煤巷中的錨桿支護設(shè)計應(yīng)用

1 錨桿支護機理分析
　　巷道支護的基本原理是巷道支護(支架或錨桿)與圍巖共同承載,并盡量促使巖層形成承載結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上發(fā)展了許多錨桿支護理論,如懸吊理論、組合梁理論、組合拱(壓縮拱)理論、圍巖松動圈支護理論、最大水平應(yīng)力理論、巷道錨桿支護圍巖強度強化理論等等,無論在過去和現(xiàn)在,這些理論對錨桿支護機理的認識與指導(dǎo)巖體工程實踐都起到了不可低估的作用。但由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性與研究手段的局限性,錨桿支護理論至今尚不成熟,還不能單獨依靠某種理論為錨桿支護做出比較準確的設(shè)計。
　　從錨桿支護加固機理的討論中,可以得到對錨桿支護實踐有指導(dǎo)意義的幾點結(jié)論:
　　1.1 為提高被加固巖層的強度,在可能條件下盡量提高對頂板的錨固強度。錨固強度越大,圍巖形成的承載結(jié)構(gòu)承載能力越大。
　　1.2 巷道掘進以后,應(yīng)及時安設(shè)錨桿,防止頂板早期出現(xiàn)離層,這樣極有利于頂板的穩(wěn)定。應(yīng)避免安設(shè)錨桿的時間與滯后掘進工作面的距離超過規(guī)定時間。
　　1.3 按規(guī)定擰緊錨桿的緊固螺母,以使錨桿具有較大的初錨力。
　　2 設(shè)計依據(jù)
　　根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)資料,在現(xiàn)有錨桿支護理論和預(yù)應(yīng)力錨桿(索)控制圍巖思想的基礎(chǔ)上,采用系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測設(shè)計法對潘北礦1121(1)下順槽進行錨桿支護初步設(shè)計,并輔以工程類比和理論計算,然后通過現(xiàn)場施工、監(jiān)測,并經(jīng)過綜合觀測結(jié)果的整理、分析,對初始設(shè)計進行修改、調(diào)整,最終完善錨桿支護參數(shù)設(shè)計。
　　2.1 預(yù)應(yīng)力控制圍巖的基本原理 眾所周知,巷道開挖后在圍巖很小變形時(約在破壞載荷的25%以下),脆性特征明顯的巖體就出現(xiàn)開裂、離層、滑動、裂紋擴展和松動等現(xiàn)象,使圍巖強度大大弱化。如果巷道開挖后立即安裝錨桿,但未施加預(yù)拉力,由于錨桿極限變形量大于圍巖極限變形量,又由于各類錨桿都有一定的初始滑移量,因而錨桿不能阻止圍巖的開裂、滑動和弱化。只有當圍巖的開裂位移達到相當?shù)某潭?在鋼筋混凝土中達到極限載荷的60～75%)以后,錨桿才起到阻止裂紋擴展的作用,這時圍巖已幾乎喪失抗拉和抗剪的能力,加固體的抗拉和抗剪能力主要依賴于錨桿。
　　2.1.1 頂板預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的形成需要以下條件:①安裝支護構(gòu)件時應(yīng)能夠提供一個明確的張拉力,其絕對值應(yīng)明顯大于松動巖體的重量,這種主動施加的作用力應(yīng)適度,過小或過大都不合適;②支護構(gòu)件應(yīng)能保證和加固區(qū)內(nèi)圍巖的相互作用穩(wěn)定存在,并具有合適的強度;③支護結(jié)構(gòu)剛度應(yīng)和圍巖匹配,同步承載,協(xié)調(diào)變形。
