＊付松濤

（陽(yáng)煤集團(tuán)一礦 山西 045000）

隨著我國(guó)煤礦開采工作的不斷加強(qiáng)，越來(lái)越多的問題也開始逐漸體現(xiàn)出來(lái)，尤其是煤礦巷道的支護(hù)問題始終是困擾相關(guān)人員的重要問題之一，如何提高煤礦巷道的支護(hù)效果就成為首要分析目標(biāo)。近些年來(lái)，我國(guó)的煤礦開采深度也正在逐漸加深，目前為止開采深度已經(jīng)達(dá)到了1500m，在如此深的位置進(jìn)行開采其工作難度也是可想而知的，時(shí)常會(huì)發(fā)生煤與瓦斯突出等動(dòng)態(tài)現(xiàn)象。其次，我國(guó)大部分地區(qū)都屬于軟巖破碎采區(qū)，通常體現(xiàn)為開采區(qū)巖層強(qiáng)度差、結(jié)構(gòu)松散等現(xiàn)象。最后，隨著煤礦生產(chǎn)規(guī)模的增加，開采設(shè)備體積也相對(duì)較大、重型化要求的巷道斷面也逐漸加大。

1.錨桿支護(hù)模式的工作原理

(1)錨桿支護(hù)作用模式

根據(jù)相關(guān)資料而言，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者均提出果錨桿支護(hù)理論，根據(jù)其作用原理可以將其分為三種支護(hù)模式：①被動(dòng)懸架破壞或潛在破壞范圍的煤巖體；②在錨固區(qū)形成梁、層、拱、殼等物理結(jié)構(gòu)；③完善錨固區(qū)圍巖力學(xué)性能與應(yīng)力情況，尤其是在完善圍巖屈服后的受力表現(xiàn)。

最先提出的支護(hù)模式便是利用模式①通過將錨桿支護(hù)和圍巖進(jìn)行分離，將損壞的圍巖視為載體的一種。這種支護(hù)模式的工作原理與以往的支架工作原理并沒有本質(zhì)上的區(qū)別，區(qū)別便是支架的受力點(diǎn)是在巷道處，而模式①的受力點(diǎn)是在較為穩(wěn)定的巖層處。懸架理論只是充分了完善了錨桿的抗拉效果，并沒有考慮到其抗剪效果。而模式②則是通過將錨桿和圍巖的有效結(jié)合，不再將圍巖單純的視為載荷，而是一種承載體。利用錨桿的作用，在錨固區(qū)形成受力結(jié)構(gòu)，有效利用圍巖自身的承受能力，模式②完善了模式①中沒有考慮到抗剪作用的缺點(diǎn)，同時(shí)加強(qiáng)了錨固體的整體強(qiáng)度。而模式③則是將錨固體視為高強(qiáng)度復(fù)合材料的一種，在圍巖中完成錨桿安裝后，不僅可以在不同程度的加強(qiáng)圍巖的力學(xué)性能，同時(shí)還可以利用錨桿在巷道表面起到相應(yīng)的約束力，以此來(lái)完善圍巖的受力情況[1]。

(2)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)原理

現(xiàn)階段，主要是通過兩種方式來(lái)形容錨桿支護(hù)能力的指標(biāo)：第一種是通過強(qiáng)度，也就是所謂的抗損壞性能，其中包含了抗拉能力、抗剪能力等。第二種便是剛度，也就是所謂的防形變能力。螺栓剛度與螺栓橫截面面積和彈性模量成正比，與螺栓長(zhǎng)度成反比。錨固剛度還會(huì)受到錨桿的安裝時(shí)間以及錨固方式等因素的影響。錨桿的安裝與預(yù)應(yīng)力成正比。此外，與頂部錨固相比而言，全長(zhǎng)錨固具備了更好的剛度。以往，人們對(duì)錨桿支護(hù)強(qiáng)度的研究也相對(duì)較多。例如：對(duì)于相對(duì)繁瑣、難度較大的巷道，通常選用增加錨桿體自身強(qiáng)度進(jìn)行支護(hù)。然而，此種方法并不適用，主要是因?yàn)榇朔N方法會(huì)無(wú)視支護(hù)剛度的必要性[2]。

2.錨桿支護(hù)錨桿支護(hù)施工與監(jiān)測(cè)

