煤礦快速掘進(jìn)技術(shù)中錨桿支護(hù)分析

王 曉

（長治市煤礦工程質(zhì)量監(jiān)督站， 山西 長治 046000）

引言

隨著礦物質(zhì)的開采，巷道越挖越深，對(duì)于巷道的快速防護(hù)措施關(guān)注點(diǎn)也越來越高。快速、安全、可靠的煤礦開采支護(hù)技術(shù)為技術(shù)工人提供有力的安全保障。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國國有煤礦每年新掘進(jìn)的巷道總長達(dá)12 000 km，80%以上是煤巷與半煤巖巷，巷道工程規(guī)模巨大，對(duì)煤礦安全、產(chǎn)量與效益有顯著的影響，因此，巷道快速支護(hù)理論與技術(shù)一直是煤礦巖層控制的核心研究內(nèi)容之一[1]。

1 錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展

1911年，美國阿伯施萊辛的弗里登斯煤礦在巷道中首先使用了巖石錨桿支護(hù)技術(shù)。

1934年，阿爾及利亞的舍爾法大壩的加高工程采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)進(jìn)行加固，并取得成功，對(duì)錨桿的預(yù)應(yīng)力達(dá)到10 000 kN級(jí)，這是世界上首次采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)加固錨桿。此后預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于煤礦工程、水利工程、建筑工程等領(lǐng)域。

我國煤礦于1956年在圍巖比較穩(wěn)定的巖巷中最先開始采用錨桿支護(hù)，當(dāng)時(shí)主要采用楔縫式、倒楔式等機(jī)械錨固錨桿和鋼絲繩砂漿錨桿[2]。隨著我國逐步重視錨桿支護(hù)技術(shù)，并被列為國家重點(diǎn)研究項(xiàng)目，直至20世紀(jì)，錨桿支護(hù)技術(shù)已在我國煤礦產(chǎn)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

錨桿支護(hù)施工快速簡(jiǎn)單，因此，錨桿技術(shù)的研究也實(shí)現(xiàn)了多個(gè)理論支持。對(duì)于不同施工環(huán)境條件采用不同的理論方法進(jìn)行分析，保證施工環(huán)境的安全。

2 錨桿支護(hù)技術(shù)理論

錨桿是當(dāng)代煤礦巷道中重要的支護(hù)技術(shù)，利用錨桿快速加強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性、安全性，使圍巖自身支護(hù)自身。發(fā)展到今天，錨桿支護(hù)技術(shù)也形成了多個(gè)理論支持。

2.1 懸吊理論

懸吊理論是由Louis.A.Panek于20世紀(jì)60年代發(fā)表，錨桿支護(hù)的懸吊理論認(rèn)為通過錨桿使煤礦巷道頂層巖壁固定在一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，防止頂層巖層變形、下層及坍塌（如圖1所示）。

圖1 錨桿的懸吊作用示意圖

2.2 組合梁理論

錨桿支護(hù)組合梁理論也是最早的研究理論之一。組合梁理論被認(rèn)為是把各個(gè)相對(duì)較薄的巖層通過錨桿連接組合到一起，形成一根梁結(jié)構(gòu)，來增加巷道巖層的安全性和穩(wěn)定性（如圖2所示），防止各個(gè)巖層之間的滑動(dòng)，出現(xiàn)分離現(xiàn)象，并增大巖層所能承受的剪切力。

圖2 錨桿的組合梁作用示意圖

2.3 組合拱理論

組合拱理論認(rèn)為：在拱形巷道圍巖的破裂區(qū)中安裝預(yù)應(yīng)力錨桿時(shí)，在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應(yīng)力，如果巷道周邊布置錨桿群，只要錨桿間距足夠小，各個(gè)錨桿形成的壓應(yīng)力圓錐體將相互交錯(cuò)，就能在巖體中形成一個(gè)均勻的壓縮，帶即承壓拱，這個(gè)承壓拱可以承受其上部破碎巖石施加的徑向荷載[3]（如下頁圖3所示）。

2.4 水平應(yīng)力理論

水平應(yīng)力理論認(rèn)為巷道巖層的水平應(yīng)力比垂直應(yīng)力大，最大水平應(yīng)力是最小水平應(yīng)力的1.5～2.5倍，且水平應(yīng)力具有方向性，水平應(yīng)力影響巷道頂板的穩(wěn)定性，且易使巷道巖層發(fā)生滑移、下沉、坍塌等現(xiàn)象。

圖3 錨桿的組合拱作用示意圖

2.5 圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論

應(yīng)用錨桿技術(shù)后，使圍巖整體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，安全系數(shù)增加，圍巖應(yīng)力結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。技術(shù)理論強(qiáng)調(diào)了錨桿技術(shù)在巷道巖層支護(hù)中所起到的作用，表達(dá)了錨桿支護(hù)的作用機(jī)理。

2.6 松動(dòng)圈理論

松動(dòng)圈理論是由董方庭等提出的一種針對(duì)巖層防護(hù)理論[2]。松動(dòng)圈支護(hù)理論是基于煤礦巷道圍巖松動(dòng)圈，支護(hù)對(duì)象為松動(dòng)圈圍巖的一種理論，通過聲測(cè)方法確定巷道圍巖的破裂帶，并以此為根據(jù)，以圍巖松動(dòng)圈尺寸為指標(biāo)的圍巖防護(hù)理論。