　　2.1.2 預(yù)應(yīng)力支護理論主要內(nèi)容:①預(yù)拉力(或稱初撐力)的大小對頂板穩(wěn)定性具有決定性的作用,當預(yù)拉力大到一定程度時,使頂板巖層處于橫向壓縮的狀態(tài),形成預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu),從而大大緩解或消除橫向彎曲變形,只有縱向的微小膨脹和壓縮變形,因而錨桿長度范圍內(nèi)和錨桿長度以上的頂板離層得以消除;②水平應(yīng)力的存在有利于巷道頂板的穩(wěn)定;③錨桿參數(shù)和預(yù)拉力的合理配置可以使錨桿長度之內(nèi)和錨桿長度之外的上覆頂板巖層都不存在離層破壞;④預(yù)應(yīng)力頂板將使得垂直壓力均化到巷道兩側(cè)縱深范圍,巷道兩側(cè)的壓力集中現(xiàn)象減小,片幫的現(xiàn)象緩和,兩幫的維護將變得相對簡單;⑤施工機具、施工工藝和錨桿結(jié)構(gòu)及加工等方面的研究應(yīng)以實現(xiàn)高預(yù)拉力為中心。
　　2.2 系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測設(shè)計法 系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測設(shè)計法是以對地應(yīng)力場及其對巷道穩(wěn)定性的影響方式、圍巖變形失穩(wěn)規(guī)律、錨桿支護機理與支護特性三個方面的正確認識為理論依據(jù);以現(xiàn)場調(diào)查、工程實測和礦壓觀測為依托手段和表現(xiàn)形式;以解釋實測與觀測結(jié)果從而實施監(jiān)控所應(yīng)遵循的工程準則為核心內(nèi)容的一種系統(tǒng)性的煤巷錨桿支護設(shè)計方法。
　　3 錨桿支護初步設(shè)計
　　3.1 錨桿支護形式和巷道斷面 根據(jù)巷道頂板、底板及兩幫巖石和煤體的單軸抗壓強度、巖體完整性指數(shù)、巷道埋深、本區(qū)段采動影響及相鄰區(qū)段的采動影響等7個指標,采用模糊聚類分析法,將煤巷圍巖穩(wěn)定性分為非常穩(wěn)定、穩(wěn)定、中等穩(wěn)定、不穩(wěn)定和極不穩(wěn)定五個類別。
　　3.2 支護參數(shù)理論計算法
　　3.2.1 理論計算過程 針對上述維護特點,依據(jù)巷道圍巖穩(wěn)定性分類原則及工作面開采技術(shù)條件,巷道圍巖屬于Ⅳ～Ⅴ類圍巖,按現(xiàn)代煤巷錨桿發(fā)展的技術(shù)水平和最新成果,應(yīng)用層狀頂板預(yù)應(yīng)力支護理論和支架-巷道圍巖共同支護原理,按照工程類比法,采用高強預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護,按煤層平均傾角為28°計算,巷道設(shè)計斷面為梯形:巷道凈寬×中高=5.0m×2.8m;頂板斜長5.4m左右;高幫高3.8m。
　?、馘^桿長度 從計算可知,圍巖的松動圈頂部為2.4m,因此兩幫的松動圈也考慮為2.4m,根據(jù)錨桿的均勻壓縮帶原理,錨桿的錨固深度視松動圈的大小,可超出松動圈也可小于松動圈,但不易過淺,必須時錨固端位于有較高殘余強度的塑性區(qū)內(nèi)。則錨桿長度為:L頂=1.1×2.25=2.475m,取2.5m;L高幫=1.1×2.25=2.475m,取2.5m;L低幫=1.1×2.25=2.475m,取2.5m。
