煤巷中的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)用
煤巷中的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)用
巷道支護(hù)的基本原理是巷道支護(hù)(支架或錨桿)與圍巖共同承載，并盡量促使巖層形成承載結(jié)構(gòu)
1 錨桿支護(hù)機(jī)理分析
巷道支護(hù)的基本原理是巷道支護(hù)(支架或錨桿)與圍巖共同承載，并盡量促使巖層形成承載結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上發(fā)展了許多錨桿支護(hù)理論，如懸吊理論、組合梁理論、組合拱（壓縮拱）理論、圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論、水平應(yīng)力理論、巷道錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論等等，無論在過去和現(xiàn)在，這些理論對(duì)錨桿支護(hù)機(jī)理的認(rèn)識(shí)與指導(dǎo)巖體工程實(shí)踐都起到了不可低估的作用。但由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性與研究手段的局限性，錨桿支護(hù)理論至今尚不成熟，還不能單獨(dú)依靠某種理論為錨桿支護(hù)做出比較準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)。
從錨桿支護(hù)加固機(jī)理的討論中，可以得到對(duì)錨桿支護(hù)實(shí)踐有指導(dǎo)意義的幾點(diǎn)結(jié)論：
1.1 為提高被加固巖層的強(qiáng)度，在可能條件下盡量提高對(duì)頂板的錨固強(qiáng)度。錨固強(qiáng)度越大，圍巖形成的承載結(jié)構(gòu)承載能力越大。
1.2 巷道掘進(jìn)以后，應(yīng)及時(shí)安設(shè)錨桿，防止頂板早期出現(xiàn)離層，這樣極有利于頂板的穩(wěn)定。應(yīng)避免安設(shè)錨桿的時(shí)間與滯后掘進(jìn)工作面的距離超過規(guī)定時(shí)間。
1.3 按規(guī)定擰緊錨桿的緊固螺母，以使錨桿具有較大的初錨力。
2 設(shè)計(jì)依據(jù)
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料，在現(xiàn)有錨桿支護(hù)理論和預(yù)應(yīng)力錨桿（索）控制圍巖思想的基礎(chǔ)上，采用系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)法對(duì)潘北礦1121(1)下順槽進(jìn)行錨桿支護(hù)初步設(shè)計(jì)，并輔以工程類比和理論計(jì)算，然后通過現(xiàn)場(chǎng)施工、監(jiān)測(cè)，并經(jīng)過綜合觀測(cè)結(jié)果的整理、分析，對(duì)初始設(shè)計(jì)進(jìn)行修改、調(diào)整，完善錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)。
2.1 預(yù)應(yīng)力控制圍巖的基本原理 眾所周知，巷道開挖后在圍巖很小變形時(shí)（約在破壞載荷的25%以下），脆性特征明顯的巖體就出現(xiàn)開裂、離層、滑動(dòng)、裂紋擴(kuò)展和松動(dòng)等現(xiàn)象，使圍巖強(qiáng)度大大弱化。如果巷道開挖后立即安裝錨桿，但未施加預(yù)拉力，由于錨桿極限變形量大于圍巖極限變形量，又由于各類錨桿都有一定的初始滑移量，因而錨桿不能阻止圍巖的開裂、滑動(dòng)和弱化。只有當(dāng)圍巖的開裂位移達(dá)到相當(dāng)?shù)某潭龋ㄔ阡摻罨炷林羞_(dá)到極限載荷的60～75%）以后，錨桿才起到阻止裂紋擴(kuò)展的作用，這時(shí)圍巖已幾乎喪失抗拉和抗剪的能力，加固體的抗拉和抗剪能力主要依賴于錨桿。
2.1.1 頂板預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的形成需要以下條件：①安裝支護(hù)構(gòu)件時(shí)應(yīng)能夠提供一個(gè)明確的張拉力，其值應(yīng)明顯大于松動(dòng)巖體的重量，這種主動(dòng)施加的作用力應(yīng)適度，過小或過大都不合適；②支護(hù)構(gòu)件應(yīng)能保證和加固區(qū)內(nèi)圍巖的相互作用穩(wěn)定存在，并具有合適的強(qiáng)度；③支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度應(yīng)和圍巖匹配，同步承載，協(xié)調(diào)變形。
2.1.2 預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論主要內(nèi)容：①預(yù)拉力(或稱初撐力)的大小對(duì)頂板穩(wěn)定性具有決定性的作用，當(dāng)預(yù)拉力大到一定程度時(shí)，使頂板巖層處于橫向壓縮的狀態(tài)，形成預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，從而大大緩解或消除橫向彎曲變形，只有縱向的微小膨脹和壓縮變形，因而錨桿長(zhǎng)度范圍內(nèi)和錨桿長(zhǎng)度以上的頂板離層得以消除；②水平應(yīng)力的存在有利于巷道頂板的穩(wěn)定；③錨桿參數(shù)和預(yù)拉力的合理配置可以使錨桿長(zhǎng)度之內(nèi)和錨桿長(zhǎng)度之外的上覆頂板巖層都不存在離層破壞；④預(yù)應(yīng)力頂板將使得垂直壓力均化到巷道兩側(cè)縱深范圍，巷道兩側(cè)的壓力集中現(xiàn)象減小，片幫的現(xiàn)象緩和，兩幫的維護(hù)將變得相對(duì)簡(jiǎn)單；⑤施工機(jī)具、施工工藝和錨桿結(jié)構(gòu)及加工等方面的研究應(yīng)以實(shí)現(xiàn)高預(yù)拉力為中心。
