煤礦礦井中巷道錨桿支護技術

1 錨桿支護原理
　　錨桿是一種安置于巷道圍巖體內(nèi)的桿狀錨栓體系。運用錨桿支護的巷道，實際就是在巷道掘進后向圍巖中打錨桿眼，隨后將錨桿安裝在錨桿孔內(nèi)，對巷道進行加固，起維護巷道穩(wěn)定性的作用。
　　我國錨桿支護技術經(jīng)歷了低強度錨桿―高強度錨桿―高預應力和強力錨桿支護的階段。
　?。?）錨桿支護的主要作用在于控制錨固區(qū)圍巖的分離層、滑動、裂紋張開、新裂隙產(chǎn)生等變形與破壞，盡可能使圍巖處于受壓狀態(tài)，以限制圍巖彎曲變形、拉伸與剪切破壞的出現(xiàn)，最大程度地維持錨固區(qū)圍巖的完整性，提高錨固區(qū)圍巖的整體強度與穩(wěn)定性。
　?。?）在錨固區(qū)形成剛度較大的次生承載結(jié)構(gòu)，阻止錨固區(qū)外巖層離層，改善圍巖深部的應力狀態(tài)。
　?。?）錨桿支護的剛度十分重要，其中錨桿預應力起著決定性作用。根據(jù)巷道圍巖條件確定合理的錨桿預應力是支護設計的關鍵。當然，較高的預應力要求錨桿擁有較高的強度。
　?。?）錨桿預應力的擴散對支護效果同樣重要。單根錨桿預應力的作用范圍很有限，必須通過托板、鋼帶（鋼筋梯子梁）和金屬網(wǎng)等構(gòu)件將預應力擴散到離錨桿更遠的圍巖中。鋼帶、金屬網(wǎng)等護表構(gòu)件在預應力支護系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。
　　（5）在復雜困難巷道中，采用高預應力、強力錨桿組合支護系統(tǒng)，同時要求支護系統(tǒng)有一定的延伸量。高預應力要求錨桿預應力達到桿體屈服強度的30%～50%；強力錨桿要求桿體有較大的破斷強度。
　?。?）錨索的作用主要有兩個方面：一是將錨桿形成的次生承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖相連，提高次生承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；二是錨索施加較大預緊力，擠壓和壓密巖層中的層理、節(jié)理裂隙等不連續(xù)面，增加不連續(xù)面之間的抗剪力，從而提高圍巖的整體強度。
　?。?）錨桿支護應盡量一次支護就能有效控制圍巖變形與破壞，避免二次支護和巷道維修。造成人力、物力、財力的二次使用，間接提高錨桿支護成本。
　　2 錨桿支護組成及作用
　　錨桿支護由錨桿桿體、托板、螺母、錨固劑、鋼帶及金屬網(wǎng)等構(gòu)件組成，錨桿支護的作用是由這些構(gòu)件共同完成的。
　　2.1 錨桿桿體的作用
　　對于錨桿桿體本身來說，由于桿體長度方向的尺寸遠大于其他兩個方向的尺寸，所以力學上屬于桿件。這種構(gòu)件主要可以提供兩方面的作用，首先是抗拉，其次是抗剪。至于桿體的抗彎能力和抗壓能力是微小的，可以忽略。
　　2.2 托板的作用
　　托板是錨桿的重要構(gòu)件，對錨桿支護作用的發(fā)揮影響很大。托板的作用可分為兩方面：通過給螺母施加一定的扭矩使托板壓緊巷道表面，給錨桿提供預緊力，并使預緊力擴散到錨桿周圍的煤巖體中，從而改善圍巖應力狀態(tài)，抑制圍巖離層、結(jié)構(gòu)面滑動和節(jié)理裂隙的張開，實現(xiàn)錨桿的主動、及時支護作用；圍巖變形使載荷作用于托板上，通過托板將載荷傳遞到錨桿桿體，增大錨桿的工作阻力，充分發(fā)揮錨桿控制圍巖變形的作用。
　　2.3 錨固劑的作用
　　錨固劑的主要作用是將鉆孔孔壁巖石與桿體黏結(jié)在一起，使錨桿發(fā)揮支護作用。同時錨固劑也具有一定的抗剪與抗拉能力，與錨桿一起加固圍巖。
　　2.4 鋼帶（鋼筋梯子梁）的作用
　?。?）錨桿預緊力和工作阻力擴散作用。
　　（2）支護巷道表面和改善圍巖應力狀態(tài)作用。
