錨桿錨固機理及深部復雜困難條件的巷道支護

摘 　要 　文章在研究巖體自身性質的基礎上 , 分析了巖體變形及破壞規律 , 得出錨桿錨固的機理 ; 并通過對深部及復雜困難條件巷道的分析研究 , 提出兩種有效的巷道支護體系。

　　巖體結構控制理論認為巖體的結構 ( 內在因素 )在巖體的變形破壞發展過程中起著決定性作用 ; 而作為外因的荷載 , 是通過內因起作用的。突破觀點認為工程巖體的變形破壞過程總是從一處或少數幾處開始突破 , 并通過應力場調整和巖體性質改變 , 或者逐步擴展導致破壞 , 或者轉入相對穩定。基于上述認識 , 在巷道支護體系中 , 應把圍巖視為支護體系的一部分或全部 , 使圍巖成為主要的承載體單元 , 在支護的設計和施工方法上盡量抑制圍巖強度的惡化 , 積極發揮圍巖本身的承載能力。

1 　錨桿錨固機理

　　錨桿錨固作用表現在巖體結構性質的改善和巖體內部應力狀態的改變兩個方面。錨桿錨入巖層可提高巖體的完整性 , 使劈裂、塊裂或板裂結構的巖體轉變為近似完整的巖體 ; 其錨固作用效果重在改善圍巖的受力狀態 , 通過對圍巖施加巷道徑向、橫向約束 , 將巷道開挖后圍巖的二向或單向受力狀態重新轉化為三向受力狀態 , 提高其自身強度和承載能力 ; 且錨桿群的共同作用使錨桿在其長度范圍內的巖 ( 煤 ) 體內部形成具有一定承載能力的內部支護結構 , 達到控制圍巖進一步變形的目的。

2 　深部復雜困難條件的巷道支護

　　在煤礦開采過程中 , 出現了大量復雜巷道 , 它們共同的特點是圍巖變形強烈、破壞范圍大 , 巷道往往需要多次維修與翻修 , 極易出現冒頂、片幫 , 巷道安全得不到保證。

2. 1 　預應力桁架錨桿支護

(1) 預應力桁架的概念 : 預應力桁架是將巷道兩肩窩深部巖體作為錨固點 , 專用張拉機具通過桁架連接器將高強度的預應力鋼絞線鎖緊 , 并傳遞張拉力 , 實現對頂板淺部圍巖的兜護和對頂板結構的加固 , 控制頂板的離層、防止頂板加固區整體垮冒。它由預應力高強度鋼絞線、桁架連接器、錨具組成。

(2) 預應力桁架的作用機理 : 當桁架支護的預應力達到一定程度時 , 能形成預應力承載結構 , 該結構能通過大變形實現對外層結構的適應性讓壓 , 并在大變形中保持整體穩定性 , 它具有連續傳遞應力的效應 , 從而使垂向應力集中程度減緩 , 兩幫煤體破壞減弱 , 消除或大大減緩頂板離層 , 并從根本上控制巷道圍巖的最終變形量 , 以達到最佳支護效果。這種支護方式充分發揮了各自的優勢 , 既控制變形又保證了安全。

(3) 預應力桁架的實用性。預應力桁架錨桿支護

　　形式有頂板桁架與幫部桁架兩種 , 可有效抵抗巷幫與頂板之間的相對錯動剪切力 , 有效控制幫部向巷內的位移 , 從而減少巷幫變形 , 使巷道滿足生產需要。預應力桁架支護對錨桿支護使用程度很有限及高性能錨桿組合支護技術也顯得無能為力的采空區下松軟煤層巷道 , 大傾角巷道高幫、沿空巷道、高應力巷道能起到很好的支護效果。

2. 2 　高預應力強力支護

2. 2. 1 　高預應力強力支護理論

　　合理的巷道支護為 : 大幅度提高支護系統的初期支護剛度與強度 , 保持圍巖的完整性 , 同時支護系統具有足夠的延伸率 , 允許巷道圍巖有較大的連續變形 , 使高應力得以釋放。預應力錨桿支護主要作用在于控制錨固區圍巖的離層、滑動、裂隙張開、新裂紋產生等擴容變形 , 使圍巖處于受壓狀態 , 抑制圍巖彎曲變形、拉伸與剪切破壞的出現 , 使圍巖成為承載的主體。在錨固區內形成剛度較大的預應力承載結構 , 阻止錨固區外巖層產生離層 ,同時改善圍巖深部的應力分布狀況。

　　錨桿預應力及其擴散對支護效果起著決定性作用。單根錨桿預應力的作用范圍很有限 , 必須通過托板、鋼帶和金屬網等構件將錨桿預應力擴散到離錨桿更遠的圍巖中。特別是對于巷道表面 , 即使施加很小的支護力 , 也會明顯抑制圍巖的變形與破壞 , 保持頂板的完整。錨桿托板、鋼帶與金屬網等護表構件在預應力支護系統中發揮極其重要的作用。

2. 2. 2 　高預應力強力支護系統

(1) 強力錨桿。

①錨桿桿體幾何形狀與尺寸 : 螺紋鋼錨桿桿體選用左旋無縱筋螺紋鋼桿體 ( 煤礦錨桿專用) ,根據復雜困難巷道條件 , 確定強力錨桿桿體公稱直徑一般為 22～ 25 mm, 長度為 2 ～ 3 m 。

②錨桿桿體材質 : BHRB500, BHRB600 型號鋼材的公稱直徑均為 22 ～ 25 mm, 屈服強度分別為 500 、 600

MPa, 抗拉強度分別為 670 、 800 MPa 、伸長率均為 18% ,用于生產的強力錨桿預應力級別可超過 100 kN 、真正實現了高預應力與高強度。

③錨桿附件 : 高效減摩墊圈置于螺母與托板之間 ,可減少螺母與托板之間的摩擦阻力和摩擦扭矩 , 最大限度地將錨桿安裝扭矩轉化為錨桿預緊力。

(2) 強力鋼帶。

　　與我國礦用 W 鋼帶標準 (MT/T861 - 2000) 相比 ,強力鋼帶有如下特點 : ①將鋼帶厚度由原來的 2. 5 ～

3. 0 mm 增加到 4. 0 ～ 5. 0 mm, 使鋼帶的拉斷載荷達到500 kN 以上 ; ②在不改變鋼帶幾何尺寸的情況下 , 選用強度更高的鋼材。

(3) 強力錨索。

　　錨索索體材料一般采用鋼絞線 , 強力錨索索體材料宜選用由煤炭科學研究總院開發的大直徑、高 t 位的強力錨索。它采用新型的 19 根鋼絲代替原來的 7根鋼絲 , 索體結構更加合理 , 而且增加了索體的柔性和延伸率 ; 同時該強力錨索使錨索索體直徑從Φ 15. 2 mm增加到Φ 18. 0 mm 、Φ 20. 0 mm 、Φ 22. 0 mm, 顯著地提高了索體的破斷力 , 并使索體直徑與鉆孔直徑的配合更加合理。

3 　結論

(1) 巷道錨桿支護應將錨桿與圍巖視為統一的整體 , 錨桿在改善巖體結構性質的同時改變了巖體內部應力狀態 , 充分發揮圍巖的自承能力 , 達到支護目的。

(2) 提出新型預應力桁架錨桿支護 , 用于頂板和幫部支護 , 解決了采空區下松軟煤層巷道、巖空巷道等

的支護難題。

(3) 分析了深部復雜困難巷道的特點 , 提出高預應力強力支護理論及其具體支護體系 , 解決深部復雜困難巷道支護難題。