煤礦巷道錨桿支護(hù)設(shè)計應(yīng)用研究

摘?要：巷道支護(hù)是煤礦安全生產(chǎn)的重要保證，我國煤礦以井工開采為主，需要在井下開掘大量巷道，而且80%以上是煤巷、半煤巖巷，或?yàn)樗绍浧扑閲鷰r巷，或?yàn)橛鏊浕蛎泧鷰r巷。確保巷道的安全、快速掘進(jìn)，確保巷道使用期間的暢通、與圍巖穩(wěn)定，確保巷道的支護(hù)與維護(hù)成本較低等，是建設(shè)安全高效礦井的一項重要工作，具有重要意義。

關(guān)鍵詞：錨桿支護(hù);頂板離層量;地應(yīng)力

1?錨桿支護(hù)技術(shù)的主要特點(diǎn)

十分重視巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的測試，對支護(hù)對象有比較清楚地了解。在錨桿支護(hù)設(shè)計前，要進(jìn)行全面、詳細(xì)的地應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度和圍巖結(jié)構(gòu)面力學(xué)特征的測量，分析巷道應(yīng)力場分布特征，巷道圍巖變形破壞的主要影響因素。這是錨桿支護(hù)成功的必要前提。地質(zhì)力學(xué)評估—初始支護(hù)設(shè)計—井下施工與監(jiān)測—信息反饋與修改設(shè)計—日常監(jiān)測”的設(shè)計方法。這種方法符合煤礦巷道地質(zhì)條件復(fù)雜性與多變性的特點(diǎn)。錨桿支護(hù)監(jiān)測儀器與技術(shù)保證了巷道安全。開發(fā)出頂板離層指示儀、聲波多點(diǎn)位移計、測力錨桿等監(jiān)測錨桿支護(hù)巷道圍巖變形、離層、支護(hù)體受力的儀器，及時、準(zhǔn)確地監(jiān)測圍巖穩(wěn)定性與支護(hù)狀況，確保巷道的安全。

2?錨桿支護(hù)理論

2.1最大水平應(yīng)力理論

地應(yīng)力測量結(jié)果表明，在很多情況下巖層中的水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，而且水平應(yīng)力具有明顯的方向性（構(gòu)造應(yīng)力）;最大水平主應(yīng)力明顯高于最小水平主應(yīng)力，這種趨勢在淺部礦井尤為明顯。水平應(yīng)力對巷道圍巖的穩(wěn)定性有較大的影響。

通過現(xiàn)場觀測與數(shù)值模擬分析，得出水平應(yīng)力對巷道圍巖變形與穩(wěn)定性的作用（見圖）。他認(rèn)為，巷道頂?shù)装遄冃闻c穩(wěn)定性主要受水平應(yīng)力的影響：當(dāng)巷道軸線與最大水平主應(yīng)力平行，巷道受水平應(yīng)力的影響最小，有利于頂?shù)装宸€(wěn)定;當(dāng)巷道軸線與最大水平主應(yīng)力垂直，巷道受水平應(yīng)力的影響最大，頂?shù)装宸€(wěn)定性最差;當(dāng)兩者呈一定夾角時，巷道一側(cè)會出現(xiàn)水平應(yīng)力集中，頂?shù)装宓淖冃闻c破壞會偏向巷道的一幫。

在最大水平應(yīng)力作用下，頂?shù)装鍘r層會發(fā)生剪切破壞，出現(xiàn)松動與錯動，導(dǎo)致巖層膨脹、變形。錨桿的作用是抑制巖層沿錨桿軸向的膨脹和垂直于軸向的剪切錯動，因此，要求錨桿強(qiáng)度大、剛度大、抗剪能力強(qiáng)。這也正是錨桿支護(hù)技術(shù)特別強(qiáng)調(diào)高強(qiáng)度、全長錨固的原因。

2.2?懸吊理論

錨桿支護(hù)的作用是將頂板下部不穩(wěn)定的巖層懸吊在上部穩(wěn)定的巖層上。是最早的錨桿支護(hù)理論，具有直觀、易懂及使用方便等特點(diǎn)。在頂板上部有穩(wěn)定巖層，而其下部存在松散、破碎巖層的條件下（圖a），這種支護(hù)理論應(yīng)用比較廣泛。在比較軟弱的圍巖中，巷道開掘后應(yīng)力重新分布，出現(xiàn)松動破碎區(qū)，在其上部形成自然平衡拱，錨桿支護(hù)的作用是將下部松動破碎的巖層懸吊在自然平衡拱上 （圖b）。