　　（3）均衡錨桿受力和提高整體支護作用。鋼帶將數(shù)
　　2.5 網(wǎng)的作用
　?。?）維護錨桿之間的圍巖，防止破碎巖塊垮落。
　?。?）緊貼巷道表面，提供一定的支護力，一定程度上改善巷道表面巖層受力狀況。
　?。?）網(wǎng)不僅能有效控制巷道淺部圍巖的變形與破壞，而且對深部圍巖也有良好的支護作用。
　　3 錨桿支護參數(shù)的確定方法
　　3.1 懸吊機制及圍巖條件
　　在層狀巖體中，錨桿將下部不穩(wěn)定巖層懸吊在上方穩(wěn)固的巖層上，錨桿承受的負荷為下部不穩(wěn)定巖層的重量。典型情況是頂板上部1～1.8m處有一厚層堅固巖石，下部是比較完整的層狀弱巖層。如沒有上述堅固巖層，也可使用免壓拱高或者破碎帶高度以外的非破碎穩(wěn)定帶概念替代。
　　3.2 組合梁機制及圍巖條件
　　組合梁理論認為，在層狀巖層中，錨桿的作用是提供軸向和切向約束，阻止巖層產(chǎn)生離層和相對滑動，將若干薄巖層錨固成一個較厚的巖層，形成組合梁。與不錨固巖梁相比，組合梁的最大彎曲應變和應力都將大大減少，從而提高巷道頂板的穩(wěn)定性。通過計算組合梁所必需的承載能力確定錨桿支護參數(shù)。
　　在沒有堅硬厚層的薄裝巖層中，通過錨桿的預拉應力，視為疊合梁的各薄層擠緊，提高自稱能力。桿狀體系受巖層錯動趨勢所產(chǎn)生的剪應力。
　　3.3 三鉸拱機制及圍巖條件
　　在被裂隙切割的塊狀圍巖中，錨桿將危石懸吊，形成類似三鉸拱的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，不但是巖石不會掉落，而且能承受在和的整體結(jié)構(gòu)。
　　3.4 組合拱機制及圍巖條件
　　運用點錨固形式的錨桿預拉應力可以形成一錨桿兩端為頂點的壓縮區(qū)。如把錨桿用適當?shù)拈g距沿著拱形斷面系統(tǒng)安裝，可在巷道周邊形成連續(xù)的均勻壓縮帶作為承載結(jié)構(gòu)，同時將應力向兩側(cè)深部圍巖傳遞。
　　4 錨桿支護設計方法
　　4.1 懸吊理論分析設計法
　　4.2 自然平衡拱理論分析設計法
　　自然平衡拱理論認為，巷道開掘后，圍巖失去了層間聯(lián)系。在上覆巖層壓力作用下，淺部圍巖發(fā)生破壞，而在深部一定范圍內(nèi)形成自然平衡拱。
　　4.3 組合梁理論分析設計方法
　　4.4 加固拱理論分析設計方法
　　加固拱理論認為，在錨桿錨固力作用下，每根錨桿周圍形成一個兩頭帶圓錐的筒狀壓縮區(qū)，各錨桿所形成的壓縮區(qū)彼此聯(lián)成一個一定厚度的加固拱（或均勻壓縮帶）。該拱（帶）具有較大的承載能力和一定的可縮性，能夠起到有效支護巷道的作用。
　　4.5 錨桿支護動態(tài)信息設計法
　　動態(tài)信息法具有兩大特點：其一，設計不是一次完成的，而是一個動態(tài)過程；其二，設計充分利用每個過程中提供的信息，實時進行信息收集、信息分析與信息反饋。
　　動態(tài)信息設計方法包括5部分：巷道圍巖地質(zhì)力學評估、初始設計、井下監(jiān)測、信息反饋與修正設計。
　　5 錨桿支護的施工和檢驗
　　錨桿支護施工主要工序為，鉆孔與安裝錨桿。打孔時，孔位、孔深、角度必須符合設計要求。鉆孔完成后進行錨桿的安裝工作。
　　檢驗需滿足以下條件：孔深度要與錨桿的長度配合適當；孔的直徑與錨桿直徑配合得當；安裝托板要盡量將巖面找平；螺帽要使用扳手擰緊，使得桿體產(chǎn)生較大的預應力；錨桿質(zhì)量檢查。
　　綜上所述，煤礦礦井支護有架棚、料石砌碹、錨桿等一系列的支護形式，架棚、料石砌碹等支護是被動支護，成本高、進度慢、消耗大、支護效果不好等因素，逐漸淘汰。錨桿支護實現(xiàn)安全、快速、經(jīng)濟等優(yōu)點。在礦井支護中占據(jù)主導地位。