　　②錨桿間排距 錨桿支護,主要是通過錨桿群的錨固作用,把圍巖周邊附近一定厚度范圍內(nèi)的巖體,均勻壓縮成能承受自身圍巖壓力的整體結(jié)構(gòu)。因此錨固均勻壓縮帶厚度不小于錨桿長度的1/3,均勻壓縮帶的厚度和錨桿的錨固深度、間排距有關(guān)。為了安全起見,取壓縮帶厚度t=L/2,即t=1.2m,可確定出錨桿的間排距:
　　D≤2R0(L-t)/(2R0+L)=0.88m
　　根據(jù)計算結(jié)果,錨桿的間排距應(yīng)小于0.88m,參照類似巷道支護參數(shù)并考慮到巷道傾斜角度和頂板巖層條件,錨桿間排距為0.8m×0.8m。
　?、坼^桿直徑計算 根據(jù)錨桿桿體承載能力和錨固力等強度原則確定錨桿直徑。
　　考慮煤柱穩(wěn)定性及工程類比,頂板和幫部錨桿直徑一樣,取22mm。
　　根據(jù)以上計算,錨桿選用高強度左旋螺紋鋼錨桿,頂板錨桿選擇φ22×2500;高幫錨桿選擇φ22×2500;低幫錨桿選擇φ22×2500。
　?、苠^索及其參數(shù)選擇
　　a錨索材料 錨索材料一般用高強度、低松弛(Ⅱ級)粘結(jié)式1×7鋼絞線,其直徑為15.24mm。考慮到該面上覆巖層塊狀和碎塊狀性較軟的泥巖或砂質(zhì)泥巖,對巷道的穩(wěn)定性有一定的影響,因此錨索的選用φ17.8的鋼絞線。
　　b錨固長度 根據(jù)拉拔試驗數(shù)據(jù),考慮到巖性和施工等影響因素及安全系數(shù)確定錨固長度。錨索的破壞形式一般是膠結(jié)體與鋼絞線的粘結(jié)被破壞,錨索從膠結(jié)體中被拔出。在錨索支護設(shè)計中應(yīng)保證鋼絞線與膠結(jié)體有足夠的粘結(jié)強度,才能保證錨索的支護效果。
　　c錨索長度和支護密度 錨索宜錨固在圍巖內(nèi)部較穩(wěn)定的巖層中。
　　考慮直接頂厚度的不均勻性和施工影響因素,安全系數(shù)取1.1,則錨索的長度為:LS=1.1×L=6.27～6.93m,取7m。
　　錨索的支護密度根據(jù)類似條件巷道的支護經(jīng)驗和實際情況,按照每排2根,錨索斜間距2.4m,每隔三排錨桿布置一排錨索,錨索用鋼帶沿走向壓茬布置。
　　3.2.2 支護系統(tǒng)承載校核 ①錨索提供的最大支護抗力②錨桿提供的支護抗力。
　　以上錨桿、錨索的支護參數(shù)是根據(jù)理論來計算的,在實際施工過程中,還必須根據(jù)實際的地質(zhì)情況和監(jiān)測分析結(jié)果進行必要的調(diào)整,以完善支護設(shè)計。
　　3.3 支護方案確定根據(jù)維護的常規(guī)條件,采用較大間排距高強預(yù)拉力錨帶網(wǎng)支護方案:頂板及上幫采用新型左旋螺紋鋼高強性能預(yù)拉力錨桿、M型鋼帶和鋼筋網(wǎng)(上幫鋪設(shè)塑料網(wǎng))聯(lián)合支護,下幫采用新型左旋螺紋鋼高強性能預(yù)拉力錨桿、M型鋼帶和金屬網(wǎng)聯(lián)合支護。
　　結(jié)論
　　4.1 回采巷道的支護應(yīng)充分遵循全支護原則、支護與圍巖共同作用原則、控制原則和短期臨時加強支護的原則。
　　4.2 錨桿及其組合支護(錨網(wǎng)、錨梁、桁架等)可以充分發(fā)揮圍巖的自身承載能力,提高圍巖的強度,適應(yīng)動壓作用,是回采巷道有前途的支護形式。
　　層狀巖層中,不破頂?shù)幕夭上锏厘^桿作用機理主要是懸吊作用和組合梁作用。
　　4.3 提高錨桿的預(yù)緊力和及時支護,對于增加圍巖強度、控制巖層早期變形和破壞、發(fā)揮圍巖自承能力有重要意義。