恒阻大變形錨索支護機理及關鍵技術

王小剛

摘 要：隨著采礦理論的不斷發展，巖石力學機理逐漸完善與成熟。在礦山開采中，一些地下巷道支護會產生較大的變形。當錨桿承受的負荷達到極限時，人們可以設置特殊連接裝置，有效控制錨桿長度，在允許巖層輕度移動的情況下，使巷道達到新的平衡狀態。本文闡述了恒阻大變形錨索支護機理和關鍵技術，旨在促進煤炭資源的安全可持續開采。

關鍵詞：支護機理;厚煤層軟巖;恒阻大變形錨索

Abstract： With the continuous development of mining theory， the mechanism of rock mechanics has gradually improved and matured. In mining， some underground tunnel support will produce large deformation. When the load on the anchor rod reaches the limit， people can set up special connecting devices to effectively control the length of the anchor rod and allow the tunnel to reach a new equilibrium state while allowing the rock layer to move slightly. This article describes the mechanism and key technologies of anchor resistance and large deformation anchor cable support， aiming to promote the safe and sustainable mining of coal resources.

Keywords： supporting mechanism;thick coal seam soft rock;constant resistance large deformation anchor cable

近年來，國內外礦山煤巷廣泛采用錨桿支護。由于回采巷道的大變形和支護類別較多，因此錨桿形式不斷發生變革，從單一的整體摩擦型、高剛度、高強度的錨桿向適用于煤礦回采巷圍巖大變形的可伸縮錨桿發展。

隨著礦山技術不斷發展，開采力度不斷加強，井下深度不斷加大，巷道中的巖層受到不同力度沖擊而產生較大變形[1]。當圍巖出現大變形時，由于延伸率低，傳統錨索難以滿足現代礦山對支護圍巖的要求。為適應巖層大變形，人們要提高錨索的延伸率和錨桿的負載范圍，這是巷道圍巖大變形支護的關鍵。而恒阻大變形錨桿（索）可以增加傳統錨索的延伸率和錨桿承受能力，其已在地下巷道和硐室圍巖支護等巖土工程中得到廣泛的應用[2]。

1 恒阻大變形錨索支護機理

巷道開挖會破壞巖體的穩定性，原因有二。一是施工造成圍巖松弛，對地質構造帶來較大影響，降低了圍巖的穩定性;二是應力重新調整，超過巖體的載荷量。因此，根據井巷工程作業條件，在圍巖破壞前安裝恒阻大變形錨桿（索），恒阻大變形錨桿（索）支護原理如圖1所示。根據恒阻大變形錨桿（索）支護工作原理可知，在新型錨索安裝前，可在適當的部位設計鉆孔，然后將新型錨索放入孔內，鉆孔與恒阻器之間用樹脂錨固劑或水泥砂漿來封孔固定。恒阻功能是利用預先設計好的恒阻體與恒阻套管之間的摩擦力來實現的。

與傳統錨索相比，恒阻大變形錨索具有“讓中有抗，抗中有讓，防斷恒阻”的特性，能夠控制深部開采時巷道圍巖出現的非線性大變形，同時保持恒定工作阻力[3]。其中，恒阻器（見圖2）是恒阻大變形錨桿（索）的核心部件。將恒阻器加裝在傳統錨索上，在圍巖產生大變形時，它能夠通過自身結構變形吸收巖體變形能，釋放圍巖產生的能量，重新達到三向平衡狀態。

根據恒阻大變形錨索與圍巖作用機理，可以將恒阻大變形錨索作用分為兩個階段。第一階段是圍巖變形中吸收變形能。地下工程破壞初期，巷道圍巖容易出現大變形，使得作用在鋼絞線上的拉力逐漸增大，恒阻套管內恒阻體會發生相應滑移，吸收圍巖變形能，也就是說，在圍巖出現大變形的同時，恒阻大變形錨桿（索）的鋼絞線也發生徑向拉伸，這樣能夠適應圍巖的變形并吸收變形能。第二階段是圍巖變形后巷道保持穩定。當巷道圍巖發生變形后，釋放的變形能小于恒阻器的設定恒阻力，鋼絞線本身的彈性變形和恒阻器結構的變形吸收了圍巖變形釋放的能量，鋼絞線的拉力值逐漸降低，恒阻套管內恒阻體不再滑移，錨桿與圍巖重新達到三項受力平衡狀態。

綜上所述，恒阻大變形錨桿（索）支護期間，一旦圍巖發生形變，錨索內的鋼絞線也對應地出現拉伸變形，吸收圍巖變形所釋放的變形能。同時，恒阻大變形錨桿（索）拉伸后，恒阻套管內恒阻體的作用使圍巖重新達到穩定狀態，實現了巷道圍巖的穩定，消除了安全隱患。

2 恒阻大變形錨索關鍵支護技術

隨著礦井開采技術的不斷提高，當工作面采用切頂卸壓無煤柱開采技術后，下一個工作面會承受預裂爆破、工作面推進和鄰近工作面開采的三個應力對圍巖所帶來的影響。傳統的錨索支護延伸率低，也不能承受三次圍巖變形的影響，尤其是隨著現代煤礦工作面開采深度的加大，圍巖受到的應力不斷增加，變形程度不斷擴大，傳統錨索支護已經無法達到工程要求。

新型錨索關鍵支護技術應用了耦合支護理論[4]，性能優越。設計的耦合支護與圍巖共同作用時要做到荷載均勻化和支護一體化，使圍巖的膨脹能和其他非線性能量充分釋放，充分保護圍巖不被破壞，避免巷道失穩。因此，設計的耦合支護必須具有足夠的剛度，能及時限制圍巖大變形造成的變形損傷，又具有一定的柔度來適應圍巖大變形。

3 結論

近年來，隨著礦井開采深度的不斷加大和開采技術水平的不斷提高，巷道支護變得愈發重要。本文分析了新型錨索恒阻大變形錨索的支護機理和地下工程圍巖大變形條件。當井下巷道圍巖發生大變形而釋放能量時，該新型錨索不僅能夠承受圍巖的大變形，還能夠吸收圍巖釋放的膨脹能和其他非線性能量，使巷道達到新的平衡，因此其值得廣泛推廣和應用。

參考文獻：

[1]張輝.超千米深井高應力巷道底鼓機理及錨固技術研究[D].北京：中國礦業大學，2013.

[2]孫曉明，楊軍.深部回采巷道錨網索耦合支護時空作用規律研究[J].巖石力學與工程學報，2007（5）：895-897.

[3]何滿潮，張國鋒.白皎礦保護層沿空切頂成巷無煤柱開采技術研究[J].采礦與安全學報，2011（4）：511-513.

[4]何滿潮.軟巖工程力學的理論與實踐[C]//中國煤礦軟巖巷道支護理論與實踐.1996.