淺析煤礦開挖巷道錨桿支護(hù)參數(shù)的合理選擇

引言
　　近幾年來，錨桿支護(hù)已是煤礦巷道主要的支護(hù)方式。要保障錨桿支護(hù)的安全和經(jīng)濟(jì)性，在選擇錨桿支護(hù)時(shí)，關(guān)鍵問題就是如何正確的選擇錨桿支護(hù)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)既經(jīng)濟(jì)合理，又能較好的達(dá)到支護(hù)效果的目的。在此，引入圍巖松動(dòng)圈和錨桿支護(hù)機(jī)理為基礎(chǔ)理論，論述錨桿支護(hù)的參數(shù)選擇問題。
　　2 圍巖松動(dòng)圈理論和錨桿支護(hù)機(jī)理
　　1）圍巖松動(dòng)圈理論。對(duì)于地下巖體來說，在開挖之前是處于原始應(yīng)力平衡的狀態(tài)，當(dāng)開挖后這種平衡狀態(tài)遭到破壞，由原來的單向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)殡p向應(yīng)力狀態(tài)，并在巷道周圍產(chǎn)生了應(yīng)力集中。而巷道的周邊變?yōu)閱蜗驊?yīng)力狀態(tài)，此時(shí)徑向應(yīng)力σr下降為零，切向應(yīng)力σt則集中。當(dāng)圍巖集中應(yīng)力σt小于巖體強(qiáng)度時(shí)，圍巖處于彈性變形狀態(tài)；當(dāng)圍巖集中應(yīng)力σt大于巖體強(qiáng)度時(shí)，則圍巖就會(huì)產(chǎn)生破裂松動(dòng)，并由巷道周邊開始向深部發(fā)展，這種破裂松動(dòng)深入圍巖深部的距離則稱為圍巖松動(dòng)區(qū)的厚度，這個(gè)破裂區(qū)也就常稱為圍巖松動(dòng)圈。
　　2）錨桿支護(hù)機(jī)理。對(duì)于這類的開挖巖體，在現(xiàn)有的支護(hù)條件下，若試圖采用支護(hù)手段來阻止圍巖的松動(dòng)破壞則是不可能的，而支護(hù)的作用只是限制圍巖松動(dòng)圈形成過程中破碎力所造成的有害變形。所以，采用錨桿支護(hù)，若要達(dá)到較好的支護(hù)效果，那么其錨桿的布置和參數(shù)就必須考慮松動(dòng)圈內(nèi)巖體的變形及破壞情況。錨桿支護(hù)的主要作用，也就是通過巷道周邊的數(shù)根錨桿，使巖體互相擠壓，從而形成一個(gè)接近原巖強(qiáng)度的組合承載結(jié)構(gòu)，既錨固圍巖的表層，防止冒落，又能利用巖體本身強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的支護(hù)效果。顯然，錨桿支護(hù)參數(shù)的選擇，必須適應(yīng)圍巖松動(dòng)圈巖體的特性。確定松動(dòng)圈的性質(zhì)，才能以此為依據(jù)，正確、合理選擇錨桿支護(hù)的基本參數(shù)。
　　3 圍巖松動(dòng)圈的分類與測(cè)定
　　根據(jù)上述圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論的分析可知，各個(gè)煤礦可根據(jù)具體實(shí)測(cè)資料來進(jìn)行圍巖的詳細(xì)分類。通常情況下，將圍巖分成三類，即穩(wěn)定圍巖（松動(dòng)圈LP ≤40cm）、中等穩(wěn)定圍巖（40cm150cm）。
　　在被開挖巷道中，圍巖松動(dòng)圈是由圍巖應(yīng)力和圍巖強(qiáng)度所決定的，由于各個(gè)煤礦的地質(zhì)條件不同，而圍巖松動(dòng)圈的參數(shù)也不盡相同。因此，確定圍巖松動(dòng)圈的最好辦法就是通過現(xiàn)場(chǎng)來實(shí)測(cè)?？刹捎脟鷰r裂隙探測(cè)儀，并根據(jù)聲波波速和振幅，做出巷道圍巖巖體聲速振幅變化曲線，這就可以很容易地確定松動(dòng)圈的范圍。對(duì)于采準(zhǔn)巷道來說，其測(cè)站可以間隔50m以上設(shè)置，而每個(gè)測(cè)站要設(shè)幾條測(cè)線，每個(gè)測(cè)線布置6～8個(gè)測(cè)孔。頂板測(cè)孔要垂直頂板的層理方向，其它測(cè)孔可以沿煤層傾斜方向來布置。測(cè)孔長(zhǎng)度按煤層柱狀圖來確定，一般為2～3m。鉆孔鉆好后要用水將孔沖洗干凈，并將探頭插入鉆孔內(nèi)，并注水封閉后即可進(jìn)行測(cè)試。其測(cè)試的實(shí)例布置，見圖1、圖2所示。
