煤礦巷道錨桿支護

     1 錨桿構件作用

　　對于錨桿桿體本身來說,由于桿體長度方向和尺寸大于其它兩個方向的尺寸,所以力學上屬于桿件。這種構件主要提供兩方面的作用,第一是抗拉;其次是抗剪作用。

　　錨固劑的作用是將鉆孔孔壁巖石與桿體粘結在一起。對于端部錨固錨桿,錨固劑的作用在于提供粘結力,使錨桿能承受一定的拉力。對于全長錨固錨桿,錨固劑的作用主要有兩方面:將錨桿桿體與鉆孔孔壁粘結在一起,是錨桿隨著巖層移動承受拉力;當巖層發生錯動時,與桿體共同起抗剪作用,阻止巖層發生滑動。

　　2 錨桿支護理論

　　2.1 懸吊理論

　　懸吊是最早的錨桿支護理論,它具有直觀,易懂及使用方便的特點。特別是在頂板上部有穩定巖層,而其下部存在松散、破碎巖層的條件下,這種理論應用比較廣泛。但是這種理論僅考慮了錨桿的抗拉作用,沒有涉及其抗剪能力及對破碎巖層整體強度的提高,因此理論計算的錨桿載荷與實際出入較大。

　　2.2 組合梁理論

　　組合梁理論適用于層狀巖層,對于端部錨固錨桿,其提供的軸向力將對離層產生約束,并且增大了各巖層間摩擦力,與錨桿桿體提供的抗剪力一同阻止巖層間產生相對滑動。對于全長錨固錨桿,錨桿和錨固劑共同作用,明顯改善了錨桿受力狀況,增加了控制頂板離層和水平錯動的能力,支護效果優于端部錨固錨桿。

　　2.3 加固拱理論

　　加固拱理論充分考慮了錨桿支護的整體作用,在軟巖巷道中得到較為廣泛的應用。大量的試驗表明,即使在軟弱松散破碎的巖層中安裝錨桿,也可以形成一個承載結構。只要錨桿間距足夠小,就能在巖體中產生一個均勻壓縮帶,它可以承受破壞區上部破碎巖石的載荷。

　　3 錨桿支護作用分析

　　3.1 錨桿的早期作用

　　巷道開掘階段頂板破壞范圍較小,此時錨桿的作用主要是控制頂板下部巖層的滑動、離層、失穩。錨桿安裝越及時,預緊力越大,則效果越好。

　　事實上,錨桿越粗錨桿預緊力越大,提供的抗剪力越大,巖層越不容易發生錯動。即使載巖層之間的粘結力喪失,在水平應力作用下發生壓曲,壓曲臨界載荷也會得到明顯提高。

　　相反,如果錨桿沒有預緊力,則只有當巖層產生一定變形時錨桿才有載荷,顯然不能控制在這以前頂板巖層的離層和失穩。預緊力太小也不能起到良好效果。如果錨桿安裝不及時,較大范圍內的巖層已產生滑動、失穩、離層,巖層承載能力喪失很大,再打錨桿就不會取得良好的錨固效果。

　　3.2 錨桿的中期作用

　　掘進影響穩定后至受到采動影響前,稱之為中期階段。此階段主要是由于巖石的流變效應,致使隨著時間推移,巖層強度不斷降低,頂板下沉及錨桿受力逐漸加大,最后形成一定范圍的破壞區。當巷道有煤柱時,殘余支撐壓力也影響巷道圍巖變形和破壞。

　　3.3 錨桿的后期作用

　　當巷道支護時間很長或受到回采影響后,巷道圍巖破壞區會進一步擴大,圍巖變形急劇增加,錨桿受力增大。會出現三種情況:一是錨固端仍處于穩定巖層中,只是由于破壞區內的巖層進一步擴容、離層而引起錨桿受力增加,頂板下沉增大。但只要保證錨桿不被拉斷,巷道仍能保持穩定。二是穩定巖層上移,錨桿完全處于破壞巖層內。此時,錨桿的作用發生了較大變化,但只要錨桿參數選擇比較合理,頂板仍能保持穩定。三是當錨桿參數不合理或次生承載層所受載荷很大時,承載層內仍會出現較大的擴容、離層,承載能力下降,厚度減小。

　　4 錨索作用

　　與錨桿相比,錨索具有錨固深度大、錨固力強、可施加較大的預緊力等諸多優點,是困難巷道工程支護加固不可缺少的重要手段。錨索有不同形式,如端錨預緊力錨索,全長錨固預緊力錨索,以及全長錨固非預緊力錨索等。不同形式的錨索其支護加固機理也有所不同。

　　4.1 端錨預緊力錨索

　　一般認為這種錨索主要是懸吊作用。錨索把下部不穩定巖層懸吊于上部穩定的巖層。主要是將錨桿支護形成的次生承載層與圍巖的關鍵承載層相連,阻止因次生承載層失穩而引起的頂板垮落。同時,由于錨索可施加較大的預緊力,可擠緊和嚴密巖層中的層理、節理裂隙等不連續面,增加不連續面之間的摩擦力,從而提高圍巖的整體強度。

　　4.2 全長錨固預緊力錨索

　　這種錨索不僅具有端部錨固預緊力錨索的各種作用,而且由于錨索沿全長錨固,具有類似全長錨固錨桿的作用。索體和錨固劑共同作用,提高巖體的整體強度和剛度。

　　結語

　　(1)巷道圍巖變形和破壞的特點在于每個變形階段都有自己的特征,煤巷與巖巷相比有許多特色。

　　(2)巷道圍巖擴容、離層與滑動是錨桿受力的主要原因。巷道圍巖變形和破壞的規律在不同階段具有明顯差別。因此,錨桿支護的作用在巷道不同受力階段有其特點,而且是不斷變化的。

　　(3)錨桿的早期作用主要是阻止破碎巖塊掉落并抑制淺部圍巖擴容和離層,減小巖層壓曲和彎曲失穩的可能性。錨桿安裝越及時,預緊力越大,支護效果越好。

　　(4)隨著時間的推移和受到采動的影響,巷道圍巖的破壞范圍會逐漸擴大。當錨桿能伸入穩定巖層中時,其作用主要表現為:將破壞區巖層與穩定巖層相連,阻止破壞層垮落。

　　(5)錨桿不能伸入穩定巖層時,其作用主要是在破壞區內形成次生承載層,阻止上部破壞巖層擴容和離層。同時使圍巖深部巖層內的應力分布趨于均勻和內移。

　　(6)鋼帶和鋼筋托梁的早期作用主要是防止錨桿間的破碎巖塊掉落。隨著錨固區巖層擴容、離層的增大,鋼帶和鋼筋托梁受力逐漸增加,對錨桿間的圍巖施以徑向約束,阻止其產生進一步的擴容和離層,從而增加次生承載層得厚度和承載能力。

　　(7)當次生承載層發生壓曲和彎曲失穩后,鋼帶和鋼筋托梁與傾斜錨桿形成組合支護系統,防止破壞巖層垮落和發生較大的轉動。

　　(8)錨索的作用主要是將錨桿支護形成的次生承載層和圍巖的關鍵承載層相連,阻止因次生承載層失穩而引起的頂部垮落,同時,由于錨索可施加較大的預緊力,可擠緊和嚴密巖中的層理、節理裂隙等不連續面,增加不連續面之間的摩擦力,從而提高為要的整體強度。錨索全長錨固時,加固效果更為明顯。