軟巖巷道錨桿錨索支護技術研究

      隨著經濟的發展，我國對煤炭為主的化石能源的需求量還在不斷攀升，且由于近些年來的大規模開采，礦山淺部的資源已經開始枯竭，對能源的開采業逐漸向深部延伸。隨之出現的地質條件惡化、地應力加大、破碎的巖體增多、地溫升高等問題都對巷道圍巖穩定性造成影響，在淺部普通的巖石在礦山深部會呈現出軟巖的特性，容易出現變形、膨脹等問題，使支護的難度增加、工程作業的環境惡化，隨之生產成本也上升，深部資源開采面臨著嚴峻的挑戰。所以在巷道開挖后，應采取相應的支護措施恢復改善圍巖的應力狀態，因此對巷道支護方式的研究具有重要的現實意義。
　　1、軟巖巷道變形特點
　　深部和淺部的巖土體力學性質因為所處的環境不同其表現也不一樣，深部巷道的變形特點主要有圍巖的變形量大、變形出現的范圍廣、初期發展的速度快等。首先是圍巖的自穩時間非常短，自穩時間所致的是沒有任何支護措施的情況下，圍巖被挖開之后暴露在外到被破壞所經過的時間，該時間是不確定的、呈現動態發展的趨勢。軟巖巷道的圍巖自穩時間段，只有進行超前支護才能保證不脫落；其次是圍巖的變形速度快、同時持續的時間非常長。通常來說，從開始開掘，圍巖的變形速度大概為5-19mm每天，最快甚至達到50-150mm每天，持續時間在1-2個月之間不等，最長可能持續半年以上；第三是巷道圍巖的變形量非常大，由于其地質環境非常復雜，在開掘之后如果不及時采取相應的措施很容易出現頂板脫落、地板上臌以及兩幫移近量大的現象，此時仍不進行控制，巷道很可能被完全破壞；最后的特點是圍巖遇水會發生膨脹從而導致變形加劇。
　　2、錨索支護特點
　　錨索的支護機理為：單體錨索通過固定在巖體中的內錨頭以及鎖定的外錨頭對錨索施加預應力，進而產生拉張彈性變形作用。當巷道的圍巖發生變形時，錨索施加的預拉力通過內錨頭與外錨頭產生壓力作用，平衡變形力、維護巷道的穩定性。一般情況下，煤礦巷道中錨桿與描索大多都是配合進行使用。當及時采用鍋桿、鋪索的支護方式之后，就會形成錯桿和預應力錨索的加固群體，相鄰的錨桿和鋪索之間的作用力就會相互疊加，形成一個承載拱，這個承載層與單用鋪桿相比其厚度得到成倍的增加，促使巷道圍巖發揮出更好的承載性能。錨索支護方式應用在煤礦巷道的支護工程中的特點有：承載性能非常強，錨固的深度越大，支護能力就可靠；錨索的體積和質量都不大，施工中較為靈活，使用較為方便、可靠，有效的提高巷道的掘進效率；支護效果良好，能夠節約巷道、頂板的維護修理費用，具有很好的經濟與技術推廣價值；在負荷頂板以及交叉點的支護作用更為明顯。但是其成本較高，所以通常與錨桿結合進行支護。
　　3、 錨桿錨索聯合支護的原理
　　依據鋪固平衡拱的原理，將錨桿錨固范圍當中的圍巖以及錨桿的整體作為巷道支護體，然后打入錨索實施加強支護，本文通過分析支護體和圍巖之間的相互作用對錨桿錨索的聯合支護原理進行說明。在松軟破碎的圍巖當中，巷道的變形量也會隨之增加。因此在開掘后的巷道中立刻使用錨索支護的方式是不行的，錨索的延伸量會因為超過極限而發生破斷，所以巷道的開挖初期只能使用鋪桿的方式進行支護，錨巖支護體回應為錨桿的加固進而產生一定的承載能力，能夠允許巷道圍巖一定范圍中的變形，圍巖能夠釋放出變形能，從而保持自身的穩定。隨著變形量的增大，錨巖支護體的自穩性能與承載能力都呈現下降的趨勢，在其自穩能力達上升到極限之前，在錨索工程的延伸量大于圍巖的剩余變形時進行錨索支護，就能夠滿足圍巖對錨索延伸量的需求，確保其穩定性。
　　在對支護進行設計過程中，需要以圍巖的條件為基礎，合理選擇錨桿的支護方式、參數，并選擇與之相配的描索，這也是實施錨桿錨索支護設計的重點。在支護期間，為了讓錨索能夠適應較大的變形量，應當首先對錨索的力學特性進行識別，然后深入研究其在圍巖變形量較大的巷道里的應用。
　　4、工程實例
　　4.1工程概況
　　某煤礦主要是深部井田，主要采煤層是3號、15號，三號煤層的厚度在4.4-5.9m之間，15號則在2.4-5.6m之間。兩煤層的位置相對穩定，結構較為簡單，同時煤層的強度較低。煤層的埋深較大，其中3號的埋深在500m以上，且礦區的地應力較大，最大的水平主應力在26.9-32.9MPa之間，巷道圍巖總體呈較軟的特性，容易風化侵蝕。運輸巷道的埋深為565m，長度為212m，巷道的開口段為全巖的構造，3號煤層就位于運輸巷道的上方。煤層底板與頂板之間的距離在0.5-1.15m之間。
　　4.2錨桿錨索的支護參數
　　當前國內錨桿的類型較為豐富，針對某煤礦在高應力軟巖的條件下，選擇使用高強度的樹脂錨固錨桿較為合適。根據經濟利益以及支護效果進行分析，對錨桿的直徑進行確定，從前者來看錨桿的直徑對成本的影響不是非常大，而從支護效果上來看，在固定的條件下，錨桿桿體的直徑與其的支護強度呈正相關，其直徑越大、支護效果越好。綜合考慮各方面的因素之后，選擇規格為20的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，其桿體上的紋理不平，不需要進行其他的處理就能保證與錨固劑之間的粘連強度；其次是錨桿的長度確定，過長可能會受到巷道的高于寬的影響，造成施工不變，而過短則無法形成支護體系。通過其預應力、密度、長度以及錨固方式等最終確定使用長度為2.4m的錨桿，頂部的錨索長度為7.3m，兩幫的長度為5.3m。
　　4.3 工程結果
　　采取相應的措施對聯合支護的結果進行監測，首先是巷道頂板的變形情況，通過9周的監測發現頂板的總變形量達到2.4cm，巷道在此期間保持穩定的下沉量，在第7周時變形趨于穩定；其次是地板的變形，測量期間變形量最大為1.6cm，在支護后前5周的鼓起量較大，最大為1.5vm，后期慢慢趨向于穩定；最后是兩幫的變形情況，變形量最大達到3.5cm，并向巷道的內側接近。同時對錨桿錨索的受力情況進行檢測，發現錨桿在兩個月之間的受力變化非常小，處于穩定的狀態；而錨索在初期的應力增長加快，在支護后兩天下降，逐漸穩定。
　　結語
　　通過在實際工程中應用錨桿錨索的方式進行支護并進行監測發現該方式的支護效果較好，且相較于全錨索支護方式而言具有節約成本、更為經濟的特點，是一種較為理想的支護方式。