錨桿（索）對(duì)煤巖巷道的支護(hù)機(jī)理研究

引言
　　煤巖巷道支護(hù)是井工開(kāi)采煤礦提高巷道邊坡和頂板穩(wěn)定性的主要的技術(shù)手段，現(xiàn)有的主要錨固材料分為錨桿和錨索兩種，二者在物理力學(xué)性質(zhì)方面存在區(qū)別[1]，在錨固機(jī)理上也存在著一定的差異。通過(guò)錨桿（索）的組合作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤巖巷道的有效支護(hù)，提高了整個(gè)礦山的安全性，本文針對(duì)于兩種不同錨固材料的機(jī)理進(jìn)行演技，分析錨固作業(yè)改善巖體條件的基本原理，揭露錨固支護(hù)的本質(zhì)。
　　1、錨桿支護(hù)理論分析
　　錨桿是一種剛性金屬材料，一般由碳鋼制成，安裝在礦山的巷道、隧道或露天礦的邊坡，通過(guò)錨桿的張拉和抗剪作用來(lái)提高巖體的穩(wěn)定性。其主要的作用機(jī)理是通過(guò)對(duì)錨桿施加預(yù)緊力來(lái)壓緊滑動(dòng)巖體與穩(wěn)定巖體之間的節(jié)理面[2]，改善節(jié)理面的粘聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)來(lái)提高穩(wěn)定性，同時(shí)依靠錨桿自身的剛度提供一定的支擋作用，防止巖體滑動(dòng)甚至脫落。按現(xiàn)有支護(hù)理論，錨桿支護(hù)作用的基本理論有懸吊理論、組合梁理論、加固拱理論等。
　　1.1　懸吊理論
　　錨桿支護(hù)的作用是將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在上部穩(wěn)定巖層上，以增強(qiáng)較軟弱巖層的穩(wěn)定性。其原理如圖1所示。這種支護(hù)理論應(yīng)用比較廣泛，但存在以下明顯缺陷：
　?。?）錨桿受力只有當(dāng)松散巖層或不穩(wěn)定巖塊完全與穩(wěn)定巖層脫離的情況下等于破碎巖層的重量，而這種條件在巷道中并不多見(jiàn)，懸吊理論則認(rèn)為錨桿受力就等于其加固區(qū)圍巖的重量[3]，這與錨桿實(shí)際受力情況存在很大偏差。
　?。?）沒(méi)有考慮錨桿安設(shè)后對(duì)破碎巖層變形和離層的控制作用。特別是當(dāng)水平應(yīng)力比較大時(shí)，頂板離層很大。為了減小破碎巖層的離層，保持頂板的穩(wěn)定性，應(yīng)加大錨桿的預(yù)應(yīng)力。
　?。?）當(dāng)錨桿穿過(guò)破碎巖層時(shí)，錨桿提供的徑向和切向約束會(huì)不同程度的提高破碎巖層的整體強(qiáng)度，使其具有一定的承載能力，從而減小錨桿受力。
　　總之，懸吊理論在分析過(guò)程中不考慮圍巖的自承能力，而是將錨固體與原巖體分開(kāi)，與實(shí)際情況有一定差距。懸吊理論只適用于巷道頂板，不適用于巷道幫、底。
　　1.2　組合梁理論
　　如果頂板巖層中存在若干分層，頂板錨桿的作用，一方面是依靠錨桿的錨固力增加各巖層間的摩擦力，防止巖石沿層面滑動(dòng)，避免各巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象；另一方面，錨桿桿體可增加巖層間的抗剪剛度，防止巖層間的水平錯(cuò)動(dòng)[4]，從而將巷道頂板錨固范圍內(nèi)的幾個(gè)薄巖層鎖緊成一個(gè)較厚的巖層（組合梁）。其原理如圖2所示。
　　組合梁理論充分考慮了錨桿對(duì)層狀頂板離層及滑動(dòng)的約束作用，原理上對(duì)錨桿作用分析的比較全面，但它存在以下缺陷：
　?。?）組合梁有效厚度很難確定，它涉及到頂板的巖層分布和影響錨桿支護(hù)的眾多因素，目前還沒(méi)有比較準(zhǔn)確的理論方法來(lái)確定有效組合梁的厚度；（2）沒(méi)有考慮水平應(yīng)力對(duì)組合梁強(qiáng)度、穩(wěn)定性及錨桿荷載的影響。在水平應(yīng)力較大的巷道中，水平應(yīng)力是頂板破壞失穩(wěn)的主要原因。
　　1.3　組合拱（壓縮拱）理論
　　在拱形巷道圍巖的破裂區(qū)中安裝預(yù)應(yīng)力錨桿，在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應(yīng)力，如果沿巷道周邊布置錨桿群，只要錨桿間距足夠小，各個(gè)錨桿形成的壓應(yīng)力圓錐體將相互交錯(cuò)，就能在巖體中形成一個(gè)均勻的壓縮帶，即承壓拱[5]，這個(gè)承壓拱可以承受其上部破碎巖石施加的徑向荷載。在承壓拱內(nèi)的巖石徑向及切向均受壓，處于三向應(yīng)力狀態(tài)，其圍巖強(qiáng)度得到提高，支撐能力也相應(yīng)加大，如圖3所示。
