許 計(jì)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)挖金灣煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 大同 037003）

引言

錨桿支護(hù)是一種可以加固圍巖、加強(qiáng)圍巖承載力、提升圍巖強(qiáng)度的主動(dòng)支護(hù)方法，具有效果好、成本低、可提高綜放面生產(chǎn)效率等特點(diǎn)[1-2]。隨著礦井支護(hù)技術(shù)的不斷發(fā)展，錨桿支護(hù)技術(shù)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展?，F(xiàn)階段的錨桿支護(hù)技術(shù)方法主要有工程經(jīng)驗(yàn)法與類比法兩類，但該設(shè)計(jì)方法主觀性強(qiáng)、隨意性大、設(shè)計(jì)結(jié)果準(zhǔn)確性較低。某礦使用的錨桿支護(hù)方法具有強(qiáng)度低、剛度差等特點(diǎn)，與煤礦巷道圍巖結(jié)合度較差，無(wú)法發(fā)揮圍巖本身的承載作用，且支護(hù)與維護(hù)費(fèi)用高，巷道變形與穩(wěn)定性差。因此該煤礦進(jìn)行了錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)優(yōu)化研究，以期對(duì)企業(yè)的高效生產(chǎn)有所幫助。

1 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)機(jī)理分析

錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)機(jī)理分析是圍巖控制方法中的重要一環(huán)，國(guó)內(nèi)外依據(jù)不同的地質(zhì)條件研究出不同的支護(hù)理論與方法[3]。在煤礦井下生產(chǎn)中，錨桿支護(hù)已成為煤礦支護(hù)中的重要方法。巷道錨桿支護(hù)的作用機(jī)理主要有兩大類，分別為徑向錨固力作用機(jī)理與軸向錨固力作用機(jī)理。本節(jié)分別對(duì)其進(jìn)行分析，并對(duì)兩種約束之間的聯(lián)系進(jìn)行研究。

1.1 徑向錨固力作用機(jī)理分析

錨桿支護(hù)的徑向約束力是指當(dāng)巖層沿著節(jié)理裂隙與層面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)錨桿支護(hù)的桿體與錨固劑產(chǎn)生剪切力，桿體與錨固劑則對(duì)巖層的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生反作用力而產(chǎn)生約束的力。錨桿的徑向約束使巖層的相對(duì)運(yùn)動(dòng)受到限制，改變了巖石的應(yīng)力狀態(tài)，使巖石的巖體強(qiáng)度得以提高。錨桿支護(hù)桿體的剪切力最大載荷公式為：

式中：Q 為桿體的剪切力最大載荷，kN/m2；d 為錨桿直徑，mm；φb為錨桿剪切強(qiáng)度，MPa。

1.2 軸向錨固力作用機(jī)理分析

錨桿支護(hù)的軸向約束力是指當(dāng)巖石發(fā)生膨脹或在錨桿支護(hù)安裝時(shí)，錨桿需施加預(yù)緊力拉伸，錨桿在該狀態(tài)下使巖石與桿體產(chǎn)生結(jié)合，對(duì)巖層造成反作用力而產(chǎn)生的約束力。錨桿支護(hù)桿體的最大拉斷載荷計(jì)算公式為：

式中：p 為桿體的最大拉斷載荷，kN/m2；d 為錨桿直徑，mm；εb為錨桿拉斷強(qiáng)度，MPa。

1.3 徑向與軸向約束力聯(lián)系分析

徑向與軸向約束力的作用示意圖如圖1 所示。在實(shí)際的錨桿支護(hù)約束作用中，徑向與軸向的約束往往是同時(shí)發(fā)生的，兩作用力相互疊加，彼此作用。錨桿桿體會(huì)對(duì)巖石層面和裂隙的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生控制作用。當(dāng)錨桿桿體與作用力面的相互夾角為一定的銳角角度時(shí)，錨桿桿體會(huì)因?qū)用媾c裂隙的錯(cuò)動(dòng)而拉伸，此時(shí)錨桿的控制作用最好；而當(dāng)該情況正好相反時(shí)，即錨桿桿體進(jìn)行反方向傾斜，那么巖層與裂隙的錯(cuò)動(dòng)會(huì)使錨桿桿體發(fā)生壓縮，則錨桿的控制作用變差。

