錨桿加固圍巖潛力研究及應用

鄭再拓

摘 要：

隨著社會發展，人們對煤礦安全的關注也越來越高，當今煤礦巷道掘進速度一再提升，這就對巷道安全提出了更高的要求。本文探討了錨桿支護理論研究現狀，分析了巷道錨桿支護理論及技術現存的主要問題。

關鍵詞：安全； 巷道； 圍巖

引言

我國從1956年起在煤礦巖巷中使用錨桿支護，到60年代末，錨固技術己在我國的礦山、冶金、水電、交通、土木建筑等領域內廣泛采用，應用范圍由堅硬穩定巖石發展到松軟破碎巖石，由小巷道發展到大跨度硐室，至今己近50年的歷史了。我國煤巷錨桿支護技術研究與應用主要經歷了三個階段：80年代中期至90年代初為起步階段；1991一1995年為“八五”攻關階段；1996年至今為引進技術和提高階段。錨桿支護在技術上有了較大的發展，煤巷錨桿支護技術的提高，對于平衡采掘關系，加快高產高效礦井建設，提高煤礦經濟效益將產生深遠的影響。煤巷錨桿支護不同于一般巖巷的錨噴（網）支護。它的主要型式是單體錨桿；錨桿加W鋼帶（或鋼筋梁）或加網，或者加W鋼帶（鋼筋梁）及網，簡稱為錨梁、錨網或錨梁網支護。我國煤巷錨桿支護在不斷發展中也取得了不少寶貴經驗，主要有：單體錨桿支護、錨梁網組合支護、軟巖巷道錨桿支護、深井巷道錨桿支護、沿空巷道錨桿支護、錨桿與金屬支架聯合支護等。

錨桿支護屬于主動支護方式，有利于加固圍巖和提高圍巖強度，保持巷道的長期穩定。同架棚支護相比，錨桿支護的優越性主要表現在：由于錨桿是主動支護頂板，防止早期離層，大大改善了巷道的穩定狀況，有利于巷道維護。錨桿支護與工字鋼棚支護相比，支護成本可降低30%左右，維護費用可降低30%—50%，有利于工作面單產和效率的提高，另外也可減少支護材料運輸量，減輕工人的勞動強度和勞動量，改善作業環境，為回采工作面安全快速推進和實現高產高效創造了有利條件。

1錨桿支護理論研究現狀

隨著錨桿支護工程實踐的不斷豐富，錨桿支護的理論計算模型己有許多有價值的成果。目前，較成熟的理論主要有：一、基于錨桿的懸吊作用而提出的懸吊理論；二、基于錨桿的擠壓加固作用而提出組合梁理論；三、綜合錨桿的各種作用或基于特殊條件而提出的錨桿桁架支護理論、錨注理論、松動圈理論、錨固體強度強化理論等。

1、懸吊理論，懸吊理論認為：錨桿支護是通過錨桿將軟弱、松動不穩定的直接頂板錨固在比較堅硬的巖層上，以防止其離層滑脫，起到懸吊作用，在這種理論下，錨桿主要是提供足夠的拉力，用于克服離層巖體的重力。該理論適用于錨桿長度范圍內賦存有穩定巖層的條件。

2、組合梁理論，組合梁也是一般公認的支護作用理論，組合梁理論是從經典的材料力學中借用而來的。在美國七十年代無拉力全長膠結錨桿盛行時，組合梁理論被廣泛用來解釋錨桿的支護機理，其主要要點是：錨桿的軸向作用力將頂板各分層加緊，各分層相互擠壓，以增強各分層間的摩擦作用，提高層間抗剪力，各分層貫穿在一起形成一個厚的組合梁，薄的巖石分層能獨立抗拒的拉應力較小，而厚的組合梁抗拉強度、抗彎強度大大提高。在錨桿與巖石層面橫交處，錨桿與膠結物一起共同阻止巖層沿層理面的水平錯動。材料力學中的組合梁理論本身不考慮水平側壓的影響，而只考慮垂直載荷。該理論適用于頂板由多層小厚度連續性巖層組成的巷道支護。

3、錨桿桁架支護理論，錨固桁架對巷道的加固作用主要表現在①改變頂板的應力狀態。即隨著桁架錨桿預緊力的增加，頂板中部的拉應力將減小，甚至出現壓應力，從而彌補了巖體抗拉強度較小的弱點。②促進頂板裂隙體梁的形成。當巷道開挖在層狀巖體中且頂板極軟和破碎時，頂板的破壞和變形可以用“巖梁”理論來分析，它的穩定性取決于裂隙體梁的成拱作用，桁架錨桿的預緊力可以增強裂隙體間的擠壓作用，從而增強其間的摩擦作用，并可約束巖層的下沉變形，有利于裂隙體梁達到壓力拱式的平衡狀態。

2巷道錨桿支護理論及技術現存的主要問題

雖然錨桿支護理論取得了巨大的成就，并在指導現場支護實踐方面發揮了積極的作用，但能夠用于定量支護設計的方法仍存在嚴重不足，由于錨桿支護機理的復雜性和多樣性，已有的理論計算模型都是經過大量的簡化而得到的，其結果往往與現場實踐存在較大的誤差，或者對錨桿的支護效果體現的不明顯。主要表現在：

1、現有的錨桿支護理論存在一定的局限性，難以滿足復雜條件下尤其是煤巷圍巖支護設計的要求。懸吊作用的實現有賴于錨桿有效長度范圍內堅固穩定巖層的存在。組合梁作用的實現要以連續層狀頂板為條件。而擠壓加固作用僅能在巷道為拱形斷面的條件下，才能得以較好地發揮。由于煤巷圍巖具有強度低，裂隙發育等內在的不穩定因素，因而不具備錨桿組合梁的形成條件；在錨桿有效長度范圍內往往沒有穩固巖層，因而難以發揮錨桿的懸吊作用。由于煤巷多為矩形或梯形斷面，傳統的擠壓加固拱理論不再適用。

2、數值計算方法出現后，克服了解析計算中的諸多的困難，擴大了定量分析的范圍。但由于模型本身的缺陷，并不能較好地反映出錨桿加固的實際效果；而且，數值計算方法很難在現場推廣和普及，現場的支護設計很大程度上依賴于經驗類比，這就不可避免的帶有一定的盲目性，因為錨桿支護屬于隱蔽性工程，這種類比設計的盲目性，有時可能會造成頂板離層冒落，而且頂板冒落前征兆不明顯，具有突發性，帶來嚴重的事故。

3、在現場錨桿支護設計方面，傳統的錨桿支護理論只能從宏觀上、理論上解釋錨桿支護設計，對于錨桿支護定量設計的貢獻不大，因此，沒有涉及錨桿增加圍巖穩定性潛力的定量描述問題。

3結論

錨桿支護對于巷道安全至關重要，隨著科技發展，錨桿加固相關理論也層出不窮。而對于煤礦安全運行來說，找到合適本煤礦應用的錨桿加固方法則是考驗煤礦工作者智慧的要點。

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（作者單位：淮南礦業集團朱集東煤礦開拓一區，安徽 淮南232000）endprint