針對大斷面巷道錨桿支護參數(shù)改進的研究

祖賀軍

（河南理工大學(xué) 454010）

針對大斷面巷道錨桿支護參數(shù)改進的研究

祖賀軍

（河南理工大學(xué) 454010）

錨桿錨索支護技術(shù)取得了一定的進步，通常情況下錨桿錨索支護技術(shù)處在巷道下的技術(shù)已十分完善。解決好礦井開采的安全技術(shù)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(shù)設(shè)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(shù)值模擬

引言

礦井能夠使產(chǎn)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(chǎn)來講，錨桿支護技術(shù)起到了舉足輕重的作用。錨桿支護方式的大規(guī)模應(yīng)用使煤礦企業(yè)在技術(shù)與經(jīng)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(fā)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(qū)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(qū)的確定措施主要依據(jù)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(shè)計方法立足于實際。

1 工程概況

現(xiàn)階段對南屯煤礦開采水平保持在3上煤和3下煤服務(wù)的-350m主水平，為16上煤和17煤服務(wù)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(qū)，在1984年開始廣泛應(yīng)用綜合機械開采技術(shù)，礦井對采區(qū)合并技術(shù)進行了完善與創(chuàng)新，主要是為了促進綜采機械化生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展。十二、十一、十、九采區(qū)重組成為九采區(qū)，八、七、六采區(qū)重組為七采區(qū)；五、四、三采區(qū)合并為三采區(qū)；二、一采區(qū)重且為一采區(qū)。目前，一采區(qū)已開采結(jié)束且停止使用，而九采區(qū)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(xiàn)本身與地層壓力的效應(yīng)相一致，假設(shè)不同次數(shù)的應(yīng)力量值遠遠大于一些圍巖的強度極限或塑性極限或?qū)鷰r的塑性狀態(tài)有明顯的作用性，那么圍巖將會出現(xiàn)明顯的松碎和變形，破裂和破壞等情況，地層壓力就會顯現(xiàn)出來。地層壓力效應(yīng)直接影響著地下工程進展后的工作狀況，圍巖和二次應(yīng)力發(fā)生的形變，所產(chǎn)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(jié)構(gòu)的結(jié)果，假設(shè)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(xiàn)在其能夠引起圍巖的不平衡受損并演變?yōu)樗蓜訅毫Α?/p>

煤層地下工程包含的一些礦物質(zhì)具有膨脹特性，而這些礦物質(zhì)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(jié)構(gòu)的壓力下，膨脹變形將會產(chǎn)生另一種壓力。出現(xiàn)這種情況的原因跟圍巖的顆粒細有關(guān)，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(nèi)空的位置，造成支付結(jié)構(gòu)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(zhì)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(wěn)定，必須對煤巖的形變力學(xué)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(xué)的支護措施。

4 錨桿（索）支護設(shè)計理論和方法

懸吊理論顯示把錨桿支護應(yīng)用到巷道頂板不強的巖層懸吊上，使巖層得以穩(wěn)定。

4.1 巷道支護機理分析

根據(jù)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(xiàn)在檸條塔煤礦面臨的狀況是錨桿支護的穩(wěn)定和擴容工作。

由圍巖現(xiàn)存的破壞變形情況可得知錨桿支護的穩(wěn)定和擴容情況，包括：

（1）巷道圍巖破壞變形規(guī)律的不同時段表現(xiàn)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(wěn)定，使巖層彎曲及壓曲得以平衡。錨桿安裝的及時能夠?qū)χёo結(jié)構(gòu)起到較好的作用。

（3）時間越長，巷道圍巖的平衡受損表現(xiàn)得越明顯。如果錨桿裝進穩(wěn)定巖層，那么巖層和穩(wěn)定層緊靠在一起，有效地加強了巷道的穩(wěn)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(yīng)的提高。

（4）錨桿未進入穩(wěn)定巖層時，將在破壞區(qū)內(nèi)形成次生承載層，它有助于上部完整巖層的鞏固和穩(wěn)定，同時，圍巖深部應(yīng)力將趨于內(nèi)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(lián)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(qū)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(xiàn)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(jù)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(yīng)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(nèi)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(jù)組合拱理論可知，拱形巷道圍巖的破裂區(qū)的預(yù)應(yīng)力錨桿，把壓應(yīng)力集中在桿體兩端，形成圓錐形。假設(shè)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(yīng)力圓錐體形成交錯，巖體中將會出現(xiàn)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(yīng)力狀態(tài)，三向應(yīng)力狀態(tài)是一種均勻的應(yīng)力狀態(tài)，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(gòu)造應(yīng)力作用理論

澳大利亞學(xué)者蓋爾（W.J.Gale）提出的最大水平應(yīng)力理論也就是構(gòu)造應(yīng)力作用的理論。礦井巖層的水平應(yīng)力一般比垂直應(yīng)力大，水平應(yīng)力有著明確的方向性，水平應(yīng)力的最大與最小差額一般為1.5～2.5倍。水平應(yīng)力跟巷道頂?shù)装宓姆€(wěn)定性密切相關(guān)，其特征表現(xiàn)如下：

（1）頂?shù)装宸€(wěn)定性最好的是的跟最大水平應(yīng)力平行的巷道，其受水平應(yīng)力作用最小；

（2）頂?shù)装遄冃纹茐钠蛳锏滥骋粠偷氖歉畲笏綉?yīng)力呈銳角相交的巷道；

（3）頂?shù)装宸€(wěn)定性最差的要數(shù)跟最大水平應(yīng)力垂直的巷道。

5 結(jié)束語

本文主要闡述了穩(wěn)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(qū)段巷道作工程背景，有效實現(xiàn)了錨網(wǎng)索聯(lián)合支護的基礎(chǔ)上對耦合支護使用。

TD353

A

1004-7344（2016）01-0164-02

2015-12-1