錨桿支護原理及其在煤礦中的應用分析

開灤股份有限公司 呂家坨礦業分公司 巨云峰

錨桿支護原理及其在煤礦中的應用分析

開灤股份有限公司 呂家坨礦業分公司 巨云峰

目前，錨桿支護工藝作為一種新興的支護技術，它在煤巷掘進施工中得到了廣泛應用，為煤礦采掘工作帶來了顯著的經濟和安全效益。但是，由于錨桿支護施工受周邊巷道壓力、煤巖體產狀、煤巖體性質、開掘巷道周邊圍巖賦存狀態、礦體采動等多方面因素影響，迄今仍未形成一套完整、系統的錨桿支護理論。

一、錨桿支護原理

現有的錨桿支護原理都是以實踐及實驗基礎上提出的假說為依據，對錨桿支護技術的作用進行理論解釋。目前，已被基層煤礦工作者接受并熟知的錨桿支護原理主要有錨桿懸吊作用原理、組合梁作用原理和組合拱作用原理。這3種原理均以某一理想的均質狀態下的煤巖層賦存條件為基礎，從不同的角度對錨桿的支護作用進行解釋。

1.懸吊作用原理。巷道開挖后會使周邊圍巖應力重新分布，巷道上頂圍巖會出現新舊不連續面，圍巖的自重作用也會使鄰近巷道的上頂巖體成為游離的巖塊，錨桿的支護作用就是將這些游離的巖塊懸吊在巷道上頂穩定的巖層面上。簡單來說，這一理論認為，頂錨桿所懸吊的重量應等于巷道上頂冒落帶內所有巖塊的重量。

2.組合梁作用原理。巷道開挖后，暴露的頂板會出現彎曲、下沉、離層等現象。在這一過程中，頂板巖石各層面間將產生垂直和水平位移。當位移量達到一定程度時，巖層就會斷裂成巖塊；當巖塊之間的摩擦阻力承受不了巖塊自重時，巖塊就會掉落（被稱為頂板冒落）。采用錨桿支護后，由于錨桿預緊力的作用，錨桿兩端頭之間的巖石各層面會連結成為一個組合的整體——人工巖梁。這種人工巖梁的彎曲變形程度是相當小的，不易達到彎曲變形破壞的極限，從而起到對上頂支護的作用。

3.組合拱原理。這一理論是在巷道為拱形斷面的基礎上確立起來的。該理論認為，巷道開挖過程中，其整體周邊煤巖內均使用錨桿支護，由于錨桿預緊力的作用，在每一根錨桿兩端頭之間將形成立體三維圓錐體形壓應力分布區域，各相鄰錨桿之間的圓錐體形壓應力分布區域相互疊加，形成一個組合拱，這個組合拱不僅可以承受錨桿涉及范圍內巖石自身的重量，還可以承受上部破碎巖石所施加的徑向壓力，進而對巷道起到支護作用。

二、錨桿支護原理在巷道掘進施工中的應用實例分析

本文，筆者以某煤層沿板施工巷道為例，對錨桿的支護作用進行具體分析。該煤層工作面地面相應位置西北約0.33 km處為小寨村莊，地面標高為＋29.5 m，掌傾斜上方工作面于2007年回采完畢，東部相鄰工作面與2009年回采完畢，下伏某煤層傾斜上方工作面正在回采。

1.圍巖情況。煤層老頂為灰色粉砂巖，厚5.5 m，成分以泥質為主，泥硅質膠結，層面含炭膜，可見燧石。直接頂為泥巖，厚0.7 m，呈深灰色，為致密、均一狀態，可見植物莖葉化石，近煤含炭質。圍巖單向抗壓強度為77.09 MPa，單向抗拉強度為3.24 MPa；煤層沉積較穩定，以光亮型、半光亮型為主，煤層平均厚3.1 m，。

