淺析煤礦開挖巷道錨桿支護參數的合理選擇

引言
　　近幾年來，錨桿支護已是煤礦巷道主要的支護方式。要保障錨桿支護的安全和經濟性，在選擇錨桿支護時，關鍵問題就是如何正確的選擇錨桿支護參數，以實現既經濟合理，又能較好的達到支護效果的目的。在此，引入圍巖松動圈和錨桿支護機理為基礎理論，論述錨桿支護的參數選擇問題。
　　2 圍巖松動圈理論和錨桿支護機理
　　1）圍巖松動圈理論。對于地下巖體來說，在開挖之前是處于原始應力平衡的狀態，當開挖后這種平衡狀態遭到破壞，由原來的單向應力狀態變為雙向應力狀態，并在巷道周圍產生了應力集中。而巷道的周邊變為單向應力狀態，此時徑向應力σr下降為零，切向應力σt則集中。當圍巖集中應力σt小于巖體強度時，圍巖處于彈性變形狀態；當圍巖集中應力σt大于巖體強度時，則圍巖就會產生破裂松動，并由巷道周邊開始向深部發展，這種破裂松動深入圍巖深部的距離則稱為圍巖松動區的厚度，這個破裂區也就常稱為圍巖松動圈。
　　2）錨桿支護機理。對于這類的開挖巖體，在現有的支護條件下，若試圖采用支護手段來阻止圍巖的松動破壞則是不可能的，而支護的作用只是限制圍巖松動圈形成過程中破碎力所造成的有害變形。所以，采用錨桿支護，若要達到較好的支護效果，那么其錨桿的布置和參數就必須考慮松動圈內巖體的變形及破壞情況。錨桿支護的主要作用，也就是通過巷道周邊的數根錨桿，使巖體互相擠壓，從而形成一個接近原巖強度的組合承載結構，既錨固圍巖的表層，防止冒落，又能利用巖體本身強度來實現穩定的支護效果。顯然，錨桿支護參數的選擇，必須適應圍巖松動圈巖體的特性。確定松動圈的性質，才能以此為依據，正確、合理選擇錨桿支護的基本參數。
　　3 圍巖松動圈的分類與測定
　　根據上述圍巖松動圈支護理論的分析可知，各個煤礦可根據具體實測資料來進行圍巖的詳細分類。通常情況下，將圍巖分成三類，即穩定圍巖（松動圈LP ≤40cm）、中等穩定圍巖（40cm150cm）。
　　在被開挖巷道中，圍巖松動圈是由圍巖應力和圍巖強度所決定的，由于各個煤礦的地質條件不同，而圍巖松動圈的參數也不盡相同。因此，確定圍巖松動圈的最好辦法就是通過現場來實測。可采用圍巖裂隙探測儀，并根據聲波波速和振幅，做出巷道圍巖巖體聲速振幅變化曲線，這就可以很容易地確定松動圈的范圍。對于采準巷道來說，其測站可以間隔50m以上設置，而每個測站要設幾條測線，每個測線布置6～8個測孔。頂板測孔要垂直頂板的層理方向，其它測孔可以沿煤層傾斜方向來布置。測孔長度按煤層柱狀圖來確定，一般為2～3m。鉆孔鉆好后要用水將孔沖洗干凈，并將探頭插入鉆孔內，并注水封閉后即可進行測試。其測試的實例布置，見圖1、圖2所示。
　　4 錨桿支護參數的合理選擇
　　根據三種圍巖的穩定類型和性質，分別可對不同情況下的錨桿參數選擇與確定。
　　4.1 穩定圍巖條件下的錨桿參數選擇
　　由于松動圈圍巖的自重有限，而錨桿將不起大的作用，所以，對于整體性較好、耐風化的圍巖，可進行不支護，必要時可用單一的噴射混凝土來支護。如此處理，工程實踐表明，其混凝土的最大厚度可以不超過20cm為宜。
　　4.2 中等穩定圍巖條件下的錨桿參數選擇
　　根據理論分析和實踐表明，在中等穩定圍巖條件下，圍巖碎脹變形也比較明顯，而圍巖的收斂變形將使巷道巖體表層產生裂縫或破壞，所以必須用錨桿來控制其變形。錨桿錨固端為松動圈以外的巖體時，錨固端則位于塑性區，因此可采用懸吊理論來確定其錨桿的參數。這時，錨桿起到拉伸、擠壓、加固的作用，從而使松動圈內巖體保持較為穩定的狀態。
　　1）錨桿的長度確定方法。根據如下公式進行：
　　L = LP+ L1+ L2
　　式中：L―――錨桿長度，m；
　　LP ―――圍巖松動圈厚度，m；
　　L1―――錨桿錨入松動圈以外穩定圍巖的深度，這里可取值0.2～0.3m；
　　L2―――錨桿在巷道中外露長度，m。
　　2）錨桿間排距的確定。當選取錨桿間排距相等時，則錨桿錨固力應滿足以下條件：
　　Qmin≥LP?D2?γ
　　D≤[Qmin/（LP?γ）]1/2
　　式中： D ―――錨桿的間排距，m；
　　Qmin―――錨桿的最小錨固力，kN；
　　γ―――圍巖的重力密度值，kN/m3。
　　3）錨桿的直徑確定。這里可以按照每根錨桿懸吊的巖石重量來計算錨桿的直徑，其公式如下：
　　D2?LP?γ≤πd2[σ]/4
　　d≥2D[（LP?γ）/（π[σ]）] 1/2
　　式中：d ―――錨桿的直徑，mm；
　　[σ]―――錨桿體的許用應力，N/mm2。
　　4.3 不穩定圍巖條件下的錨桿參數選擇
　　在支護的巷道，當巖石松動圈大于1.5m時，其巷道的圍巖收斂變形比較大，此時支護時除了要有一定的支護強度外，還應具備一定的可縮性。通過現場的實踐表明，此時可采用錨噴網的支護結構。而錨桿參數選擇原理則與上述相同，但如松動圈厚度較大時，其錨桿過長也不易安裝，且承受較大的拉力，錨固效果也可能不好。這時，在層狀巖層結構下，要選擇較堅硬的巖層作為錨桿的錨固點，并在巷道表面布置金屬網來進行噴層處理，這樣才能獲得較為理想的支護效果，也就說要根據具體條件而定。
　　結束語
　　開挖巷道的支護，為了獲得較好的安全、經濟支護效果，必須根據圍巖松動圈理論進行測試、分析，弄清分類，然后針對不同環境條件下支護合理選擇錨桿參數與支護方式。根據具體條件確定、調節支護方式。