煤巷中的錨桿支護設計應用

1 錨桿支護機理分析
　　巷道支護的基本原理是巷道支護(支架或錨桿)與圍巖共同承載,并盡量促使巖層形成承載結構。在此基礎上發展了許多錨桿支護理論,如懸吊理論、組合梁理論、組合拱(壓縮拱)理論、圍巖松動圈支護理論、最大水平應力理論、巷道錨桿支護圍巖強度強化理論等等,無論在過去和現在,這些理論對錨桿支護機理的認識與指導巖體工程實踐都起到了不可低估的作用。但由于地質條件的復雜性與研究手段的局限性,錨桿支護理論至今尚不成熟,還不能單獨依靠某種理論為錨桿支護做出比較準確的設計。
　　從錨桿支護加固機理的討論中,可以得到對錨桿支護實踐有指導意義的幾點結論:
　　1.1 為提高被加固巖層的強度,在可能條件下盡量提高對頂板的錨固強度。錨固強度越大,圍巖形成的承載結構承載能力越大。
　　1.2 巷道掘進以后,應及時安設錨桿,防止頂板早期出現離層,這樣極有利于頂板的穩定。應避免安設錨桿的時間與滯后掘進工作面的距離超過規定時間。
　　1.3 按規定擰緊錨桿的緊固螺母,以使錨桿具有較大的初錨力。
　　2 設計依據
　　根據現場地質資料,在現有錨桿支護理論和預應力錨桿(索)控制圍巖思想的基礎上,采用系統動態監測設計法對潘北礦1121(1)下順槽進行錨桿支護初步設計,并輔以工程類比和理論計算,然后通過現場施工、監測,并經過綜合觀測結果的整理、分析,對初始設計進行修改、調整,最終完善錨桿支護參數設計。
　　2.1 預應力控制圍巖的基本原理 眾所周知,巷道開挖后在圍巖很小變形時(約在破壞載荷的25%以下),脆性特征明顯的巖體就出現開裂、離層、滑動、裂紋擴展和松動等現象,使圍巖強度大大弱化。如果巷道開挖后立即安裝錨桿,但未施加預拉力,由于錨桿極限變形量大于圍巖極限變形量,又由于各類錨桿都有一定的初始滑移量,因而錨桿不能阻止圍巖的開裂、滑動和弱化。只有當圍巖的開裂位移達到相當的程度(在鋼筋混凝土中達到極限載荷的60～75%)以后,錨桿才起到阻止裂紋擴展的作用,這時圍巖已幾乎喪失抗拉和抗剪的能力,加固體的抗拉和抗剪能力主要依賴于錨桿。
　　2.1.1 頂板預應力結構的形成需要以下條件:①安裝支護構件時應能夠提供一個明確的張拉力,其絕對值應明顯大于松動巖體的重量,這種主動施加的作用力應適度,過小或過大都不合適;②支護構件應能保證和加固區內圍巖的相互作用穩定存在,并具有合適的強度;③支護結構剛度應和圍巖匹配,同步承載,協調變形。
　　2.1.2 預應力支護理論主要內容:①預拉力(或稱初撐力)的大小對頂板穩定性具有決定性的作用,當預拉力大到一定程度時,使頂板巖層處于橫向壓縮的狀態,形成預應力承載結構,從而大大緩解或消除橫向彎曲變形,只有縱向的微小膨脹和壓縮變形,因而錨桿長度范圍內和錨桿長度以上的頂板離層得以消除;②水平應力的存在有利于巷道頂板的穩定;③錨桿參數和預拉力的合理配置可以使錨桿長度之內和錨桿長度之外的上覆頂板巖層都不存在離層破壞;④預應力頂板將使得垂直壓力均化到巷道兩側縱深范圍,巷道兩側的壓力集中現象減小,片幫的現象緩和,兩幫的維護將變得相對簡單;⑤施工機具、施工工藝和錨桿結構及加工等方面的研究應以實現高預拉力為中心。
　　2.2 系統動態監測設計法 系統動態監測設計法是以對地應力場及其對巷道穩定性的影響方式、圍巖變形失穩規律、錨桿支護機理與支護特性三個方面的正確認識為理論依據;以現場調查、工程實測和礦壓觀測為依托手段和表現形式;以解釋實測與觀測結果從而實施監控所應遵循的工程準則為核心內容的一種系統性的煤巷錨桿支護設計方法。
　　3 錨桿支護初步設計
　　3.1 錨桿支護形式和巷道斷面 根據巷道頂板、底板及兩幫巖石和煤體的單軸抗壓強度、巖體完整性指數、巷道埋深、本區段采動影響及相鄰區段的采動影響等7個指標,采用模糊聚類分析法,將煤巷圍巖穩定性分為非常穩定、穩定、中等穩定、不穩定和極不穩定五個類別。
　　3.2 支護參數理論計算法
