煤巷錨桿支護技術的探討

曹子文

（山西煤炭運銷集團 泰安煤業有限公司，山西 保德 036604）

1 錨桿支護技術的概述

錨桿支護是煤巷支護技術的發展方向。實踐表明，它與傳統棚式支護相比，錨桿支護可以改善支護效果、降低成本、加快速度、減輕勞動強度、提高斷面利用率等優越性，是煤礦高產高效生產的重要配套技術。錨桿支護的目的，是使巷道圍巖達到穩定。本文從巷道圍巖的變形特征出發，分析錨桿支護的作用及效果。

2 典型巷道圍巖的變形特征

調查與實測表明，大部分巷道的破壞是漸進形成的，圍巖松動范圍也是隨著時間逐漸擴展的；巷道周邊一定范圍的圍巖內，巷道各點的變形速度及變形量差異較大：深部的圍巖變形小、速度慢，而淺部圍巖變形大、速度快。即使是完全處于塑性區的巷道，圍巖內部變形差異也是存在的，并在不同的圍巖深度還存在拉壓域。深部圍巖受壓，而淺部受拉。不同位置圍巖之間變形量與變形速度的差異，會導致圍巖的進一步變形或相互約束。若能在實際中，仔細分析其相互作用、明確其相互作用的范圍和條件、充分考慮實現圍巖的自我約束條件，利用圍巖的這一變形不協調性來實現圍巖相互約束，則可減少巷道變形。錨桿的作用首先是實現或增強圍巖的自身穩定，其次才考慮其進一步的加固作用，控制圍巖的變形量，從而達到安全目的。

3 錨桿支護的作用分析

1）懸吊作用論。錨桿的支護作用最早為懸吊理論，巷道表層的圍巖用錨桿懸吊起來，錨固在深層的圍巖上，這種解釋存在一定的局限性。例如巷道圍巖存在形狀和大小合適的破碎圍巖體，且此圍巖體在不支護的條件下可能自行垮落，這時若用錨桿將其懸吊起來、以保持巷道周邊的完整性，則錨桿的懸吊理論是成立的；否則是不成立的。

2）組合梁理論。眾所周知，煤系地層的圍巖大多是層狀的，即使是同一種巖性，也表現為層狀，典型的為泥巖、頁巖，有時層理還較發育，若用錨桿把這些層狀的圍巖錨固成一個整體，則可增強承載能力。這種組合梁理論也存在其缺陷。例如圍巖相對破碎，但靠自身的摩擦和相互擠壓能夠達到自身穩定時，采用組合梁理論解釋，其理由就不夠充分。

3）組合拱理論。組合拱理論恰好解釋了組合梁理論不能解釋的問題。例如相對破碎但在一定條件下可以自穩的圍巖，采用組合拱理論解釋是很完美的，尤其是巷道斷面大或一些拱形巷道，用組合拱理論解釋非常貼近實際。錨桿把這些相對破碎的圍巖進行組合，防止其進一步移動垮落，再靠圍巖自身的摩擦、相互擠壓形成承載能力較強的拱形結構，阻止圍巖的進一步變形，從而達到安全目的。

以上是傳統的三種假說，從不同角度、條件解釋了錨桿支護的作用機理，力學模型簡單、計算方法簡便。近年來，又提出了巷道錨桿支護圍巖強度強化理論及最大水平應力理論，主要是針對錨桿的受力狀況提出來的，揭示了錨桿支護的實質，擴大了錨桿支護技術的應用范圍，為巷道錨桿支護設計提供了理論指導。

4 錨桿支護設計的理論分析

錨桿支護設計考慮的因素較多，主要有：巷道圍巖的賦存特征及其物理力學特性；巷道圍巖的受力狀況及主應力方向與巷道軸線方向的關系；巷道的斷面形狀尺寸及服務年限。

考慮以上因素設計的錨桿支護參數有：錨桿的長度、直徑、錨固長度、錨桿的間距、排距、方向。其傳統的設計方法主要如下：

1）經驗設計法：

①錨桿長度：L=N（1.5+W/10）.

