針對大斷面巷道錨桿支護參數改進的研究

祖賀軍

（河南理工大學 454010）

針對大斷面巷道錨桿支護參數改進的研究

祖賀軍

（河南理工大學 454010）

錨桿錨索支護技術取得了一定的進步，通常情況下錨桿錨索支護技術處在巷道下的技術已十分完善。解決好礦井開采的安全技術與擴大其開采范圍的重要措施在于如何處置大斷面、大跨度的支護問題。本文歸納出支護參數設計措施，其主要是針對大斷面桿錨索。

耦合支護；頂板；錨桿支護；數值模擬

引言

礦井能夠使產量與效率保持高水平的必要前提在于巷道支護有效而合理的保護，對于煤礦安全生產來講，錨桿支護技術起到了舉足輕重的作用。錨桿支護方式的大規模應用使煤礦企業在技術與經濟上取得了極大的突破，而這主要源于錨桿支護方式的下列特點：費用少、率效高、支護效果佳，巷道支護以后的發展趨勢必將是錨桿支護。

本文所采用的工程實例為南屯煤礦三采東區回采巷道支護，進一步分析了大斷面、大跨道巷道錨桿支護。概括出的矩形巷道圍巖塑性區的確定措施主要依據在于對錨桿（索）支護機理展開探討，而這種針對大跨度巷道的錨桿設計方法立足于實際。

1 工程概況

現階段對南屯煤礦開采水平保持在3上煤和3下煤服務的-350m主水平，為16上煤和17煤服務的-432m主水平，同時還包括5個鋪助水平，即-290m、-440m、-260m、-670m、-537m。把厚、中煤層、礦井厚概括為12個采區，在1984年開始廣泛應用綜合機械開采技術，礦井對采區合并技術進行了完善與創新，主要是為了促進綜采機械化生產技術的發展。十二、十一、十、九采區重組成為九采區，八、七、六采區重組為七采區；五、四、三采區合并為三采區；二、一采區重且為一采區。目前，一采區已開采結束且停止使用，而九采區與七采還在正常使用當中。

2 巷道不平衡受損機理

巷道工程不平衡狀況的出現本身與地層壓力的效應相一致，假設不同次數的應力量值遠遠大于一些圍巖的強度極限或塑性極限或對圍巖的塑性狀態有明顯的作用性，那么圍巖將會出現明顯的松碎和變形，破裂和破壞等情況，地層壓力就會顯現出來。地層壓力效應直接影響著地下工程進展后的工作狀況，圍巖和二次應力發生的形變，所產生的強度是難以估計的。地層壓力包括了膨脹壓力和形變壓力及松動壓力等。地下工程不平衡受損的原因是這三種壓力跟圍巖之間形成的支護結構的結果，假設巷道工程得不到適時的支護。形變壓力對圍巖的作用力表現在其能夠引起圍巖的不平衡受損并演變為松動壓力。

煤層地下工程包含的一些礦物質具有膨脹特性，而這些礦物質往往藏在巷道圍巖中里面，像高嶺石和伊利石及蒙脫石等。在動工時，巖體與水相遇但仍可探測到整體的膨脹變形及移動。在一定支護結構的壓力下，膨脹變形將會產生另一種壓力。出現這種情況的原因跟圍巖的顆粒細有關，圍巖的毛細管是互通并有著一定的吸水性，巖體的體積隨即增大并移往地下工程內空的位置，造成支付結構的影響。

3 煤巖巷道工程支護原則

煤巖巷道支護以實際工程作為問題分析的支撐，并沒有絕對的標準化支護。煤巖不論從宏觀地質上分析還是從微觀上分析，都有著極大的差別。因此，其所需要的支護對策也是有針對性選擇的。煤巖工程與支護的穩定，必須對煤巖的形變力學有足夠的把握，掌握煤巖工程變形的原因，才能針對性地實施科學的支護措施。