3 錨桿支護(hù)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

錨桿的應(yīng)用關(guān)系到施工過程的安全，所以在設(shè)計(jì)錨桿時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格遵守《煤礦安全規(guī)程》、《煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》等國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。錨桿的支護(hù)設(shè)計(jì)包括選型、確定錨桿支護(hù)的形式、計(jì)算錨桿的設(shè)計(jì)參數(shù)及驗(yàn)證結(jié)果。

3.1 錨桿類型及支護(hù)形式

錨桿劃分形式多種多樣，根據(jù)受力形式、施用對(duì)象、錨桿結(jié)構(gòu)、錨固方式等劃分，目前國內(nèi)外常用的劃分方式為錨固方式及錨固長度劃分。按照錨固長度劃分，可分集中錨固和全長錨固兩大種類。由于煤礦工程地理環(huán)境的復(fù)雜性，使得施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量難度系數(shù)變大，因此，要考察巷道巖層情況，估算所需錨固力大小，錨桿服務(wù)年限，針對(duì)不同施工環(huán)境，應(yīng)用不同種類的錨桿。

錨桿支護(hù)形式有多種，錨噴、錨網(wǎng)噴等應(yīng)用于服務(wù)年限較長的巷道，錨帶、錨網(wǎng)、錨梁等支護(hù)形式應(yīng)用于服務(wù)年限較短的圍巖巷道。根據(jù)考察得到巷道情況、服務(wù)年限、所需錨固力大小選擇合適的錨桿支護(hù)形式。

3.2 錨桿參數(shù)設(shè)計(jì)

沿著煤礦巷道挖掘，一般巷道頂部為碎巖層，易下沉、掉落、坍塌。所以對(duì)于錨桿的設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)考慮實(shí)際工程情況來選擇相適應(yīng)的技術(shù)理論，以便在快速施工的同時(shí)保證現(xiàn)場(chǎng)施工的安全。

首先根據(jù)巷道巖層情況，選取合適的設(shè)計(jì)理論，計(jì)算錨固力，確定錨桿各個(gè)尺寸參數(shù)，錨桿間距、排距。其次根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況，加入適當(dāng)加固理論、預(yù)應(yīng)力理論等計(jì)算錨桿參數(shù)。最后利用數(shù)值模擬軟件ANSYS、UDEC、FLAC3D等軟件模擬實(shí)際情況，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。錨桿設(shè)計(jì)過程如圖4所示。

圖4 錨桿參數(shù)設(shè)計(jì)過程

3.3 錨桿的施工流程

按照錨桿參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果選型，根據(jù)受力形式、施用對(duì)象選取錨桿結(jié)構(gòu)和錨固方式。按照錨桿的施工流程進(jìn)行工程的快速施工，其流程為：放線定位→鉆孔→安放錨桿及防腐處理→清孔、注漿→張拉鎖定→腰梁或冠梁施工

1）根據(jù)設(shè)計(jì)要求定位，選擇合適的工具及鉆孔方式進(jìn)行鉆孔。鉆孔時(shí)應(yīng)滿足安裝和施工的要求。

2）選擇合適尺寸的錨桿進(jìn)行安裝，安裝時(shí)防止桿體扭曲、彎折及各零部件松脫。并采取在錨桿表面涂潤滑油、防腐漆、水泥漿等防腐措施。

3）采用合適比例的灌漿料，清潔安裝孔，把配好的灌漿料注入安裝孔中。

4）安裝錨桿時(shí)，考慮錨桿的張拉順序，按照技術(shù)要求采用錨具鎖定，如果發(fā)現(xiàn)有預(yù)應(yīng)力損失，及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償張拉。

4 錨桿支護(hù)在快速掘進(jìn)技術(shù)中的應(yīng)用實(shí)例分析

圖5 錨桿支護(hù)示意圖

某礦巷道地質(zhì)情況為巷道高度為2.8 m，頂部巖層厚度為1.5 m，頂部煤厚度約為2.5 m。

因此巷道頂部厚度約為4.0 m，考慮到支護(hù)層較厚，應(yīng)選取全長錨桿進(jìn)行支護(hù)防護(hù)。巷道頂層地質(zhì)較軟，在進(jìn)行錨桿支護(hù)時(shí)，防止巖層較軟坍塌，考慮與錨索相結(jié)合的形式進(jìn)行支護(hù)。錨索形成外拱，錨桿形成內(nèi)拱，錨索加錨桿相結(jié)合成組合拱的形式，共同對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)（如圖5所示）。結(jié)合實(shí)際情況，計(jì)算錨桿有效承受巖層的重量與錨桿抗剪強(qiáng)度，通過合適的額間距與排距，進(jìn)行數(shù)值模擬分析，使巷道整體保持在一個(gè)安全施工范圍。

5 結(jié)語

錨桿支護(hù)安裝快速簡(jiǎn)單、施用靈活、占地面積小，是一項(xiàng)重要的煤礦巷道安全技術(shù)措施，能夠有效阻止巷道巖層滑移、下沉、坍塌等現(xiàn)象的發(fā)生，不僅起到安全防范的作用，而且對(duì)于快速施工、降低成本、增加效益同樣具有重要的意義。