采空區(qū)錨桿支護設計原理與分析

　　一、松軟煤層巷道錨桿支護設計原理
　　松軟煤層巷道錨桿支護設計，采用的錨桿強化控制技術(shù)原理，包括巷道圍巖應力場優(yōu)化、破裂圍巖體強度強化、錨桿支護承載性能強化和圍巖承載結(jié)構(gòu)強化。
　　二、巷道圍巖應力場優(yōu)化原理
　　開挖巷道造成應力的重新分布，在局部區(qū)域特別是在巷道周圍形成了應力集中。在開采過程中還可能造成巷道圍巖應力的疊加，使巷道承受更高的應力載荷作用，加劇巷道周圍巖體的破壞。因此，從區(qū)域應力場的角度，合理設計開采布局，安排好采面的合理接續(xù)，盡量使巷道處于低應力場區(qū)域，避免高應力場的疊加破壞。在宏觀區(qū)域應力場已確定的情況下，只有從巷道所處的周圍巖層環(huán)境中去降低其應力強度，即從微觀應力場的角度改善巷道周圍巖層的應力強度，使巷道處于相對有利的維護環(huán)境。要達到這一效果，只能通過支護手段改善這個微觀應力場。研究表明，巷道周圍巖體相對破碎，采用超強錨桿通過施加高預應力及高剛度附件，最大程度的擠壓緊固巷道圍巖，消除圍巖中的弱面和空隙，提高巖層的整體承載強度，形成具有一定強度和剛度的承載層，并使得上覆巖層的垂直應力向巷道兩側(cè)深部巖層轉(zhuǎn)移，同時有效抵抗和平衡巷道周圍水平高應力對圍巖的剪切作用，有效改善巷道周邊微觀應力場，優(yōu)化圍巖淺部應力環(huán)境，促使圍巖由兩向應力狀態(tài)向三向應力狀態(tài)轉(zhuǎn)化，這是巷道周邊圍巖微觀應力場優(yōu)化的最有效手段，而傳統(tǒng)的U型棚支護、低預緊力的普通錨桿支護技術(shù)都無法達到這一效果。
　　三、錨桿承載性能強化
　　煤巷錨桿支護技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)不再單純強調(diào)錨桿的強度，綜合強化錨桿支護的承載特性是錨桿支護的發(fā)展方向，其本質(zhì)是促使其錨桿支護特性曲線具有及時早強速增阻的特性。巷道圍巖壓力隨圍巖變形而急劇衰減，適當滯后支護可以釋放一定的圍巖壓力，但支護的滯后常常產(chǎn)生松動變形。通過及時支護的高預拉力錨桿提供初期的支護阻力消除掘巷煤巖體松動變形，通過高剛度的護表材料及錨桿附件，促使錨桿在后續(xù)圍巖變形過程中實現(xiàn)高增荷特性，很快達到高的工作載荷，限制后續(xù)的圍巖變形，實現(xiàn)了及時、高初錨力、高增荷特性，進而達到高工作荷載，可以控制留巷巷道在掘進期間的變形。
　　四、破裂圍巖體強度強化
　　煤層巷道圍巖強度一般都較低，開挖以后必然產(chǎn)生一定程度的破壞，淺部的圍巖處于低圍壓破裂狀態(tài)，承載能力很低，在根本上決定著巷道圍巖的穩(wěn)定性，只有對巷道周圍低圍壓破裂巖石進行有效加固，才能提高巷道圍巖的承載能力和穩(wěn)定性。通常采用錨桿和注漿兩種加固方式。在巷道周邊低圍壓條件下，巖體強度隨圍壓的逐步增大而呈急劇增長趨勢，所以，要想提高破碎巖體的承載強度，就必須增大其圍壓，從巖層內(nèi)部增大其承載能力。相對被動作用的U型棚支護，主動作用的錨桿支護就是早期快速增大圍壓的最有效方式。
　　五、巷道圍巖結(jié)構(gòu)的強化
　　（一）頂板的安全控制：通過高性能預拉力錨桿的高張拉力支護，完全克服松動巖體的自重，阻止了圍巖的進一步松動，消除巖體松散變形，改善錨桿增阻性能，提高錨桿的支護能效；小孔徑預拉力錨索則可以充分利用深部圍巖的強度和穩(wěn)定性，增大錨固范圍，消弱層狀頂板的剪切破壞作用，消除頂板的漸次離層和垮冒；利用巷道的特殊圍巖結(jié)構(gòu)和幫角穩(wěn)定圍巖區(qū)，采用小孔徑預拉力鋼絞線桁架系統(tǒng)強化頂板承載結(jié)構(gòu)，確保頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。（二）關(guān)鍵承載區(qū)的加強：在高地應力區(qū)開挖巷道，在采動應力場、濕度應力場和巖體結(jié)構(gòu)的共同作用下，圍巖由整體性壓縮向局部性擴張轉(zhuǎn)化，直到新的動態(tài)平衡，這些局部性擴張轉(zhuǎn)化的區(qū)域就是關(guān)鍵承載區(qū)，比如頂板的中部、不規(guī)則斷面的高幫中上部位等。在這些關(guān)鍵承載區(qū)的動態(tài)變化過程中，巷道圍巖力學行為和各個方面均表現(xiàn)出相應的特殊而復雜的特征。必須強化關(guān)鍵承載區(qū)的支護強度，促成支護圍巖整體承載結(jié)構(gòu)的形成或強化，以多層次的聯(lián)合支護來實現(xiàn)支護體和圍巖間的主動和動態(tài)的相互作用。
　　六、錨桿支護關(guān)鍵技術(shù)手段
　　（一）高性能超高強錨桿：采用IV級錨桿專用螺紋鋼加工而成的高性能錨桿，抗破斷強度更高，支護剛度更大，限制變形更加有力，針對巷道急劇膨脹擴容產(chǎn)生的高應力控制效果會更有效。
　?。ǘ┐笸斜P：錨桿采用新型大托盤（尺寸為200mm×200mm）、錨索采用400mm×400mm的大托盤，增大護表面積，減輕目前所用的普通小托盤與圍巖局部小面積接觸而產(chǎn)生的點載荷作用，防止圍巖擠壓破損，將對松散層裂破碎巖體起到較好的維護效果。
　　（三）新型阻尼螺母：能提供較大扭矩，與高性能預拉力錨桿配套，提高錨桿安裝過程的可靠性，保證支護系統(tǒng)整體安全可靠。
　　結(jié)語：采用高性能超高強錨桿支護，成功地解決了采空區(qū)下巷道礦壓大，變形嚴重和巷道維修工程量大的問題，同時減輕了工人的勞動強度，提高了工作效率，為巷道快速掘進和快速回采提供了更好的條件。