　　組合拱理論充分考慮了錨桿支護(hù)的整體作用，在軟弱煤層中得到廣泛應(yīng)用。但也同樣存在一些缺陷：
　?。?）影響加固拱厚度的因素很多，很難準(zhǔn)確估計(jì)；（2）加固拱厚度遠(yuǎn)小于巷道跨度時(shí)，加固拱是否發(fā)生破壞不僅與其強(qiáng)度有關(guān)，更主要取決于加固拱的穩(wěn)定性，在該理論中沒(méi)有考慮。
　　2、錨索支護(hù)機(jī)理
　　錨索是一種柔性的錨固材料，一般有多股鋼絞線編制在一起制成。該材料在進(jìn)行錨固作業(yè)時(shí)通過(guò)自身提供的拉力來(lái)保證巷道頂板和邊幫的穩(wěn)定性。錨索有不同形式，如端錨預(yù)應(yīng)力錨索，全長(zhǎng)錨固預(yù)應(yīng)力錨索，以及全長(zhǎng)錨固非預(yù)應(yīng)力錨索[6]等。不同形式的錨索其支護(hù)加固機(jī)理也有所不同。
　?。?）端錨預(yù)應(yīng)力錨索
　　這種錨索主要起懸吊作用，如圖4所示。錨索把下部不穩(wěn)定巖層懸吊于上部穩(wěn)定的巖層。同時(shí)，由于錨索可施加較大的預(yù)緊力，可擠緊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)面之間的摩擦力，從而提高圍巖的整體強(qiáng)度。
　?。?）全長(zhǎng)錨固預(yù)應(yīng)力錨索
　　這種錨索不僅具有端部錨固預(yù)應(yīng)力錨索的各種作用，而且由于錨索沿全長(zhǎng)錨固，具有類似全長(zhǎng)錨固錨桿的作用。索體和錨固劑共同作用，提高巖體的整體強(qiáng)度和剛度。
　?。?）全長(zhǎng)錨固非預(yù)應(yīng)力錨索
　　與全長(zhǎng)錨固預(yù)應(yīng)力錨索相比，這種錨索的最大特點(diǎn)是沒(méi)有預(yù)緊力，因而承載速度慢，支護(hù)加固不及時(shí)。只有圍巖發(fā)生一定變形后錨索才承受較大的載荷。
　　3、錨桿（索）支護(hù)的力學(xué)分析
　　3.1　彈性分析
　　為了定性地說(shuō)明問(wèn)題，將錨桿（索）支護(hù)簡(jiǎn)化為作用于巷道周圍徑向的壓應(yīng)力和錨固區(qū)圍巖體力學(xué)參數(shù)（E、）的提高，運(yùn)用線彈性理論的解析法[7]，分析在不均勻、連續(xù)、各向同性巖體的圓形巷道中，錨桿（索）沿圓形巷道徑向等間距布置時(shí)，在圍巖中產(chǎn)生的附加應(yīng)力。計(jì)算巷道錨固附加應(yīng)力的力學(xué)模型如圖5所示。內(nèi)徑為a，外徑為b，即錨固區(qū)范圍為b-a。錨固區(qū)彈性模量為E，泊松比為；原巖區(qū)彈性模量為E’，泊松比為。 　　如果錨桿（索）所提供的預(yù)緊力為T，沿圓周等間距布置n根錨桿（索），則其在錨固圍巖的內(nèi)邊界上產(chǎn)生的附加徑向壓應(yīng)力Pa為：
　?。?）
　　該問(wèn)題為軸對(duì)稱平面應(yīng)變問(wèn)題，其彈性力學(xué)解為：
　　錨固區(qū)，即a　≤r　≤b時(shí)
　?。?）
　　原巖區(qū)，即b＜r＜∞
　　（3）
　　其中：
　?。?）
　　且應(yīng)力以壓應(yīng)力為正而拉應(yīng)力為負(fù)，經(jīng)錨桿（索）加固后，錨固區(qū)圍巖的彈性模量得到提高，泊松比降低，所以E＞E’，＞，因而m＜1，應(yīng)力分布大致如圖5。
　　3.2　塑性分析
　　巷道開(kāi)挖后，由于施工方面的原因，圍巖往往得不到立即支護(hù)，當(dāng)施加錨桿支護(hù)時(shí)，巷道附近的部分圍巖已進(jìn)入屈服狀態(tài)。下面考慮在部分圍巖進(jìn)入塑性屈服的情形下，錨桿支護(hù)對(duì)于圍巖應(yīng)力狀態(tài)的改善。其計(jì)算模型如圖6。
　　巷道半徑為a，塑性區(qū)半徑為R0，預(yù)緊力錨桿作用于巷道周圍的徑向壓應(yīng)力為Pa，考慮莫爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則，當(dāng)λ=1時(shí)，得塑性區(qū)應(yīng)力及半徑：
　?。?）
