軟巖巷道錨桿錨索支護(hù)技術(shù)研究

      隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國對煤炭為主的化石能源的需求量還在不斷攀升，且由于近些年來的大規(guī)模開采，礦山淺部的資源已經(jīng)開始枯竭，對能源的開采業(yè)逐漸向深部延伸。隨之出現(xiàn)的地質(zhì)條件惡化、地應(yīng)力加大、破碎的巖體增多、地溫升高等問題都對巷道圍巖穩(wěn)定性造成影響，在淺部普通的巖石在礦山深部會呈現(xiàn)出軟巖的特性，容易出現(xiàn)變形、膨脹等問題，使支護(hù)的難度增加、工程作業(yè)的環(huán)境惡化，隨之生產(chǎn)成本也上升，深部資源開采面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。所以在巷道開挖后，應(yīng)采取相應(yīng)的支護(hù)措施恢復(fù)改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，因此對巷道支護(hù)方式的研究具有重要的現(xiàn)實意義。
　　1、軟巖巷道變形特點(diǎn)
　　深部和淺部的巖土體力學(xué)性質(zhì)因為所處的環(huán)境不同其表現(xiàn)也不一樣，深部巷道的變形特點(diǎn)主要有圍巖的變形量大、變形出現(xiàn)的范圍廣、初期發(fā)展的速度快等。首先是圍巖的自穩(wěn)時間非常短，自穩(wěn)時間所致的是沒有任何支護(hù)措施的情況下，圍巖被挖開之后暴露在外到被破壞所經(jīng)過的時間，該時間是不確定的、呈現(xiàn)動態(tài)發(fā)展的趨勢。軟巖巷道的圍巖自穩(wěn)時間段，只有進(jìn)行超前支護(hù)才能保證不脫落；其次是圍巖的變形速度快、同時持續(xù)的時間非常長。通常來說，從開始開掘，圍巖的變形速度大概為5-19mm每天，最快甚至達(dá)到50-150mm每天，持續(xù)時間在1-2個月之間不等，最長可能持續(xù)半年以上；第三是巷道圍巖的變形量非常大，由于其地質(zhì)環(huán)境非常復(fù)雜，在開掘之后如果不及時采取相應(yīng)的措施很容易出現(xiàn)頂板脫落、地板上臌以及兩幫移近量大的現(xiàn)象，此時仍不進(jìn)行控制，巷道很可能被完全破壞；最后的特點(diǎn)是圍巖遇水會發(fā)生膨脹從而導(dǎo)致變形加劇。
　　2、錨索支護(hù)特點(diǎn)
　　錨索的支護(hù)機(jī)理為：單體錨索通過固定在巖體中的內(nèi)錨頭以及鎖定的外錨頭對錨索施加預(yù)應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生拉張彈性變形作用。當(dāng)巷道的圍巖發(fā)生變形時，錨索施加的預(yù)拉力通過內(nèi)錨頭與外錨頭產(chǎn)生壓力作用，平衡變形力、維護(hù)巷道的穩(wěn)定性。一般情況下，煤礦巷道中錨桿與描索大多都是配合進(jìn)行使用。當(dāng)及時采用鍋桿、鋪索的支護(hù)方式之后，就會形成錯桿和預(yù)應(yīng)力錨索的加固群體，相鄰的錨桿和鋪索之間的作用力就會相互疊加，形成一個承載拱，這個承載層與單用鋪桿相比其厚度得到成倍的增加，促使巷道圍巖發(fā)揮出更好的承載性能。錨索支護(hù)方式應(yīng)用在煤礦巷道的支護(hù)工程中的特點(diǎn)有：承載性能非常強(qiáng)，錨固的深度越大，支護(hù)能力就可靠；錨索的體積和質(zhì)量都不大，施工中較為靈活，使用較為方便、可靠，有效的提高巷道的掘進(jìn)效率；支護(hù)效果良好，能夠節(jié)約巷道、頂板的維護(hù)修理費(fèi)用，具有很好的經(jīng)濟(jì)與技術(shù)推廣價值；在負(fù)荷頂板以及交叉點(diǎn)的支護(hù)作用更為明顯。但是其成本較高，所以通常與錨桿結(jié)合進(jìn)行支護(hù)。
　　3、 錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)的原理