2.支護技術要求。巷道施工方法為沿板按線機掘打錨桿施工，設計巷道斷面規格為4 500 mm×2 600 mm，頂錨桿為直徑20 mm、長2 200 mm的左旋螺紋金屬錨桿，設計間距750 mm、排距800 mm；幫錨桿為直徑20 mm、長2 200 mm的左旋螺紋金屬錨桿。

3.巷道開挖后上頂問題表現。巷道開挖后，迎頭頂板出現片狀剝落，剝落巖塊形體為中厚邊薄的不規則片狀體。如不及時控制，將不間斷地剝落，直到露出穩定的老頂為止。

4.采用錨桿支護后巷道上頂及支護情況的變化。錨桿支護后，巷道上頂變形量減小，兩幫穩定，煤壁向巷道內推移量不明顯；頂幫錨桿托板因受錨桿拉力致使變形量減小。

5.錨索加固分析。在錨桿支護掘進施工中，錨索加固是錨桿支護不可分割的一部分。該巷道施工采用了打錨索的方法加固，錨索選用Φ17.8 mm、5×7股高強度、低松弛預應力鋼絞線，長6.5 m。錨索托盤選用一字（3孔或2孔）錨索梁，當局部頂板不完整時，托盤選用25U型鋼十字托盤（大小為400 mm×400 mm）。錨索布置間距1.1 m、排距3.2 m，3根錨索分別布置在巷道中線及其兩側。

6.對錨桿支護原理的分析判斷。根據對該巷道掘進工作面迎頭開挖后周邊圍巖狀況的變化情況、后路成形巷道的周邊圍巖變化和錨桿支護的變形情況的觀察，可以發現，沿板掘進巷道中，在錨桿錨固段處于頂板穩定層位且錨桿作用段頂板相對穩定的情況下，懸吊作用和組合梁作用相對明顯，組合拱理論的作用相對次之。

7.控制圍巖變形、離層。在錨桿打好后，由于錨桿的螺母只是擰緊為止，圍巖沒有受外加預緊力的影響，錨桿還處于等勁的狀態，因此，錨桿支護還沒有真正地發揮作用。只有當巖層發生離層、變形、滑移時錨桿才能進入正常工作負載狀態。這就不能有效控制 頂板的離層、滑動和變形，從而導致頂板處于不穩定狀態。圍巖只有通過錨桿、錨索的外加預緊力形成一個有力的剛性體，使圍巖的離層滑動受到錨桿、錨索的限制，才能真正發揮圍巖的自身承載作用。

對錨桿施加高預緊力可將巷道圍巖緊緊的擠壓在一起，使巖層處于壓縮狀態，巖層就不會產生離層、滑動、變形等變化。從而大大提高了巷道的剛度，充分發揮了圍巖自身的支護能力，提高了頂板的穩定性。目前，我國新汶及淮南等煤礦錨桿巷道均采取了對錨桿施加高預緊力（預緊力為80 ～ 100 kN）的措施，有效地控制了圍巖變形、離層與破壞，保護了圍巖的完整性與穩定性，不但顯著提高了支護效果，而且大大降低了頂板事故率，提高了巷道的安全性與可靠性。

三、結論

1.巷道支護施工前，要進行巷道類比和綜合評價，在總結過去施工經驗的基礎上確定錨桿支護方案。

2.在巷道施工中，還要綜合考慮到巷道所在區域內的大區域地質構造、小范圍內的地質變化、頂幫煤巖的巖性變化、圍巖產狀、賦水情況等多方面因素。

3.施工時應采用高預應力、高強度錨桿聯合支護。這樣，一次支護便可能有效地控制圍巖變形與離層等地質災害的發生，避免巷道的二次支護和維修，不僅可以節省大量的人力及財力，還可以有力保障煤礦的安全生產。

綜上，錨桿支護必須要以實踐為基礎，以支護理論為階梯，在實際工作中不斷探索、不斷完善，進一步提升巷道錨桿支護水平。