深井高預緊力錨桿支護技術研究

一、錨桿支護理論
　　錨巖支護體理論認為錨桿能加固巷道的圍巖，形成一個組合體，即錨巖支護體，它不但具有自承能力，而且能承受因巷道開挖或采動影響而產生的礦山壓力。理論和實踐證明，提高錨桿的預緊力有利于巷道錨巖支護體的形成，并提高其強度，以產生較大的承載能力。如圖1所示，錨巖支護體中，每一根錨桿的粘著段和托盤之間都形成一個雙錐形的應力區。這個錐體的開角與巖層的摩擦角有關，也和穿過的裂隙層理有關。在錨巖支護體中，由錨桿所造成的應力沿粘著段和沿托盤的邊緣最大，在錐體的底部應力的強度最小。因此只有使錨桿所形成的雙錐體彼此相切，同時還必須對錨桿施加較高的預緊力，才能進一步提高錨巖支護體的承載能力，也就是說，錨桿支護區的厚度及錨桿的預拉力對錨巖支護體的承載能力具有決定性的影響。
　　二、高預緊力錨桿支護技術
　　錨桿可改善錨固體力學參數，提高錨固體的強度，使巖體強度特別是峰后強度和殘余強度得到強化，形成共同承載結構，充分發揮圍巖自承能力，錨固體強度隨錨桿支護強度σt 的提高而得到強化，達到一定程度就可保持圍巖穩定。
　　現有的錨桿、錨索支護系統在淺部能適用，用到深部就不能有效控制圍巖變形，甚至失效，必須要求新的技術和突破。
　　①發展錨桿支護技術的要點是足夠的錨桿支護強度和初錨力，適當加大錨桿長度，及時錨固，特別應加強幫、角的控制。
　　支護強度：改善材質。發展合格的高強、超高強錨桿；加大錨桿直徑。
　　初錨力：在現有風動條件下，改善結構，完善施工工藝，實現15～20 kN。
　　錨桿長度：加長后控制大塑性區和破碎區。
　　及時錨固：除注意頂板外，還應注意兩幫。
　　②發展高（超高）強度錨桿的理論依據
　　三、巷道圍巖支護技術的發展
　　目前，學者們更多地認識到在深部大流變圍巖巷道支護中，支護結構與圍巖共同承載的匹配與偶合作用的重要性。錨桿、錨索及剛性金屬支架等支護材料與巷道圍巖相比，從材料剛度、強度、變形特性、結構特性等方面都存在明顯差異，因此要實現支護材料與圍巖在剛度匹配、強度匹配、變形匹配、結構匹配并非容易，因此在深井高地應力煤巷的支護中，如果出現剛度、強度、結構變形中某一方面的不匹配與不偶合，就不可避免會出現支護結構的強度失穩、變形失穩和結構失穩等。同時軟巖巷道的流變時效性對支護結構提出了時間過程匹配的要求。
　　經過長期不懈的努力，我們對于難維護圍巖巷道的支護問題形成了一套綜合支護體系，概括為“綜合治理、聯合支護、長期監控、因地制宜”的指導方針。
　　三、深井高地應力煤巷支護的改進措施
　　1、巷道斷面形狀采用圓弧形放頂掘進
　　在頂板無支護狀態下，冒落后為自然平衡拱形，因此拱形巷道受力較均勻，承壓能力最強。圓弧形斷面是將煤層以上頂板最易冒落或彎曲下沉部分巖石人為放掉，使巷道具有較好的承壓效果。
　　上順槽：開采時需要巷道下幫為煤體，因此巷道斷面設計為切圓拱形斷面，下幫及上幫為全煤，頂板中部放頂500mm左右。
　　下順槽：開采時需要巷道上幫為煤體，下幫無要求，因此巷道斷面設計為兩肩等高的圓弧拱形斷面，下幫為全巖或底部留有小部分煤層，上幫為全煤。