　　3.2.1 理論計算過程 針對上述維護特點,依據巷道圍巖穩定性分類原則及工作面開采技術條件,巷道圍巖屬于Ⅳ～Ⅴ類圍巖,按現代煤巷錨桿發展的技術水平和最新成果,應用層狀頂板預應力支護理論和支架-巷道圍巖共同支護原理,按照工程類比法,采用高強預應力錨網索支護,按煤層平均傾角為28°計算,巷道設計斷面為梯形:巷道凈寬×中高=5.0m×2.8m;頂板斜長5.4m左右;高幫高3.8m。
　　①錨桿長度 從計算可知,圍巖的松動圈頂部為2.4m,因此兩幫的松動圈也考慮為2.4m,根據錨桿的均勻壓縮帶原理,錨桿的錨固深度視松動圈的大小,可超出松動圈也可小于松動圈,但不易過淺,必須時錨固端位于有較高殘余強度的塑性區內。則錨桿長度為:L頂=1.1×2.25=2.475m,取2.5m;L高幫=1.1×2.25=2.475m,取2.5m;L低幫=1.1×2.25=2.475m,取2.5m。
　　②錨桿間排距 錨桿支護,主要是通過錨桿群的錨固作用,把圍巖周邊附近一定厚度范圍內的巖體,均勻壓縮成能承受自身圍巖壓力的整體結構。因此錨固均勻壓縮帶厚度不小于錨桿長度的1/3,均勻壓縮帶的厚度和錨桿的錨固深度、間排距有關。為了安全起見,取壓縮帶厚度t=L/2,即t=1.2m,可確定出錨桿的間排距:
　　D≤2R0(L-t)/(2R0+L)=0.88m
　　根據計算結果,錨桿的間排距應小于0.88m,參照類似巷道支護參數并考慮到巷道傾斜角度和頂板巖層條件,錨桿間排距為0.8m×0.8m。
　　③錨桿直徑計算 根據錨桿桿體承載能力和錨固力等強度原則確定錨桿直徑。
　　考慮煤柱穩定性及工程類比,頂板和幫部錨桿直徑一樣,取22mm。
　　根據以上計算,錨桿選用高強度左旋螺紋鋼錨桿,頂板錨桿選擇φ22×2500;高幫錨桿選擇φ22×2500;低幫錨桿選擇φ22×2500。
　　④錨索及其參數選擇
　　a錨索材料 錨索材料一般用高強度、低松弛(Ⅱ級)粘結式1×7鋼絞線,其直徑為15.24mm。考慮到該面上覆巖層塊狀和碎塊狀性較軟的泥巖或砂質泥巖,對巷道的穩定性有一定的影響,因此錨索的選用φ17.8的鋼絞線。
　　b錨固長度 根據拉拔試驗數據,考慮到巖性和施工等影響因素及安全系數確定錨固長度。錨索的破壞形式一般是膠結體與鋼絞線的粘結被破壞,錨索從膠結體中被拔出。在錨索支護設計中應保證鋼絞線與膠結體有足夠的粘結強度,才能保證錨索的支護效果。
　　c錨索長度和支護密度 錨索宜錨固在圍巖內部較穩定的巖層中。
　　考慮直接頂厚度的不均勻性和施工影響因素,安全系數取1.1,則錨索的長度為:LS=1.1×L=6.27～6.93m,取7m。
　　錨索的支護密度根據類似條件巷道的支護經驗和實際情況,按照每排2根,錨索斜間距2.4m,每隔三排錨桿布置一排錨索,錨索用鋼帶沿走向壓茬布置。
　　3.2.2 支護系統承載校核 ①錨索提供的最大支護抗力②錨桿提供的支護抗力。
　　以上錨桿、錨索的支護參數是根據理論來計算的,在實際施工過程中,還必須根據實際的地質情況和監測分析結果進行必要的調整,以完善支護設計。
　　3.3 支護方案確定根據維護的常規條件,采用較大間排距高強預拉力錨帶網支護方案:頂板及上幫采用新型左旋螺紋鋼高強性能預拉力錨桿、M型鋼帶和鋼筋網(上幫鋪設塑料網)聯合支護,下幫采用新型左旋螺紋鋼高強性能預拉力錨桿、M型鋼帶和金屬網聯合支護。
　　結論
　　4.1 回采巷道的支護應充分遵循全支護原則、支護與圍巖共同作用原則、控制原則和短期臨時加強支護的原則。
　　4.2 錨桿及其組合支護(錨網、錨梁、桁架等)可以充分發揮圍巖的自身承載能力,提高圍巖的強度,適應動壓作用,是回采巷道有前途的支護形式。
　　層狀巖層中,不破頂的回采巷道錨桿作用機理主要是懸吊作用和組合梁作用。
　　4.3 提高錨桿的預緊力和及時支護,對于增加圍巖強度、控制巖層早期變形和破壞、發揮圍巖自承能力有重要意義。