　?。?）
　　式中：，Rc為圍巖單軸抗壓強(qiáng)度，
　　彈性區(qū)應(yīng)力：
　?。?）
　　當(dāng)徑向壓應(yīng)力Pa=0時(shí)即為無(wú)支護(hù)狀態(tài)下的應(yīng)力及塑性區(qū)半徑，由以上各式得出無(wú)支護(hù)和有支護(hù)時(shí)圍巖應(yīng)力變化情況如圖7。
　　由圖7及以上各式可得，在圍巖周邊加上徑向壓應(yīng)力Pa后，使洞周塑性區(qū)應(yīng)力隨著徑向壓應(yīng)力Pa的增大而增大，洞周從二向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為三向應(yīng)力狀態(tài)[8]。在維持極限平衡狀態(tài)的情形下，使徑向應(yīng)力由零變?yōu)镻a，切向應(yīng)力由Rc增大為，這在圖中表現(xiàn)為莫爾應(yīng)力圓上移。塑性區(qū)半徑R0隨著徑向壓應(yīng)力Pa的增大而減小，圖中塑性區(qū)半徑由R0減小為R0’。
　　4、實(shí)例研究
　　永煤集團(tuán)城郊煤礦原設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為240萬(wàn)噸/年，經(jīng)過(guò)兩次大的技術(shù)改造，2009年核定生產(chǎn)能力為500萬(wàn)噸/年。礦井目前有6個(gè)生產(chǎn)采區(qū)，1個(gè)準(zhǔn)備采區(qū)，（東部2個(gè)生產(chǎn)采區(qū)，北部4個(gè)生產(chǎn)采區(qū)和1個(gè)準(zhǔn)備采區(qū)），西翼十六采區(qū)到2012年上半年具備生產(chǎn)條件。在具備生產(chǎn)條件之后，巷道出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，巷道穩(wěn)定性驟降，為了保證綜采作業(yè)順利推進(jìn)，對(duì)西翼十六采區(qū)進(jìn)行了錨固。
　　首先對(duì)采用錨網(wǎng)梯噴漿對(duì)1-1斷面進(jìn)行支護(hù)，錨桿間排距700×700mm，噴漿厚度為30～50mm，二次支護(hù)采用錨網(wǎng)噴漿支護(hù)，錨桿間排距為1000×1000mm，噴漿厚度為70～90mm，噴漿總厚度為120mm，錨桿為Φ20×2400mm的高強(qiáng)錨桿，鐵托盤規(guī)格150×150×8mm，矩形布置，完成錨固之后的錨固力達(dá)到120kN。在此基礎(chǔ)上又在1-1、2-2斷面的巷道頂部沿中心線打3根型號(hào)為Φ18.9mm×8000mm的錨索，錨索間排距1400mm×1400mm。錨索托板為250×250×20mm，托盤后使用鋼筋梯加強(qiáng)支護(hù)，完成支護(hù)后的錨索錨固力為150kN。
　　5、結(jié)論與展望
　　通過(guò)對(duì)于錨固機(jī)理的研究可以明確，錨桿（索）與圍巖的相互作用關(guān)系是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題。錨桿支護(hù)對(duì)破碎煤巖體的錨固機(jī)理主要有3個(gè)方面，一是提高錨固體的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度，提高錨固體峰值前、峰值后的內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角；二是通過(guò)錨桿的軸向作用使圍巖由二向應(yīng)力狀態(tài)向三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化，改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)錨桿的橫向作用，阻止圍巖沿裂隙等弱面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，提高弱面的抗剪能力，達(dá)到提高錨固體殘余強(qiáng)度的目的；三是通過(guò)錨桿的錨固作用，在保持較大殘余強(qiáng)度的同時(shí)，錨固體有控制地發(fā)生較大變形，釋放圍巖變形能，降低錨固體的壓力，使錨固體適應(yīng)煤層巷道圍巖大變形的特點(diǎn)。明確了這三個(gè)方面的特點(diǎn)，對(duì)于今后的錨固機(jī)理研究和錨固方案實(shí)施有非常重要的指導(dǎo)意義。