　　此種支護下幫為巖石，增加了圍巖的自承能力，降低了煤幫支護時帶來的大量變形。
　　同時采用圓弧形頂后，錨桿與圍巖盡可能垂直，減小了錨桿所受彎剪應力，降低了錨桿的拉斷現象。
　　2、采用高預應力錨桿
　　（1）高預應力錨桿支護要求
　　隨著開采深度的增加，地應力的增大，圍巖松動圈也隨之增加，巷道支護所使用的錨桿規格也要加長并向預應力高強錨桿發展。錨桿的錨固作用主要是改善圍巖受力狀態，將其由二向應力狀態轉化為三向應力狀態，約束剪脹變形，提高其自身強度，從而起到加固圍巖提高其自承能力，所以嚴格地講錨桿支護是一種圍巖加固手段。因此只有在圍巖裸露后就及時安裝錨桿并施加足夠大的預拉力，才能有效約束圍巖的剪脹變形，避免其強度的迅速衰減，提高錨桿圍巖支護體系的整體承載能力。
　　（2）支護參數確定的原則
　　①高可靠性和安全性，盡可能在巷道服務期間減少維修次數或只進行局部維修；
　　②支護參數和支護材料規格具有較好的適應性和施工可行性。由于井下巷道圍巖條件變化很大，從支護合理性考慮，可能出現多種支護參數和支護材料規格，但這將不利于巷道施工和管理。所以，盡可能采用統一的支護材料和材料規格。
　　③在滿足前兩項原則的前提下，做到經濟合理。
　　（3）支護方案
　　錨桿支護初始設計采用有限差分數值計算程序FLAC3.3，進行多方案比較，最后得出合理的錨桿支護初始設計。巷道采用樹脂加長錨固高預緊力錨桿錨索組合支護系統。
　　錨桿形式和規格：桿體選用25#左旋無縱筋錨桿，長度2.4m，桿尾細螺紋為M27，采用滾壓加工工藝成型。極限破斷力400KN，屈服極限294KN，延伸率17%。采用氣扳機緊固螺母，擰緊力矩可達到800N.M。
　　錨固方式：樹脂加長錨固，采用兩支錨固劑，一支為K2835，另一支為Z2860，鉆孔直徑32mm，錨固長度1440mm。
　　鋼帶規格：采用W鋼帶護頂幫，鋼帶規格：厚度5mm，寬280mm，長度3.8m、3.5m和1.8m。
　　錨桿配件：采用高強錨桿螺母M27×3，配合高強托盤調心球墊和尼龍墊圈，托盤采用拱型高強度托盤，承載能力不小于40噸。
　　網片規格：采用金屬經緯網護頂護幫，網片規格分別為4.5×0.9m、3.6×0.9m和1.9×0.9m，網孔為50×50mm，材料為10#鐵絲。
　　錨桿布置：錨桿排距0.8m，每排12根錨桿，頂板錨桿間距900mm，上幫錨桿間距1100mm，下幫錨桿間距為800mm。
　　（4）高預緊力錨桿支護特點
　　①高預緊力錨桿預緊力大，加大了錨桿對圍巖的主動約束力，從而控制圍巖的變形，與預緊力低的全螺紋鋼錨桿相比，可降低支護密度；②高預緊力錨桿不易松動，受放炮震動影響比其他類型的錨桿小，如全螺紋鋼錨桿距迎頭10m范圍內松動較為嚴重；③高預緊力錨桿桿體采用左懸螺紋，而全螺紋鋼錨桿為右懸螺紋，目前安裝緊固螺母的工具為右懸，采用左懸螺紋右懸安裝方式有利于錨固劑的攪拌，能夠提高錨固段的密實度，錨固效果好；④高預緊力錨桿使用機械安裝，安裝可靠性高，避免了人工操作的隨意性，保證了安裝質量，而全螺紋鋼錨桿使用扳手人工緊固，隨意性強，難以保證足夠的預緊力。