　　依據(jù)鋪固平衡拱的原理，將錨桿錨固范圍當(dāng)中的圍巖以及錨桿的整體作為巷道支護(hù)體，然后打入錨索實施加強(qiáng)支護(hù)，本文通過分析支護(hù)體和圍巖之間的相互作用對錨桿錨索的聯(lián)合支護(hù)原理進(jìn)行說明。在松軟破碎的圍巖當(dāng)中，巷道的變形量也會隨之增加。因此在開掘后的巷道中立刻使用錨索支護(hù)的方式是不行的，錨索的延伸量會因為超過極限而發(fā)生破斷，所以巷道的開挖初期只能使用鋪桿的方式進(jìn)行支護(hù)，錨巖支護(hù)體回應(yīng)為錨桿的加固進(jìn)而產(chǎn)生一定的承載能力，能夠允許巷道圍巖一定范圍中的變形，圍巖能夠釋放出變形能，從而保持自身的穩(wěn)定。隨著變形量的增大，錨巖支護(hù)體的自穩(wěn)性能與承載能力都呈現(xiàn)下降的趨勢，在其自穩(wěn)能力達(dá)上升到極限之前，在錨索工程的延伸量大于圍巖的剩余變形時進(jìn)行錨索支護(hù)，就能夠滿足圍巖對錨索延伸量的需求，確保其穩(wěn)定性。
　　在對支護(hù)進(jìn)行設(shè)計過程中，需要以圍巖的條件為基礎(chǔ)，合理選擇錨桿的支護(hù)方式、參數(shù)，并選擇與之相配的描索，這也是實施錨桿錨索支護(hù)設(shè)計的重點(diǎn)。在支護(hù)期間，為了讓錨索能夠適應(yīng)較大的變形量，應(yīng)當(dāng)首先對錨索的力學(xué)特性進(jìn)行識別，然后深入研究其在圍巖變形量較大的巷道里的應(yīng)用。
　　4、工程實例
　　4.1工程概況
　　某煤礦主要是深部井田，主要采煤層是3號、15號，三號煤層的厚度在4.4-5.9m之間，15號則在2.4-5.6m之間。兩煤層的位置相對穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較為簡單，同時煤層的強(qiáng)度較低。煤層的埋深較大，其中3號的埋深在500m以上，且礦區(qū)的地應(yīng)力較大，最大的水平主應(yīng)力在26.9-32.9MPa之間，巷道圍巖總體呈較軟的特性，容易風(fēng)化侵蝕。運(yùn)輸巷道的埋深為565m，長度為212m，巷道的開口段為全巖的構(gòu)造，3號煤層就位于運(yùn)輸巷道的上方。煤層底板與頂板之間的距離在0.5-1.15m之間。
　　4.2錨桿錨索的支護(hù)參數(shù)
　　當(dāng)前國內(nèi)錨桿的類型較為豐富，針對某煤礦在高應(yīng)力軟巖的條件下，選擇使用高強(qiáng)度的樹脂錨固錨桿較為合適。根據(jù)經(jīng)濟(jì)利益以及支護(hù)效果進(jìn)行分析，對錨桿的直徑進(jìn)行確定，從前者來看錨桿的直徑對成本的影響不是非常大，而從支護(hù)效果上來看，在固定的條件下，錨桿桿體的直徑與其的支護(hù)強(qiáng)度呈正相關(guān)，其直徑越大、支護(hù)效果越好。綜合考慮各方面的因素之后，選擇規(guī)格為20的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，其桿體上的紋理不平，不需要進(jìn)行其他的處理就能保證與錨固劑之間的粘連強(qiáng)度；其次是錨桿的長度確定，過長可能會受到巷道的高于寬的影響，造成施工不變，而過短則無法形成支護(hù)體系。通過其預(yù)應(yīng)力、密度、長度以及錨固方式等最終確定使用長度為2.4m的錨桿，頂部的錨索長度為7.3m，兩幫的長度為5.3m。
　　4.3 工程結(jié)果
　　采取相應(yīng)的措施對聯(lián)合支護(hù)的結(jié)果進(jìn)行監(jiān)測，首先是巷道頂板的變形情況，通過9周的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)頂板的總變形量達(dá)到2.4cm，巷道在此期間保持穩(wěn)定的下沉量，在第7周時變形趨于穩(wěn)定；其次是地板的變形，測量期間變形量最大為1.6cm，在支護(hù)后前5周的鼓起量較大，最大為1.5vm，后期慢慢趨向于穩(wěn)定；最后是兩幫的變形情況，變形量最大達(dá)到3.5cm，并向巷道的內(nèi)側(cè)接近。同時對錨桿錨索的受力情況進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)錨桿在兩個月之間的受力變化非常小，處于穩(wěn)定的狀態(tài)；而錨索在初期的應(yīng)力增長加快，在支護(hù)后兩天下降，逐漸穩(wěn)定。
　　結(jié)語
　　通過在實際工程中應(yīng)用錨桿錨索的方式進(jìn)行支護(hù)并進(jìn)行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)該方式的支護(hù)效果較好，且相較于全錨索支護(hù)方式而言具有節(jié)約成本、更為經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，是一種較為理想的支護(hù)方式。