(1)錨桿支護(hù)施工設(shè)備與工藝

錨固支撐施工機(jī)械和工具包含了錨固鉆機(jī)、鉆頭和鉆桿、錨固預(yù)應(yīng)力設(shè)備和電纜安裝設(shè)備等。其中，錨固鉆機(jī)為主要施工設(shè)備，鑿巖機(jī)是一種最初利用螺栓進(jìn)行鉆孔工具。由于早期并沒有專用的螺栓安裝工具，螺栓的安裝比較復(fù)雜，也影響了施工質(zhì)量。20世紀(jì)80年代，我國(guó)從西方發(fā)達(dá)國(guó)家引入了氣動(dòng)頂單板螺栓鉆機(jī)，并通過研究實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)[3]。此外，多臺(tái)機(jī)組還研制出了一系列單頂液壓錨鉆。此后，兩種頂板單錨桿鉆機(jī)也逐漸得到了有效落實(shí)。而對(duì)于煤側(cè)螺栓施工而言，很長(zhǎng)時(shí)間都是運(yùn)用煤電鉆進(jìn)行施工，但煤電鉆其施工效率低下且安裝工作較為困難，為了有效加強(qiáng)煤側(cè)螺栓施工速度和質(zhì)量，我國(guó)又研制出了氣動(dòng)以及液壓錨栓鉆機(jī)，有效解決了煤栓鉆孔和安裝錨栓井的問題。現(xiàn)階段，我國(guó)的單錨桿鉆機(jī)及其配套工具已經(jīng)得到了有效完善，可以滿足地下錨桿施工的需要。除單錨桿鉆機(jī)外，國(guó)內(nèi)還開展了針對(duì)掘進(jìn)機(jī)用機(jī)載錨桿鉆機(jī)的研究與試驗(yàn)，并取得了相應(yīng)的作用[4]。

(2)錨桿支護(hù)礦壓監(jiān)測(cè)

錨桿支護(hù)巷道礦壓監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括圍巖位移、采動(dòng)應(yīng)力、支護(hù)體受力與變形，其中圍巖位移分為巷道表面位移、頂板離層、圍巖深部位移；財(cái)動(dòng)應(yīng)力分為煤柱應(yīng)力、支撐壓力；圍巖深部位移分為錨桿受力變形、錨索受力變形、其他構(gòu)件受力變形。在通過相應(yīng)的設(shè)備通過對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。隨著我國(guó)科技的不斷發(fā)展，我國(guó)科研人員已經(jīng)研制了各種類型的頂板分離指示器和多點(diǎn)位移儀，以此來(lái)對(duì)監(jiān)測(cè)錨固區(qū)內(nèi)外深層圍巖的位移，同時(shí)對(duì)于錨桿以及錨索的受力情況也可以通過錨桿或是錨索測(cè)力儀器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在完成上述的研發(fā)后，還開發(fā)出了針對(duì)可以進(jìn)行大面積無(wú)損傷監(jiān)測(cè)儀。另外，還開發(fā)出了一種性能較為先進(jìn)的巷道礦壓綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在對(duì)于井下收集數(shù)據(jù)傳輸上，有效落實(shí)了及時(shí)對(duì)礦壓監(jiān)測(cè)以及數(shù)據(jù)傳輸分析。在運(yùn)用井下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)錨桿支護(hù)效果和巷道安全性方面做了大量的工作。提出了移距邊界值、錨桿和錨索應(yīng)力等反饋指標(biāo)，對(duì)巷道穩(wěn)定性分析和初步設(shè)計(jì)的修改起到了積極的作用[5]。

3.錨桿支護(hù)應(yīng)用

錨桿支護(hù)技術(shù)因其使用壽命長(zhǎng)并且不會(huì)受到開采巷道和硐室的影響可以從平穩(wěn)煤層、較平穩(wěn)煤層，到不平穩(wěn)煤層；從巖石圍繞巷道到破碎巖石圍繞巷道等，包括了中國(guó)多種形式的巷道。同時(shí)每一種類型巷道都具備其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，錨桿支護(hù)是巷道支護(hù)中常見的支護(hù)方式之一。預(yù)應(yīng)力錨桿可以使頂板在規(guī)定的關(guān)鍵層內(nèi)形成組合梁，防止錨固區(qū)內(nèi)的頂板離層，起到穩(wěn)定巷道頂部圍巖的作用。預(yù)應(yīng)力的大小對(duì)錨桿支護(hù)效果影響很大[6]。錨桿支護(hù)是巷道支護(hù)中的重要組成部分，錨桿能夠?qū)㈨敯謇藐P(guān)鍵層創(chuàng)建組合梁，減少錨固區(qū)內(nèi)出現(xiàn)頂板離層現(xiàn)象，為巷道頂部圍巖的穩(wěn)定性提供有效保障。此外，錨桿的支護(hù)效果非常容易受到預(yù)應(yīng)力的影響，尤其在大跨度等高應(yīng)力巷道支護(hù)中?，F(xiàn)階段，我國(guó)巷道錨桿支護(hù)技術(shù)逐漸成熟，錨桿支護(hù)技術(shù)的不斷應(yīng)用，有效提升煤礦開拓效率，也使支護(hù)效果得到提升，減少生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)作壓力，為煤礦業(yè)的安全性及可靠性提供保障。

