煤礦井下巷道錨桿支護方法技術性能分析

楊小龍

摘 要：文章在對錨桿支護基本原理進行分析的基礎上，結合煤礦井下巷道錨桿支護的特點探討了錨桿支護的主要形式、錨固施工的具體實踐以及錨桿支護技術在井下巷道的具體應用，并對錨固施工的技術方法及性能做進一步的分析。

關鍵詞：錨桿；支護方法；巷道加固

中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）27-0020-01

錨桿支護即在完成巷道掘進之后，為了對巷道的圍巖進行加固而采取的技術處理措施。首先，通過在圍巖中打孔，然后在孔內錨入對應的錨桿，利用錨桿對圍巖進行加固，提高圍巖的整體強度，使得巷道的整體強度得到提升。與普通的支架不同，錨桿不僅能被動的承載巷道圍巖所產生的壓力而阻止巖石掉落，而且能夠充分利用錨入圍巖中的錨桿對巷道內部圍巖自身的力學狀態予以改變，從而在巷道的四周形成一個穩定的巖石層，能夠與錨桿形成穩定的支撐體系。基于此，可以認為錨桿支護屬于一種主動式的支撐方式。從具體的實際應用情況來看，錨桿支護能夠最大程度的確保巷道圍巖的整體穩定性與完整性，并對圍巖的變形量、位移和縫隙等進行控制，達到主動支撐的目的，對礦井的支護情況予以有效改進，提高礦井作業安全性。因此，深入分析錨桿支護工作原理，探討煤礦井下巷道錨桿支護的形式和主要技術方法，對提高錨桿支護的性能、保證巷道整體結構性能非常重要。

1 錨桿支護的基本原理

煤礦井下錨桿支護的基本原理是基于具體的作用力而構建的，因此，本文將基于錨桿使用過程中的作用力探討錨桿支護的基本原理。

1.1 錨桿的懸掛作用

錨桿的懸掛作用主要應用于較薄的直接頂或者在剛度較大的老頂時，錨桿直接將下層不穩定的巖層與上層較為穩固的巖層通過懸掛作用而形成一個相對穩定的整體力學體系，錨桿能夠承擔軟土巖石或者危巖的重量，達到穩定巷道圍巖的目的。該錨固原理利用較早，且實用性較強，能夠有效分析錨桿加固原理。但是卻沒有考慮圍巖自身承載能力的影響，而人為的將被錨固巖層與原始巖層分開，導致錨桿支護分析的準確性不足。

1.2 錨桿的組合梁作用

基于上述錨桿懸掛作用原理的局限性，有學者基于巷道層狀地質結構提出了錨桿的組合梁結構原理。該原理主要用于分析巷道頂板由多層厚度較小而連續性較強的圍巖。其原理是在沒有完全穩固的小厚度層狀圍巖結構中，錨桿能夠起到錨固小厚度巖層的作用，使之形成一個結構穩固的巖石梁，從而提高頂板的承載能力。

1.3 減跨度、提剛性作用

在巷道頂板設置錨桿相當于在該位置設置結構柱，從而使得整個圍巖頂板懸空的跨度縮小，提高了巷道控件的整體剛度，使得巷道頂板巖層的整體抗彎曲能力得到提升。但是該原理與錨桿懸掛理論類似，也不能提供錨桿支護設計的相關參數。

1.4 錨桿的擠壓加固作用

當頂板巖層屬于塊狀的圍巖結構時，通過錨桿的錨入能夠顯著提高巷道圍巖之間的密實度，通過這種巖塊之間的加壓作用而在圍巖對應厚度范圍內形成一個具有穩定自持能力的圍巖結構，從而使得巷道頂板結構得到加固。

2 錨桿支護的主要結構形式

在實際的錨桿支護過程中，主要應用的錨桿組合構件包括7種：①單體錨桿；②錨桿網；③錨桿鋼帶；④錨桿粱；⑤錨桿桁架；⑥錨桿錨索；⑦組合結構，如錨梁網、錨帶網索、錨帶網等。

錨桿布置基本形式。在實際的布置過程中，多采用“三花”布置、“五花”布置以及矩形布置三種基本形式，對應的錨固間距分別為0.6 m、0.8 m和1.0 m。當巷道的頂板結構狀態較優時，可以采用組合錨固結構，這時錨固距離可以根據情況選擇1 m或1.2 m。