4 錨桿（索）支護設計理論和方法

懸吊理論顯示把錨桿支護應用到巷道頂板不強的巖層懸吊上，使巖層得以穩定。

4.1 巷道支護機理分析

根據目前的錨桿支護理論，對錨桿支護起到支撐的理論包括懸吊理論和組合梁理論及加固拱理論。現在檸條塔煤礦面臨的狀況是錨桿支護的穩定和擴容工作。

由圍巖現存的破壞變形情況可得知錨桿支護的穩定和擴容情況，包括：

（1）巷道圍巖破壞變形規律的不同時段表現存在明顯差異。所以錨桿支護的受力情況要受巷道的影響。

（2）錨桿最初用于對破碎巖塊的掉落造成阻力，使表面圍巖得以穩定，使巖層彎曲及壓曲得以平衡。錨桿安裝的及時能夠對支護結構起到較好的作用。

（3）時間越長，巷道圍巖的平衡受損表現得越明顯。如果錨桿裝進穩定巖層，那么巖層和穩定層緊靠在一起，有效地加強了巷道的穩定性。由于錨桿提供切向和徑向力量，巖層的擴容和離層及滑動得到了很好的控制，因而其承載能力也得到了相應的提高。

（4）錨桿未進入穩定巖層時，將在破壞區內形成次生承載層，它有助于上部完整巖層的鞏固和穩定，同時，圍巖深部應力將趨于內移及均勻。

（5）次生承載層厚度的因素并不是唯一和靜止的。如果比巷道尺寸小，那么就要跟壓曲及彎曲的不平衡性相聯系。

（6）鋼帶和鋼筋托梁的使用是對錨桿間的破碎巖塊進行加固的。錨固區巖層的擴容和離層，其受力情況不斷加大，對錨桿間圍巖的擴容和離層形成一定的阻力，不斷加大次生承載層的承載力和厚度。

4.2 煤礦巷道頂板錨桿作用機理

從組合梁理論中可以得知，頂板巖層如果有不同的分層，頂板錨桿負責加大不同巖層的錨固力，使摩擦增大，從而減輕巖石沿層面滑動，使各巖層的分離現象得以控制；另外，錨桿桿體有效防止巖層間的水平滑動，把巷道頂板中的薄巖層鎖緊，形成一個較厚的巖層體，叫做組合梁。

依據該理論進行頂部錨桿計算，梁的載荷如下：

p0=γ1gH

式中：W01——巷道頂部的寬度，m；

H——錨桿加固長度，m。

巖梁安全工作的條件為：

錨桿長度最小應為l=h2+3p0錨桿外露長度。

式中：3p0是巷道頂部錨桿加固范圍內薄弱巖體的抗拉強度，MPa。

4.3 煤礦巷道錨桿支護組合拱（壓縮拱）理論

根據組合拱理論可知，拱形巷道圍巖的破裂區的預應力錨桿，把壓應力集中在桿體兩端，形成圓錐形。假設巷道四周安裝的錨桿群，并且錨桿的間距小到一定的范圍，壓應力圓錐體形成交錯，巖體中將會出現一種均勻的壓縮帶，這種壓縮帶也稱為承壓拱。承壓拱的承受能力足以承受其上部破碎巖石施加的徑向荷載。承壓拱的受力處于三向應力狀態，三向應力狀態是一種均勻的應力狀態，這樣圍巖強度得到一定的加強，同時支撐能力也得到有效的鞏固。

4.4 構造應力作用理論

澳大利亞學者蓋爾（W.J.Gale）提出的最大水平應力理論也就是構造應力作用的理論。礦井巖層的水平應力一般比垂直應力大，水平應力有著明確的方向性，水平應力的最大與最小差額一般為1.5～2.5倍。水平應力跟巷道頂底板的穩定性密切相關，其特征表現如下：

（1）頂底板穩定性最好的是的跟最大水平應力平行的巷道，其受水平應力作用最小；

（2）頂底板變形破壞偏向巷道某一幫的是跟最大水平應力呈銳角相交的巷道；

（3）頂底板穩定性最差的要數跟最大水平應力垂直的巷道。

5 結束語

本文主要闡述了穩定性控制方法和原則及軟巖巷道的特性，以及錨固耦合支護理論實施方法。由南屯煤礦三采東區段巷道作工程背景，有效實現了錨網索聯合支護的基礎上對耦合支護使用。

TD353

A

1004-7344（2016）01-0164-02

2015-12-1