圖1 錨桿支護(hù)約束作用力示意圖

錨桿支護(hù)桿體所受的剪切最大強(qiáng)度為桿體的抗剪阻力與軸向約束力對(duì)剪切面所產(chǎn)生正應(yīng)力造成的摩擦阻力之和。通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)踐觀察勘測(cè)分析可知，錨桿支護(hù)的支護(hù)作用是由巷道圍巖的層面、破裂面等圍巖弱面的剪切運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的阻力而提供的。當(dāng)錨桿支護(hù)方法的軸向約束力較大且剪切力作用面上的正壓力也較高時(shí)，錨桿支護(hù)對(duì)剪切錯(cuò)動(dòng)的控制效果并不明顯，但當(dāng)剪切力作用面上的正壓力較低時(shí)，錨桿支護(hù)的約束效果較佳，控制效果明顯。

2 錨桿支護(hù)方案設(shè)計(jì)

本文運(yùn)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法對(duì)錨桿支護(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以地質(zhì)力學(xué)特征分析為研究基礎(chǔ)，結(jié)合多種設(shè)計(jì)方法對(duì)巷道錨桿進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]。本方法主要分為四大階段：第一階段為力學(xué)分析評(píng)估，主要是對(duì)煤礦巷道進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與分析，對(duì)巷道的巖石穩(wěn)定性進(jìn)行合理評(píng)估；第二階段為初始設(shè)計(jì)階段，依據(jù)第一階段的資料收集與合理評(píng)估，確定錨桿支護(hù)的強(qiáng)度需求，確定支護(hù)方案；第三階段為現(xiàn)場(chǎng)勘查監(jiān)測(cè)階段，依據(jù)初始設(shè)計(jì)方案對(duì)錨桿支護(hù)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)地觀測(cè)；第四階段為反饋修正階段。依據(jù)具體的實(shí)地檢測(cè)，對(duì)不合理的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行針對(duì)性修改，并不斷進(jìn)行試驗(yàn)，找出最佳的設(shè)計(jì)方案。

2.1 地質(zhì)力學(xué)評(píng)估

地質(zhì)力學(xué)的評(píng)估主要分為兩大步：第一是對(duì)主煤層進(jìn)行巖石試樣收集，并進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)試驗(yàn)，以獲得煤礦巖石的實(shí)際參數(shù)，為后續(xù)的研究奠定基礎(chǔ)；第二步為對(duì)巖體的裂隙與地下水情況進(jìn)行實(shí)地考察，將各種情況進(jìn)行綜合評(píng)估后，依據(jù)評(píng)估結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析修正，得出適用于支護(hù)設(shè)計(jì)的力學(xué)參數(shù)。對(duì)某礦進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)評(píng)估后，得出的參數(shù)如表1 所示。

表1 地質(zhì)力學(xué)評(píng)估參數(shù)

2.2 初始支護(hù)設(shè)計(jì)

由評(píng)估參數(shù)可知，該煤礦埋深較大，煤礦進(jìn)行挖掘施工后，巷道處在高應(yīng)力的施工環(huán)境之下，支撐壓力由于兩幫作用的效應(yīng)使其最大應(yīng)力數(shù)值高達(dá)48 MPa，高應(yīng)力的巷道會(huì)產(chǎn)生范圍較廣的塑性變形，使巷道變形明顯，需進(jìn)行相關(guān)支護(hù)。依據(jù)上述力學(xué)分析與相關(guān)規(guī)范可知，該煤礦的頂板屬于不穩(wěn)定頂板，故本文選用錨桿、鋼帶加金屬網(wǎng)的支護(hù)方案。