錨固的主要方式。錨桿所采用的錨固方式主要包括端頭錨固、加長錨固以及全長錨固三種。在實際的選擇過程中要結合使用的錨桿性能以及巷道圍巖的實際強度等進行選擇。

樹脂錨固劑。使用錨固劑與不同材質的錨桿桿體粘接已經成為了當前錨固工程的有效方式。其具有粘接能力強、固化速度快以及持久性好的特點，且能夠有效抵御外部因素，諸如濕度、溫度等影響，能夠顯著提升整個錨固體系的穩定性。

孔眼、錨桿、樹脂藥卷直徑的合理配對。錨桿支護的最終目的在于對巷道圍巖結構進行穩固控制，減少其在使用過程中的變形、裂隙等。而錨桿錨固力的大小又直接關系到圍巖變形的能力。因此，為了對錨固力進行控制，并保證其能夠順利安裝，通常所鉆孔眼的直徑為28 mm。

3 煤礦井下巷道錨桿支護技術及性能分析

3.1 錨桿支護設計

當前，煤礦井下巷道錨桿設計的過程中，大多采用基于動態信息的設計方法，即在整個施工過程中，并不一次性的完成所有錨桿支護的設計工作，利用巷道的各個支護位置的反饋信息進行實時動態的支護設計，從而使得所設計的錨桿支護方式滿足實際的圍巖狀況。在具體的設計過程中，重點需要對錨桿與錨索之間的匹配進行設計，這是保證錨桿支護性能得以重復發揮的基礎。另外，錨桿托板和螺母也必須與錨桿桿體的整體強度相匹配。這樣，才能夠使得設計的錨桿支護結構形式、力學性能以及設計參數等相互協調，使得錨桿支護性能得到充分發揮。

3.2 錨桿材料的選擇

隨著錨桿支護技術的發展和完善，錨桿材料的研發和使用也得到了迅速的發展。從當初使用的低強度材料發展成為當前廣泛應用的強力支護。最初，國內錨桿支護主要使用Q235圓鋼進行支護，而且在部分地質結構相對簡單的區域依然有使用。但是在井下巷道結構中，由于大部分的錨桿結構多復雜，Q235材料已經不能滿足實際的使用需要，因此當前多使用專門的高強度螺紋鋼作為支護使用的材料，其利用形狀和結構的多重優化來提高錨固穩定性。

3.3 錨固與注漿組合加固技術

圍巖中經常會含有大量的塊狀巖石，單純的使用錨桿支護技術并不能夠達到預期的支護效果。因此，通過使用注漿與錨桿支護相結合的加固方式能夠實現對圍巖的有效加固。這也是當前有效出力破碎圍巖的有效支護方式之一。結合當前礦井巷道的實際特點，根據采用的實際錨桿結構，基于小孔徑樹脂錨索技術，可以設計使用樹脂與注漿錨桿組合的錨固錨索技術，提高對破碎圍巖的出力能力。

4 錨桿支護成套技術的應用實例

本文主要就大斷面矩形巷道錨固技術的應用進行分析。某煤礦使用厚煤層一次采全高的開采方法，其巷道內煤層均厚為4.92 m左右，局部煤層抗壓強度在8.0 MPa左右。其直接頂主要是泥巖與砂質泥巖，均厚為5.73 m，抗壓強度在24.3～34.4 MPa之間，屬于節理裂隙發育地層。整個作業面的超寬部分為10 m左右，斷面面積達到48 m2，是典型的大斷面巷道，錨桿支護難度較大。在錨桿支護方法設計過程中，基于理論分析以及數值計算之后，決定使用高預應力與強力錨桿、錨索相組合的支護方式。錨桿為BHRB600型、準22 mm螺紋鋼強力錨桿，全長2.8 m，抗拉強度為300 kN。同時，其鋼索托板使用強度較高的可調托板，并每排布置4根錨索，兩者相互間距2 m。在施工之后，發現支護狀態得到有效改善，頂板沒有出現明顯的變形以及分離層等，兩側幫的變形量較小。表明所設計的錨桿支護方式不但能夠控制頂板的變形量，而且能夠持續降低煤幫位置的壓力。

參考文獻：

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