王 曉

（長治市煤礦工程質(zhì)量監(jiān)督站， 山西 長治 046000）

引言

隨著礦物質(zhì)的開采，巷道越挖越深，對于巷道的快速防護措施關(guān)注點也越來越高?？焖?、安全、可靠的煤礦開采支護技術(shù)為技術(shù)工人提供有力的安全保障。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國國有煤礦每年新掘進的巷道總長達12 000 km，80%以上是煤巷與半煤巖巷，巷道工程規(guī)模巨大，對煤礦安全、產(chǎn)量與效益有顯著的影響，因此，巷道快速支護理論與技術(shù)一直是煤礦巖層控制的核心研究內(nèi)容之一[1]。

1 錨桿支護技術(shù)的發(fā)展

1911年，美國阿伯施萊辛的弗里登斯煤礦在巷道中首先使用了巖石錨桿支護技術(shù)。

1934年，阿爾及利亞的舍爾法大壩的加高工程采用預應力錨桿支護技術(shù)進行加固，并取得成功，對錨桿的預應力達到10 000 kN級，這是世界上首次采用預應力技術(shù)加固錨桿。此后預應力錨桿支護技術(shù)被廣泛的應用于煤礦工程、水利工程、建筑工程等領域。

我國煤礦于1956年在圍巖比較穩(wěn)定的巖巷中最先開始采用錨桿支護，當時主要采用楔縫式、倒楔式等機械錨固錨桿和鋼絲繩砂漿錨桿[2]。隨著我國逐步重視錨桿支護技術(shù)，并被列為國家重點研究項目，直至20世紀，錨桿支護技術(shù)已在我國煤礦產(chǎn)業(yè)中得到廣泛應用。

錨桿支護施工快速簡單，因此，錨桿技術(shù)的研究也實現(xiàn)了多個理論支持。對于不同施工環(huán)境條件采用不同的理論方法進行分析，保證施工環(huán)境的安全。

2 錨桿支護技術(shù)理論

錨桿是當代煤礦巷道中重要的支護技術(shù)，利用錨桿快速加強圍巖穩(wěn)定性、安全性，使圍巖自身支護自身。發(fā)展到今天，錨桿支護技術(shù)也形成了多個理論支持。

2.1 懸吊理論

懸吊理論是由Louis.A.Panek于20世紀60年代發(fā)表，錨桿支護的懸吊理論認為通過錨桿使煤礦巷道頂層巖壁固定在一個穩(wěn)定狀態(tài)，防止頂層巖層變形、下層及坍塌（如圖1所示）。

圖1 錨桿的懸吊作用示意圖

2.2 組合梁理論

錨桿支護組合梁理論也是最早的研究理論之一。組合梁理論被認為是把各個相對較薄的巖層通過錨桿連接組合到一起，形成一根梁結(jié)構(gòu)，來增加巷道巖層的安全性和穩(wěn)定性（如圖2所示），防止各個巖層之間的滑動，出現(xiàn)分離現(xiàn)象，并增大巖層所能承受的剪切力。

圖2 錨桿的組合梁作用示意圖

2.3 組合拱理論

組合拱理論認為：在拱形巷道圍巖的破裂區(qū)中安裝預應力錨桿時，在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應力，如果巷道周邊布置錨桿群，只要錨桿間距足夠小，各個錨桿形成的壓應力圓錐體將相互交錯，就能在巖體中形成一個均勻的壓縮，帶即承壓拱，這個承壓拱可以承受其上部破碎巖石施加的徑向荷載[3]（如下頁圖3所示）。

2.4 水平應力理論

水平應力理論認為巷道巖層的水平應力比垂直應力大，最大水平應力是最小水平應力的1.5～2.5倍，且水平應力具有方向性，水平應力影響巷道頂板的穩(wěn)定性，且易使巷道巖層發(fā)生滑移、下沉、坍塌等現(xiàn)象。

圖3 錨桿的組合拱作用示意圖

2.5 圍巖強度強化理論

應用錨桿技術(shù)后，使圍巖整體結(jié)構(gòu)加強，安全系數(shù)增加，圍巖應力結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。技術(shù)理論強調(diào)了錨桿技術(shù)在巷道巖層支護中所起到的作用，表達了錨桿支護的作用機理。

2.6 松動圈理論

松動圈理論是由董方庭等提出的一種針對巖層防護理論[2]。松動圈支護理論是基于煤礦巷道圍巖松動圈，支護對象為松動圈圍巖的一種理論，通過聲測方法確定巷道圍巖的破裂帶，并以此為根據(jù)，以圍巖松動圈尺寸為指標的圍巖防護理論。

