試圖采用支護手段來阻止圍巖的松動破壞則是不可能的，而支護的作用只是限制圍巖松動圈形成過程中破碎力所造成的有害變形。所以，采用錨桿支護，若要達到較好的支護效果，那么其錨桿的布置和參數(shù)就必須考慮松動圈內(nèi)巖體的變形及破壞情況。錨桿支護的主要作用，也就是通過巷道周邊的數(shù)根錨桿，使巖體互相擠壓，從而形成一個接近原巖強度的組合承載結(jié)構(gòu)，既錨固圍巖的表層，防止冒落，又能利用巖體本身強度來實現(xiàn)穩(wěn)定的支護效果。顯然，錨桿支護參數(shù)的選擇，必須適應(yīng)圍巖松動圈巖體的特性。確定松動圈的性質(zhì)，才能以此為依據(jù)，正確、合理選擇錨桿支護的基本參數(shù)。
　　3 圍巖松動圈的分類與測定
　　根據(jù)上述圍巖松動圈支護理論的分析可知，各個煤礦可根據(jù)具體實測資料來進行圍巖的詳細分類。通常情況下，將圍巖分成三類，即穩(wěn)定圍巖（松動圈LP ≤40cm）、中等穩(wěn)定圍巖（40cm150cm）。
　　在被開挖巷道中，圍巖松動圈是由圍巖應(yīng)力和圍巖強度所決定的，由于各個煤礦的地質(zhì)條件不同，而圍巖松動圈的參數(shù)也不盡相同。因此，確定圍巖松動圈的最好辦法就是通過現(xiàn)場來實測?？刹捎脟鷰r裂隙探測儀，并根據(jù)聲波波速和振幅，做出巷道圍巖巖體聲速振幅變化曲線，這就可以很容易地確定松動圈的范圍。對于采準巷道來說，其測站可以間隔50m以上設(shè)置，而每個測站要設(shè)幾條測線，每個測線布置6～8個測孔。頂板測孔要垂直頂板的層理方向，其它測孔可以沿煤層傾斜方向來布置。測孔長度按煤層柱狀圖來確定，一般為2～3m。鉆孔鉆好后要用水將孔沖洗干凈，并將探頭插入鉆孔內(nèi)，并注水封閉后即可進行測試。其測試的實例布置，見圖1、圖2所示。
　　4 錨桿支護參數(shù)的合理選擇
　　根據(jù)三種圍巖的穩(wěn)定類型和性質(zhì)，分別可對不同情況下的錨桿參數(shù)選擇與確定。
　　4.1 穩(wěn)定圍巖條件下的錨桿參數(shù)選擇
　　由于松動圈圍巖的自重有限，而錨桿將不起大的作用，所以，對于整體性較好、耐風化的圍巖，可進行不支護，必要時可用單一的噴射混凝土來支護。如此處理，工程實踐表明，其混凝土的最大厚度可以不超過20cm為宜。
　　4.2 中等穩(wěn)定圍巖條件下的錨桿參數(shù)選擇
　　根據(jù)理論分析和實踐表明，在中等穩(wěn)定圍巖條件下，圍巖碎脹變形也比較明顯，而圍巖的收斂變形將使巷道巖體表層產(chǎn)生裂縫或破壞，所以必須用錨桿來控制其變形。錨桿錨固端為松動圈以外的巖體時，錨固端則位于塑性區(qū)，因此可采用懸吊理論來確定其錨桿的參數(shù)。這時，錨桿起到拉伸、擠壓、加固的作用，從而使松動圈內(nèi)巖體保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)。
　　1）錨桿的長度確定方法。根據(jù)如下公式進行：
　　L = LP+ L1+ L2
　　式中：L―――錨桿長度，m；
　　LP ―――圍巖松動圈厚度，m；
　　L1―――錨桿錨入松動圈以外穩(wěn)定圍巖的深度，這里可取值0.2～0.3m；
　　L2―――錨桿在巷道中外露長度，m。
　　2）錨桿間排距的確定。當選取錨桿間排距相等時，則錨桿錨固力應(yīng)滿足以下條件：
　　Qmin≥LP?D2?γ
　　D≤[Qmin/（LP?γ）]1/2
　　式中： D ―――錨桿的間排距，m；
　　Qmin―――錨桿的最小錨固力，kN；
　　γ―――圍巖的重力密度值，kN/m3。
　　3）錨桿的直徑確定。這里可以按照每根錨桿懸吊的巖石重量來計算錨桿的直徑，其公式如下：
　　D2?LP?γ≤πd2[σ]/4
　　d≥2D[（LP?γ）/（π[σ]）] 1/2
　　式中：d ―――錨桿的直徑，mm；
　　[σ]―――錨桿體的許用應(yīng)力，N/mm2。
　　4.3 不穩(wěn)定圍巖條件下的錨桿參數(shù)選擇
　　在支護的巷道，當巖石松動圈大于1.5m時，其巷道的圍巖收斂變形比較大，此時支護時除了要有一定的支護強度外，還應(yīng)具備一定的可縮性。通過現(xiàn)場的實踐表明，此時可采用錨噴網(wǎng)的支護結(jié)構(gòu)。而錨桿參數(shù)選擇原理則與上述相同，但如松動圈厚度較大時，其錨桿過長也不易安裝，且承受較大的拉力，錨固效果也可能不好。這時，在層狀巖層結(jié)構(gòu)下，要選擇較堅硬的巖層作為錨桿的錨固點，并在巷道表面布置金屬網(wǎng)來進行噴層處理，這樣才能獲得較為理想的支護效果，也就說要根據(jù)具體條件而定。
　　結(jié)束語
　　開挖巷道的支護，為了獲得較好的安全、經(jīng)濟支護效果，必須根據(jù)圍巖松動圈理論進行測試、分析，弄清分類，然后針對不同環(huán)境條件下支護合理選擇錨桿參數(shù)與支護方式。根據(jù)具體條件確定、調(diào)節(jié)支護方式。