煤礦巷道錨桿支護設計應用研究

摘?要：巷道支護是煤礦安全生產的重要保證，我國煤礦以井工開采為主，需要在井下開掘大量巷道，而且80%以上是煤巷、半煤巖巷，或為松軟破碎圍巖巷，或為遇水軟化膨脹圍巖巷。確保巷道的安全、快速掘進，確保巷道使用期間的暢通、與圍巖穩定，確保巷道的支護與維護成本較低等，是建設安全高效礦井的一項重要工作，具有重要意義。

關鍵詞：錨桿支護;頂板離層量;地應力

1?錨桿支護技術的主要特點

十分重視巷道圍巖地質力學參數的測試，對支護對象有比較清楚地了解。在錨桿支護設計前，要進行全面、詳細的地應力、圍巖強度和圍巖結構面力學特征的測量，分析巷道應力場分布特征，巷道圍巖變形破壞的主要影響因素。這是錨桿支護成功的必要前提。地質力學評估—初始支護設計—井下施工與監測—信息反饋與修改設計—日常監測”的設計方法。這種方法符合煤礦巷道地質條件復雜性與多變性的特點。錨桿支護監測儀器與技術保證了巷道安全。開發出頂板離層指示儀、聲波多點位移計、測力錨桿等監測錨桿支護巷道圍巖變形、離層、支護體受力的儀器，及時、準確地監測圍巖穩定性與支護狀況，確保巷道的安全。

2?錨桿支護理論

2.1最大水平應力理論

地應力測量結果表明，在很多情況下巖層中的水平應力大于垂直應力，而且水平應力具有明顯的方向性（構造應力）;最大水平主應力明顯高于最小水平主應力，這種趨勢在淺部礦井尤為明顯。水平應力對巷道圍巖的穩定性有較大的影響。

通過現場觀測與數值模擬分析，得出水平應力對巷道圍巖變形與穩定性的作用（見圖）。他認為，巷道頂底板變形與穩定性主要受水平應力的影響：當巷道軸線與最大水平主應力平行，巷道受水平應力的影響最小，有利于頂底板穩定;當巷道軸線與最大水平主應力垂直，巷道受水平應力的影響最大，頂底板穩定性最差;當兩者呈一定夾角時，巷道一側會出現水平應力集中，頂底板的變形與破壞會偏向巷道的一幫。

在最大水平應力作用下，頂底板巖層會發生剪切破壞，出現松動與錯動，導致巖層膨脹、變形。錨桿的作用是抑制巖層沿錨桿軸向的膨脹和垂直于軸向的剪切錯動，因此，要求錨桿強度大、剛度大、抗剪能力強。這也正是錨桿支護技術特別強調高強度、全長錨固的原因。

2.2?懸吊理論

錨桿支護的作用是將頂板下部不穩定的巖層懸吊在上部穩定的巖層上。是最早的錨桿支護理論，具有直觀、易懂及使用方便等特點。在頂板上部有穩定巖層，而其下部存在松散、破碎巖層的條件下（圖a），這種支護理論應用比較廣泛。在比較軟弱的圍巖中，巷道開掘后應力重新分布，出現松動破碎區，在其上部形成自然平衡拱，錨桿支護的作用是將下部松動破碎的巖層懸吊在自然平衡拱上 （圖b）。

3?錨桿支護設計

3.1理論計算法

理論計算法：基于某種錨桿支護理論，如懸吊理論、組合梁理論及加固拱理論，計算得出錨桿支護參數。由于各種支護理論都存在著一定的局限性和適用條件，而且很難比較準確、可靠地確定計算所需的一些參數。因此，依據理論計算所作的設計結果很多情況下只能作為參考。懸吊理論認為錨桿的作用是將下部不穩定的巖層懸吊在上部穩定的巖層中，阻止軟弱破碎巖層垮落。懸吊理論只考慮了錨桿的被動抗拉作用，根據不穩定巖層厚度計算錨桿長度，根據錨桿懸吊的不穩定巖層重量計算錨桿直徑和間排距。

①錨桿長度： 錨桿長度計算：L=L1+L2+L3

式中?L —錨桿長度，m;L1—錨桿外露長度，取決于錨桿類型與錨固方式，一般取0.15m;L2—錨桿有效長度，不小于不穩定巖層的厚度，m;L3—錨桿錨固長度，端部錨固一般取0.3～0.4m。

②錨桿錨固力與直徑：錨桿錨固力應不小于被懸吊不穩定巖層的重量： Q=KL2a1a2γ式中Q—錨桿錨固力，MN;K—安全系數，一般取1.5—2;a1，a2—錨桿間排距，m;γ—巖層平均重力密度，MN/m3。

如果錨桿錨固力與桿體的破斷力相等，則錨桿直徑為：

式中?d—錨桿直徑，m;σ1—桿體材料的抗拉強度，MPa。

3.2數值模擬計算法

數值模擬計算法：數值計算常用的方法有：有限元法，離散元法、邊界元法和有限差分法。 有限元法、有限差分法、邊界元法等數值方法是建立在連續性假設基礎上的。而煤巖體形態和結構呈強烈的非連續性，煤巖塊體的運動和受力為幾何或材料非線性，用連續介質力學進行求解是不適合的。離散元法充分考慮結構的不連續性，適用于解決節理化巖石力學問題。

4?離層量監測

4.1 巷道頂板離層量

巷道頂板離層量不僅受巷道圍巖力學性質的影響，而且在巷道受采動影響前后頂板離層臨界值的變化較大，說明巷道頂板離層量受采動影響較大。對于錨桿支護的巷道，巷道頂板的離層一般不易被人察覺，但其潛在的危害極大，且當離層量達到臨界值時，下部巖層就有冒落的危險。應用以上理論計算煤層巷道頂板離層臨界值，在初步建立錨桿支護巷道頂板離層臨界值計算的理論依據方面做了大膽嘗試，對預報和預防頂板事故，指導安全生產具有重大意義。

4.2 頂板失穩離層界限值

頂板離層界限是指錨桿支護巷道在正常使用的情況下所允許的頂板離層的范圍。超過這一范圍意味著頂板將處于非穩定狀態之中，應該更加密切注意頂板動態，及時采取相應的補強措施，否則頂板離層可能會進一步加劇，最終導致巷道的失穩破壞。

5?結論

通過離層量觀測數據顯示，3號基點與2基點離層量最大達到3mm，即直接頂和老頂離層量達到3mm。在允許的離層量范圍。說明支護質量良好。如果離層量大，則要加強支護，變更支護設計參數。

參考文獻：

[1]國家安監總局.煤與瓦斯突出防治規定.北京.2009.

[2]楊相海.井巷工程.徐州：中國礦業大學出版社，2009.

[3]譚云亮.礦山壓力與巖層控制.徐州：中國礦業大學出版社，2006.

作者簡介：

紀安，男，漢族，1989年11月出生，四川巴中人，云南能源職業技術學院講師，現主要從事礦山壓力觀測與控制等教學及科研工作。