4.相關(guān)數(shù)值模擬分析

針對(duì)不同預(yù)應(yīng)力條件下所產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)擴(kuò)散情況的模擬，主要會(huì)應(yīng)用flac進(jìn)行模擬，在此基礎(chǔ)上，對(duì)錨桿預(yù)應(yīng)力與煤礦巷道支護(hù)效果的關(guān)系進(jìn)行研究。通過這種方式，可以更加直觀的體現(xiàn)出二者之間存在的關(guān)系，有助于提升錨桿支護(hù)的效果，并且能夠?qū)﹀^桿支護(hù)技術(shù)的改善起到重要的參考作用。在錨桿支護(hù)的過程中，圍巖在錨桿預(yù)應(yīng)力的作用下會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力區(qū)域，并且其壓應(yīng)力區(qū)域會(huì)不斷疊加，同時(shí)應(yīng)力場(chǎng)的范圍也會(huì)隨之?dāng)U大，應(yīng)力的強(qiáng)度越來(lái)越大。這種情況下，能夠使巷道圍巖始終處于受壓的狀態(tài)下，進(jìn)而促進(jìn)巷道圍巖承載力的提升，保障巷道的穩(wěn)定性以及煤礦生產(chǎn)的安全性。通過相關(guān)的試驗(yàn)可以證明在圍巖壓力為0時(shí)，則其殘余強(qiáng)度也更加接近為0，與此同時(shí)，在圍巖壓力增加到9MPa時(shí)，其殘余強(qiáng)度也會(huì)隨著提升至9MPa左右。通過這一試驗(yàn)可以證明殘余強(qiáng)度會(huì)受圍巖壓力的影響，二者呈正比例關(guān)系，并且殘余強(qiáng)度對(duì)圍巖的強(qiáng)度變化十分敏感。而在錨桿支護(hù)過程中，即便錨桿所生成的應(yīng)力場(chǎng)較小，但是也會(huì)促進(jìn)圍巖殘余強(qiáng)度的提升，同時(shí)也促進(jìn)了圍巖承載能力的提升，這充分證明了錨桿支護(hù)的效果比較理想。而采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的方式，則能進(jìn)一步提升支護(hù)抗力，促進(jìn)圍巖承載能力的提升。在預(yù)應(yīng)力錨桿的作用下，可以促使巷道圍巖參數(shù)降低，這對(duì)于解決圍巖的受力問題以及圍巖的壓力問題等具有十分重要的意義。除此之外，這種方式還有助于促進(jìn)頂板預(yù)應(yīng)力的承載能力。通過預(yù)應(yīng)力支護(hù)，能夠促使頂板巖層處于橫向壓縮的狀態(tài)，這樣一來(lái)，便可以避免高水平應(yīng)力對(duì)巷道周圍巖體產(chǎn)生的影響，起到了有效的保護(hù)作用，同時(shí)也促使錨固區(qū)的載荷能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)傳遞，避免了對(duì)圍巖造成的負(fù)面影響。

由于錨桿的圍巖條件差異，所以預(yù)應(yīng)力錨桿試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際情況必然也會(huì)存在一定差異，為了減少這種差異，在實(shí)踐應(yīng)用中應(yīng)該更加注重對(duì)不同的圍巖條件下修正系數(shù)的選擇和取值區(qū)間作出相應(yīng)的調(diào)整，與此同時(shí)，也需要對(duì)錨桿的預(yù)緊扭矩及其在軸向上的預(yù)應(yīng)力進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。通過對(duì)錨桿進(jìn)行預(yù)應(yīng)力支護(hù)試驗(yàn)，我們能夠認(rèn)識(shí)到錨桿的預(yù)應(yīng)力和巷道變形量之間呈反比例的關(guān)系，因此通過采用錨桿的預(yù)應(yīng)力支護(hù)技術(shù)，能夠有效地控制圍巖變形，更好地保障了圍巖穩(wěn)定。在確保巷道安全支護(hù)的基礎(chǔ)上，并非一定必須采用架棚式支護(hù)方法進(jìn)行巷道安全支護(hù)，完全可以應(yīng)用錨桿支護(hù)來(lái)替代架棚支護(hù)，并且錨桿支護(hù)也能完全保證巷道掘進(jìn)的各方面要求，能夠確保相關(guān)工作的安全性。同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)錨桿支護(hù)的應(yīng)用還有助于減少工作量和降低成本。

5.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)在20世紀(jì)50年代初開始應(yīng)用錨桿支護(hù)技術(shù)，經(jīng)過多年的科研人員不斷的開發(fā)研究，已經(jīng)取得了不小的成果。雖然我國(guó)煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)已經(jīng)取得的不小的成果，但是因?yàn)槊旱V巷道的特殊條件以及其自身的復(fù)雜性與多變性依舊還需要不斷的研究。