　　4 錨桿支護(hù)參數(shù)的合理選擇
　　根據(jù)三種圍巖的穩(wěn)定類型和性質(zhì)，分別可對(duì)不同情況下的錨桿參數(shù)選擇與確定。
　　4.1 穩(wěn)定圍巖條件下的錨桿參數(shù)選擇
　　由于松動(dòng)圈圍巖的自重有限，而錨桿將不起大的作用，所以，對(duì)于整體性較好、耐風(fēng)化的圍巖，可進(jìn)行不支護(hù)，必要時(shí)可用單一的噴射混凝土來支護(hù)。如此處理，工程實(shí)踐表明，其混凝土的最大厚度可以不超過20cm為宜。
　　4.2 中等穩(wěn)定圍巖條件下的錨桿參數(shù)選擇
　　根據(jù)理論分析和實(shí)踐表明，在中等穩(wěn)定圍巖條件下，圍巖碎脹變形也比較明顯，而圍巖的收斂變形將使巷道巖體表層產(chǎn)生裂縫或破壞，所以必須用錨桿來控制其變形。錨桿錨固端為松動(dòng)圈以外的巖體時(shí)，錨固端則位于塑性區(qū)，因此可采用懸吊理論來確定其錨桿的參數(shù)。這時(shí)，錨桿起到拉伸、擠壓、加固的作用，從而使松動(dòng)圈內(nèi)巖體保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)。
　　1）錨桿的長(zhǎng)度確定方法。根據(jù)如下公式進(jìn)行：
　　L = LP+ L1+ L2
　　式中：L―――錨桿長(zhǎng)度，m；
　　LP ―――圍巖松動(dòng)圈厚度，m；
　　L1―――錨桿錨入松動(dòng)圈以外穩(wěn)定圍巖的深度，這里可取值0.2～0.3m；
　　L2―――錨桿在巷道中外露長(zhǎng)度，m。
　　2）錨桿間排距的確定。當(dāng)選取錨桿間排距相等時(shí)，則錨桿錨固力應(yīng)滿足以下條件：
　　Qmin≥LP?D2?γ
　　D≤[Qmin/（LP?γ）]1/2
　　式中： D ―――錨桿的間排距，m；
　　Qmin―――錨桿的最小錨固力，kN；
　　γ―――圍巖的重力密度值，kN/m3。
　　3）錨桿的直徑確定。這里可以按照每根錨桿懸吊的巖石重量來計(jì)算錨桿的直徑，其公式如下：
　　D2?LP?γ≤πd2[σ]/4
　　d≥2D[（LP?γ）/（π[σ]）] 1/2
　　式中：d ―――錨桿的直徑，mm；
　　[σ]―――錨桿體的許用應(yīng)力，N/mm2。
　　4.3 不穩(wěn)定圍巖條件下的錨桿參數(shù)選擇
　　在支護(hù)的巷道，當(dāng)巖石松動(dòng)圈大于1.5m時(shí)，其巷道的圍巖收斂變形比較大，此時(shí)支護(hù)時(shí)除了要有一定的支護(hù)強(qiáng)度外，還應(yīng)具備一定的可縮性。通過現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)踐表明，此時(shí)可采用錨噴網(wǎng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)。而錨桿參數(shù)選擇原理則與上述相同，但如松動(dòng)圈厚度較大時(shí)，其錨桿過長(zhǎng)也不易安裝，且承受較大的拉力，錨固效果也可能不好。這時(shí)，在層狀巖層結(jié)構(gòu)下，要選擇較堅(jiān)硬的巖層作為錨桿的錨固點(diǎn)，并在巷道表面布置金屬網(wǎng)來進(jìn)行噴層處理，這樣才能獲得較為理想的支護(hù)效果，也就說要根據(jù)具體條件而定。
　　結(jié)束語
　　開挖巷道的支護(hù)，為了獲得較好的安全、經(jīng)濟(jì)支護(hù)效果，必須根據(jù)圍巖松動(dòng)圈理論進(jìn)行測(cè)試、分析，弄清分類，然后針對(duì)不同環(huán)境條件下支護(hù)合理選擇錨桿參數(shù)與支護(hù)方式。根據(jù)具體條件確定、調(diào)節(jié)支護(hù)方式。