巖巷錨桿主動支護體系研究

　　引言:經過“九五”攻關,我國煤礦巷道錨桿支護已基本形成系統并相對成熟,使用范圍也從巖巷擴大到巖巷、各類硐室、大跨度切眼等特殊地下工程,目前已成為煤炭企業建設高產高效礦井的支撐技術和自主推廣應用的主導支護技術,對煤炭企業產生了十分積極和深遠的影響。
　　一、高性能(預拉力)錨桿支護
　　巖巷樹脂錨桿是指對巖層及巖層起錨固作用、維護圍巖穩定的桿狀結構物及附件,其種類和結構繁雜多樣,但各礦井一般都將其作為簡單材料,分散加工,規模小質量不穩定,使用效果差,根本原因在于對錨桿加工要求和結構必須具備的基本性能不清楚。隨著這一技術的推廣應用和普及,客觀上要求提高錨桿整體性能及加工精度,特別是困難復雜條件下應用該項技術對錨桿的性能提出了更高的要求,把錨桿作為一種簡單的支護材料已不適應全面推廣這一新技術的要求,必須使錨桿加工系列化、規范化、標準化,只有高性能的成套錨桿才可能滿足地質條件復雜多變的需求。
　　二、小孔徑預應力錨索
　　小孔徑預應力錨索由預應力高強度鋼絞線、專用托盤、鎖具和錨固劑組成,其中鋼絞線內錨固段需安設毛刺和擋環,以滿足攪拌樹脂和錨固要求。
　　錨桿和錨索聯合支護解決了大量的巖巷支護技術難題,已作為經驗在現場推廣應用,并成為解決復雜條件的基本形式。但從使用效果看,尚存在一些問題:1、由于外端頭受力不良,實測鋼絞線破斷力一般在200kN左右,和20mm的20MnSi螺紋鋼錨桿170kN相近,強度區別不明顯。2、鋼絞線延伸率僅有3.5%,抗變形性能差,和錨桿承載不同步,易超前錨桿集中受力;過高的預拉力必將進一步加劇錨桿和錨索的不同步承載現象,導致各個擊破。3、與圍巖點接觸,軟弱巖體受點載荷時,頂板強化效果不明顯;其安全可靠性也值得探討:(1)錨索的破斷現象及原因分析,當高地壓區巷道采用錨桿和錨索聯合支護時,常常在掘進初期錨索鋼絞線就拉斷,而巷道整體變形仍較小,究其原因主要是錨桿和錨索剛度相差較大,不能同步承載,而錨索本身的破斷力不大,又沒有延伸性能,所以初期的劇烈變形壓力由錨索承擔;而部分錨索失效后巷道仍很穩定,圍巖后續變形小;(2)現場實踐表明,當錨索作用范圍超過5m以后,以目前的初張力水平對中間部分巖體的作用已非常小,因而難以從根本上控制頂板的離層,即采用錨桿、錨索組合支護技術也難以避免厚層破碎頂板條件離層破壞;破碎頂板已出現離層破壞時,錨索支護的強化作用很小,一般不能保證安全,有錨索連根垮落或沿鋼絞線周圍抽冒的現象;(3)內錨固端的三徑匹配不合理,錨固性能不可靠;(4)錨索一般按懸吊理論解釋和設計,但很多巷道頂板不穩定層很厚,10m范圍內找不到可以懸吊的穩定巖層,現有的施工及安裝工藝使其錨固深度受到限制;大量的實踐表明當內錨固端位于所謂的不穩定巖層,即采用短錨索仍可以起到較好的加固作用,因而錨索的支護機理需要進一步研究。
　　三、鋼絞線預應力桁架
　　頂板的離層破壞從根本上講是層狀頂板的不協調變形,在相同或相近的受力狀態下,下位巖體常常表現出更大的彎曲變形,即離層。控制離層或從根本上消除離層的最直接最有效手段是在高預拉力錨桿支護的基礎上,進一步強化低位巖體的力學性能,改善其受力狀態,美國開發的高預拉力鋼絞線桁架系統,將處于受壓狀態的巷道兩肩窩深部巖體作為錨固點和支護結構的基礎,通過高強度的預應力鋼絞線傳遞張拉力,直接作用于頂板淺部圍巖,它大大簡化了普通錨桿桁架所必須的復雜結構,并由專用機具實現初張力。該種支護形式可以在頂板未出現離層時強化頂板,減少變形;出現離層時,形成可靠的兜護效應,阻止巷道頂板冒漏,確保巷道的安全使用。
　　四、組合支護
　　兩種以上的主動式支護方式的聯合即組合支護,常見的是預拉力錨桿和預拉力錨索的組合支護,已有大量的工程實踐;高性能預拉力錨桿和鋼絞線預應力桁架的聯合支護國內剛開始試用,在高地應力厚層復合頂板條件下控制巷道變形和防止頂板離層方面已較錨桿錨索組合支護顯示巨大的優越性。組合支護的關鍵是同步承載和剛度匹配問題,應該指出的是錨索的使用是有誤區的,部分設計錨索初張力不低于100―120kN,使圍巖初期的變形壓力完全集在錨索鋼絞線上,不能和錨桿支護有機組合,起不到聯合支護的作用。按目前的技術水平,高性能錨桿預拉力僅不超過20―30kN,因而錨索和桁架的預拉力一般不應超過60―80kN,才能形成同步承載。
　　結束語:由以上分析可見,巖巷錨桿主動支護體系包括三種基本形式,他們的共同點是都具有預拉力,在施工安裝完成后即和圍巖產生一個顯著的相互作用力,這里錨桿是支護系統的主要構件和基礎,因此把它稱之為預拉力(錨桿)支護體系,這是真正意義上的主動支護體系,它解決的很多復雜的支護問題是其他錨桿支護技術所無法完成的。