3?錨桿支護(hù)設(shè)計

3.1理論計算法

理論計算法：基于某種錨桿支護(hù)理論，如懸吊理論、組合梁理論及加固拱理論，計算得出錨桿支護(hù)參數(shù)。由于各種支護(hù)理論都存在著一定的局限性和適用條件，而且很難比較準(zhǔn)確、可靠地確定計算所需的一些參數(shù)。因此，依據(jù)理論計算所作的設(shè)計結(jié)果很多情況下只能作為參考。懸吊理論認(rèn)為錨桿的作用是將下部不穩(wěn)定的巖層懸吊在上部穩(wěn)定的巖層中，阻止軟弱破碎巖層垮落。懸吊理論只考慮了錨桿的被動抗拉作用，根據(jù)不穩(wěn)定巖層厚度計算錨桿長度，根據(jù)錨桿懸吊的不穩(wěn)定巖層重量計算錨桿直徑和間排距。

①錨桿長度： 錨桿長度計算：L=L1+L2+L3

式中?L —錨桿長度，m;L1—錨桿外露長度，取決于錨桿類型與錨固方式，一般取0.15m;L2—錨桿有效長度，不小于不穩(wěn)定巖層的厚度，m;L3—錨桿錨固長度，端部錨固一般取0.3～0.4m。

②錨桿錨固力與直徑：錨桿錨固力應(yīng)不小于被懸吊不穩(wěn)定巖層的重量： Q=KL2a1a2γ式中Q—錨桿錨固力，MN;K—安全系數(shù)，一般取1.5—2;a1，a2—錨桿間排距，m;γ—巖層平均重力密度，MN/m3。

如果錨桿錨固力與桿體的破斷力相等，則錨桿直徑為：

式中?d—錨桿直徑，m;σ1—桿體材料的抗拉強(qiáng)度，MPa。

3.2數(shù)值模擬計算法

數(shù)值模擬計算法：數(shù)值計算常用的方法有：有限元法，離散元法、邊界元法和有限差分法。 有限元法、有限差分法、邊界元法等數(shù)值方法是建立在連續(xù)性假設(shè)基礎(chǔ)上的。而煤巖體形態(tài)和結(jié)構(gòu)呈強(qiáng)烈的非連續(xù)性，煤巖塊體的運(yùn)動和受力為幾何或材料非線性，用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)進(jìn)行求解是不適合的。離散元法充分考慮結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，適用于解決節(jié)理化巖石力學(xué)問題。

4?離層量監(jiān)測

4.1 巷道頂板離層量

巷道頂板離層量不僅受巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)的影響，而且在巷道受采動影響前后頂板離層臨界值的變化較大，說明巷道頂板離層量受采動影響較大。對于錨桿支護(hù)的巷道，巷道頂板的離層一般不易被人察覺，但其潛在的危害極大，且當(dāng)離層量達(dá)到臨界值時，下部巖層就有冒落的危險。應(yīng)用以上理論計算煤層巷道頂板離層臨界值，在初步建立錨桿支護(hù)巷道頂板離層臨界值計算的理論依據(jù)方面做了大膽嘗試，對預(yù)報和預(yù)防頂板事故，指導(dǎo)安全生產(chǎn)具有重大意義。

4.2 頂板失穩(wěn)離層界限值

頂板離層界限是指錨桿支護(hù)巷道在正常使用的情況下所允許的頂板離層的范圍。超過這一范圍意味著頂板將處于非穩(wěn)定狀態(tài)之中，應(yīng)該更加密切注意頂板動態(tài)，及時采取相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)措施，否則頂板離層可能會進(jìn)一步加劇，最終導(dǎo)致巷道的失穩(wěn)破壞。

5?結(jié)論

通過離層量觀測數(shù)據(jù)顯示，3號基點(diǎn)與2基點(diǎn)離層量最大達(dá)到3mm，即直接頂和老頂離層量達(dá)到3mm。在允許的離層量范圍。說明支護(hù)質(zhì)量良好。如果離層量大，則要加強(qiáng)支護(hù)，變更支護(hù)設(shè)計參數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]譚云亮.礦山壓力與巖層控制.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2006.

作者簡介：

紀(jì)安，男，漢族，1989年11月出生，四川巴中人，云南能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，現(xiàn)主要從事礦山壓力觀測與控制等教學(xué)及科研工作。