依據(jù)過(guò)往的設(shè)計(jì)研究經(jīng)驗(yàn)可知，錨桿的初始錨固力應(yīng)大于40 kN，錨桿與兩幫夾角應(yīng)在15°～30°的范圍之內(nèi)，本文擬通過(guò)計(jì)算的方式來(lái)確定錨桿支護(hù)的各設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.2.1 錨桿長(zhǎng)度

該煤礦為矩形巷道，可分為彈性圈與非彈性區(qū)兩部分，理想狀態(tài)下巷道破壞分布示意圖如圖2 所示。

圖2 理想狀態(tài)下巷道破壞分布示意圖

式中：L 為錨桿長(zhǎng)度，m；a1為頂板非彈性深度，m；L0為外露長(zhǎng)度，m；L1為入巖層的錨桿長(zhǎng)度，m。

通過(guò)對(duì)頂錨桿現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際勘探可知，a1為1.35 m，錨桿外露長(zhǎng)度L0為0.1 m，入巖層的錨桿長(zhǎng)度L1為0.5 m，由此可得出L=1.95 m。那么，頂錨桿長(zhǎng)度應(yīng)大于所計(jì)算的L 值。因此，頂錨桿的長(zhǎng)度數(shù)值可取為2 m、2.2 m、2.4 m。同理，幫錨桿具體數(shù)據(jù)為：a2=0.9 m，L0=0.2 m，L1=0.6 m，通過(guò)計(jì)算可得L=1.7 m，則幫錨桿長(zhǎng)度數(shù)值可取為1.8 m、2 m、2.2 m。

2.2.2 錨桿直徑

錨桿直徑主要與錨桿所受壓力及其所用材料的抗拉強(qiáng)度有關(guān)。依據(jù)承載力與錨固力等強(qiáng)度原則，可得其計(jì)算公式為：

式中：d 為錨桿直徑，mm；Q 為錨桿約束力，kN；ω 為抗拉強(qiáng)度，MPa。

由于錨固力Q 值應(yīng)大于40 kN，依據(jù)過(guò)往經(jīng)驗(yàn)，此處Q 值取為50 kN，錨桿材料選用樹脂錨桿，其抗拉強(qiáng)度ω 值為335 MPa。通過(guò)計(jì)算可得，錨桿直徑為13.58 mm，因此，錨桿直徑數(shù)值可取為16 mm、18 mm、20 mm。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與修正反饋

確定錨桿支護(hù)方案后，結(jié)合巷道的實(shí)際生產(chǎn)狀況，將支護(hù)方案應(yīng)用于實(shí)際的支護(hù)生產(chǎn)中，在工作面的推進(jìn)方向布置三個(gè)觀測(cè)面，以檢測(cè)支護(hù)方案的實(shí)際支護(hù)效果。

對(duì)錨桿支護(hù)方案進(jìn)行實(shí)測(cè)后發(fā)現(xiàn)，幫錨桿與頂錨桿拉拔力差別較小且大于60 kN，符合支護(hù)要求；錨桿與錨索所受軸力加大了3 倍，兩幫加固情況得以提升；巷道幫部位移較小，錨桿支護(hù)作用明顯。由上述研究可知，本文所涉及的錨桿支護(hù)方案符合支護(hù)需求，支護(hù)效果明顯，穩(wěn)定性較高。因此，該支護(hù)方案可行性強(qiáng)，具有較好的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

錨桿支護(hù)已廣泛應(yīng)用于厚煤層回采巷道支護(hù)中，運(yùn)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法對(duì)錨桿支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后，解決了傳統(tǒng)錨桿支護(hù)強(qiáng)度低、剛度差等支護(hù)問(wèn)題，摒除了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法主觀性強(qiáng)、隨意性大等問(wèn)題，使圍巖的穩(wěn)定性與自身承載力得以進(jìn)一步提高[5]。同時(shí)，改善了支護(hù)環(huán)境，降低了支護(hù)成本，為錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展積累了經(jīng)驗(yàn)，提高了煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)效率。