3 錨桿支護的設計及應用

錨桿的應用關(guān)系到施工過程的安全，所以在設計錨桿時，應嚴格遵守《煤礦安全規(guī)程》、《煤炭行業(yè)標準》等國家標準和行業(yè)標準。錨桿的支護設計包括選型、確定錨桿支護的形式、計算錨桿的設計參數(shù)及驗證結(jié)果。

3.1 錨桿類型及支護形式

錨桿劃分形式多種多樣，根據(jù)受力形式、施用對象、錨桿結(jié)構(gòu)、錨固方式等劃分，目前國內(nèi)外常用的劃分方式為錨固方式及錨固長度劃分。按照錨固長度劃分，可分集中錨固和全長錨固兩大種類。由于煤礦工程地理環(huán)境的復雜性，使得施工現(xiàn)場測量難度系數(shù)變大，因此，要考察巷道巖層情況，估算所需錨固力大小，錨桿服務年限，針對不同施工環(huán)境，應用不同種類的錨桿。

錨桿支護形式有多種，錨噴、錨網(wǎng)噴等應用于服務年限較長的巷道，錨帶、錨網(wǎng)、錨梁等支護形式應用于服務年限較短的圍巖巷道。根據(jù)考察得到巷道情況、服務年限、所需錨固力大小選擇合適的錨桿支護形式。

3.2 錨桿參數(shù)設計

沿著煤礦巷道挖掘，一般巷道頂部為碎巖層，易下沉、掉落、坍塌。所以對于錨桿的設計計算應考慮實際工程情況來選擇相適應的技術(shù)理論，以便在快速施工的同時保證現(xiàn)場施工的安全。

首先根據(jù)巷道巖層情況，選取合適的設計理論，計算錨固力，確定錨桿各個尺寸參數(shù)，錨桿間距、排距。其次根據(jù)現(xiàn)場施工實際情況，加入適當加固理論、預應力理論等計算錨桿參數(shù)。最后利用數(shù)值模擬軟件ANSYS、UDEC、FLAC3D等軟件模擬實際情況，驗證設計結(jié)果。錨桿設計過程如圖4所示。

圖4 錨桿參數(shù)設計過程

3.3 錨桿的施工流程

按照錨桿參數(shù)設計結(jié)果選型，根據(jù)受力形式、施用對象選取錨桿結(jié)構(gòu)和錨固方式。按照錨桿的施工流程進行工程的快速施工，其流程為：放線定位→鉆孔→安放錨桿及防腐處理→清孔、注漿→張拉鎖定→腰梁或冠梁施工

1）根據(jù)設計要求定位，選擇合適的工具及鉆孔方式進行鉆孔。鉆孔時應滿足安裝和施工的要求。

2）選擇合適尺寸的錨桿進行安裝，安裝時防止桿體扭曲、彎折及各零部件松脫。并采取在錨桿表面涂潤滑油、防腐漆、水泥漿等防腐措施。

3）采用合適比例的灌漿料，清潔安裝孔，把配好的灌漿料注入安裝孔中。

4）安裝錨桿時，考慮錨桿的張拉順序，按照技術(shù)要求采用錨具鎖定，如果發(fā)現(xiàn)有預應力損失，及時進行補償張拉。

4 錨桿支護在快速掘進技術(shù)中的應用實例分析

圖5 錨桿支護示意圖

某礦巷道地質(zhì)情況為巷道高度為2.8 m，頂部巖層厚度為1.5 m，頂部煤厚度約為2.5 m。

因此巷道頂部厚度約為4.0 m，考慮到支護層較厚，應選取全長錨桿進行支護防護。巷道頂層地質(zhì)較軟，在進行錨桿支護時，防止巖層較軟坍塌，考慮與錨索相結(jié)合的形式進行支護。錨索形成外拱，錨桿形成內(nèi)拱，錨索加錨桿相結(jié)合成組合拱的形式，共同對巷道進行支護（如圖5所示）。結(jié)合實際情況，計算錨桿有效承受巖層的重量與錨桿抗剪強度，通過合適的額間距與排距，進行數(shù)值模擬分析，使巷道整體保持在一個安全施工范圍。

5 結(jié)語

錨桿支護安裝快速簡單、施用靈活、占地面積小，是一項重要的煤礦巷道安全技術(shù)措施，能夠有效阻止巷道巖層滑移、下沉、坍塌等現(xiàn)象的發(fā)生，不僅起到安全防范的作用，而且對于快速施工、降低成本、增加效益同樣具有重要的意義。