式中：L 為錨桿的總長度，m；N 為圍巖影響系數，該礦為Ⅲ類圍巖取1.0；W 為巷道或硐室的跨度，m。

②錨桿間距：M≤1.0/N.式中：M 為錨桿間距，m。

③錨桿直徑：d=L/110.式中：d 為錨桿的直徑，m。

2）規程類比法：表1為常見巷道錨桿參數的取值。

3）極限平衡區設計法：分述如下。

表1 各類巷道錨桿支護參數的經驗公計算值

巷道理論半徑的確定。巷道理論半徑為當量半徑與外接圓半徑的最小者，當量半徑用下式計算：

式中：rs為巷道當量半徑，m；S 為實際巷道斷面積，m2；kx為巷道端面修正系數。

極限平衡半徑、巷道周邊位移、極限平衡區深入巷道圍巖的深度。

根據彈性理論、雙向等壓情況下，受采動影響圓形巷道的極限平衡區半徑R 可表示為：

式中：α 為巷道理論半徑，m；γH 為自重應力，kg/cm2；γ為上覆巖層體積質量，kg/cm3；H 為巷道埋深，m；Pi為支護阻力kN；R 為 極限平衡區 半徑，m；C 為 黏 結 力kg/cm2；φ 為內摩擦角，°；K1為采動影響系數；K2為巖體力學參數修正系數。

巷道周邊位移u 可表示為：

式中：u 為巷道周邊位移，m；G 為剪切彈性模量，MPa。λ=（1-sinφ）/2sinφ.極限平衡區深入圍巖的深度Δ 為：Δ=R-a.式中：Δ 為極限平衡區深入圍巖的深度，m。

3）錨桿長度：L=L1+Δ+L2.式中：L 為錨桿長度，m；L1為錨固長度，m；L2為錨桿外露長度（取0.1m）。按端錨方式安設錨桿，錨固長度L1按黏結段的黏度同錨桿承擔的最大載荷相匹配的原則確定。

錨固段內金屬錨桿同黏結劑之間總黏結力與錨桿載荷之間滿足下式：

式中：dj為錨桿直徑，mm；τj為黏結劑同金屬錨桿間的黏結強度，取8MPa；P 為錨桿載荷，MPa；L'1為按破壞面發生在金屬錨桿表面處要求的錨固段長度，mm。從而可有L'1=P/（πdjτj）。同理，錨固段內黏結劑同鉆孔巖壁之間的的黏結力與錨桿載荷之間應滿足下式：

式中：dy為鉆孔的直徑，mm；τy為黏結劑同鉆孔巖壁之.間的的黏結強度；L"1為按破壞面發生在鉆孔巖壁處要求的錨固段長度，mm。從而可有L"1=P/（πdjτj）.

4）錨桿直徑D 與間排距的確定：在載荷集度一定的情況下，錨桿直徑同錨桿間排距成反比關系；在每根錨桿負責的維護面積確定的情況下，需支護加固的最大載荷密度為qd=n（R-h）γ.

式中：n 為載荷備用系數，取2；h 為矩形巷道的半高，m。根據每根錨桿所維護的面積S（S=H×I=間距×排距）及載荷集度，可以算出每根錨桿所承擔的載荷，從而確定錨桿直徑，公式為

式中：D 為錨桿的直徑，mm；［σ］為桿體材料的許用強度，MPa。錨桿直徑與錨桿的間排距存在如下關系：

5 結束語

上述設計，基本上考慮了巷道在圍巖中的賦存特性，進而從理論方面設計錨桿的支護參數，但是沒有考慮主應力方向與巷道軸線的關系，這是目前設計中存在的一個缺陷。再者，巷道圍巖的變形并不是連續的、均勻的，可能存在離層，一些巖層的變形量大、另一些小，層與層之間發生離層，這些變形與離層所產生的力都由錨桿來承擔，若是端錨、錨桿相對均勻承載，若是全長錨固、則錨桿的受力不均勻，在變形量大的巖層部位、錨桿受力也較大。一般情況下，錨桿的初錨力要達到其額度承載力80%以上，如果圍巖變形量超出錨桿的伸長量，錨桿可能拉斷或失去承載力。所以本人認為，如果圍巖變形不均勻連續，宜用端錨，使錨桿均勻伸長，避免全錨產生局部伸長而拉斷錨桿。大部分巷道后期變形量非常嚴重（也即流變），如超出一定的范圍，錨桿可能失去其支護效果而導致巷道垮落。為了適應圍巖的大變形，可伸縮錨桿的研制成為當務之急；只有錨桿適應圍巖的變形，才能對圍巖起到控制作用（也即耦合作用）；所以可伸縮錨桿是今后錨桿發展的主要方向之一。