2.2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)法 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)法是以對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)及其對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響方式、圍巖變形失穩(wěn)規(guī)律、錨桿支護(hù)機(jī)理與支護(hù)特性三個(gè)方面的正確認(rèn)識(shí)為理論依據(jù)；以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、工程實(shí)測(cè)和礦壓觀測(cè)為依托手段和表現(xiàn)形式；以解釋實(shí)測(cè)與觀測(cè)結(jié)果從而實(shí)施監(jiān)控所應(yīng)遵循的工程準(zhǔn)則為核心內(nèi)容的一種系統(tǒng)性的煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法。
3 錨桿支護(hù)初步設(shè)計(jì)
3.1 錨桿支護(hù)形式和巷道斷面 根據(jù)巷道頂板、底板及兩幫巖石和煤體的單軸抗壓強(qiáng)度、巖體完整性指數(shù)、巷道埋深、本區(qū)段采動(dòng)影響及相鄰區(qū)段的采動(dòng)影響等7個(gè)指標(biāo)，采用模糊聚類分析法，將煤巷圍巖穩(wěn)定性分為非常穩(wěn)定、穩(wěn)定、中等穩(wěn)定、不穩(wěn)定和極不穩(wěn)定五個(gè)類別。
2 支護(hù)參數(shù)理論計(jì)算法
3.2.1 理論計(jì)算過程 針對(duì)上述維護(hù)特點(diǎn)，依據(jù)巷道圍巖穩(wěn)定性分類原則及工作面開采技術(shù)條件，巷道圍巖屬于Ⅳ～Ⅴ類圍巖，按現(xiàn)代煤巷錨桿發(fā)展的技術(shù)水平和成果，應(yīng)用層狀頂板預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論和支架－巷道圍巖共同支護(hù)原理，按照工程類比法，采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護(hù)，按煤層平均傾角為28°計(jì)算，巷道設(shè)計(jì)斷面為梯形：巷道凈寬×中高=5.0m×2.8m；頂板斜長(zhǎng)5.4m左右；高幫高3.8m。
①錨桿長(zhǎng)度 從計(jì)算可知，圍巖的松動(dòng)圈頂部為2.4m，因此兩幫的松動(dòng)圈也考慮為2.4m，根據(jù)錨桿的均勻壓縮帶原理，錨桿的錨固深度視松動(dòng)圈的大小，可超出松動(dòng)圈也可小于松動(dòng)圈，但不易過淺，必須時(shí)錨固端位于有較高殘余強(qiáng)度的塑性區(qū)內(nèi)。則錨桿長(zhǎng)度為：L頂＝1.1×2.25＝2.475m，取2.5m；L高幫＝1.1×2.25＝2.475m，取2.5m；L低幫＝1.1×2.25＝2.475m，取2.5m。
②錨桿間排距 錨桿支護(hù)，主要是通過錨桿群的錨固作用，把圍巖周邊附近一定厚度范圍內(nèi)的巖體，均勻壓縮成能承受自身圍巖壓力的整體結(jié)構(gòu)。因此錨固均勻壓縮帶厚度不小于錨桿長(zhǎng)度的1/3，均勻壓縮帶的厚度和錨桿的錨固深度、間排距有關(guān)。為了安全起見，取壓縮帶厚度t＝L/2，即t＝1.2m，可確定出錨桿的間排距：
D≤2R0（L－t）/(2R0+L)=0.88m
根據(jù)計(jì)算結(jié)果，錨桿的間排距應(yīng)小于0.88m，參照類似巷道支護(hù)參數(shù)并考慮到巷道傾斜角度和頂板巖層條件，錨桿間排距為0.8m×0.8m。
③錨桿直徑計(jì)算 根據(jù)錨桿桿體承載能力和錨固力等強(qiáng)度原則確定錨桿直徑。
考慮煤柱穩(wěn)定性及工程類比，頂板和幫部錨桿直徑一樣，取22mm。
根據(jù)以上計(jì)算，錨桿選用高強(qiáng)度左旋螺紋鋼錨桿，頂板錨桿選擇φ22×2500；高幫錨桿選擇φ22×2500；低幫錨桿選擇φ22×2500。
④錨索及其參數(shù)選擇
a錨索材料 錨索材料一般用高強(qiáng)度、低松弛(Ⅱ級(jí))粘結(jié)式1×7鋼絞線，其直徑為15.24mm?？紤]到該面上覆巖層塊狀和碎塊狀性較軟的泥巖或砂質(zhì)泥巖，對(duì)巷道的穩(wěn)定性有一定的影響，因此錨索的選用φ17.8的鋼絞線。
b錨固長(zhǎng)度 根據(jù)拉拔試驗(yàn)數(shù)據(jù)，考慮到巖性和施工等影響因素及安全系數(shù)確定錨固長(zhǎng)度。錨索的破壞形式一般是膠結(jié)體與鋼絞線的粘結(jié)被破壞，錨索從膠結(jié)體中被拔出。在錨索支護(hù)設(shè)計(jì)中應(yīng)保證鋼絞線與膠結(jié)體有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度，才能保證錨索的支護(hù)效果。
c錨索長(zhǎng)度和支護(hù)密度 錨索宜錨固在圍巖內(nèi)部較穩(wěn)定巖層中。
考慮直接頂厚度的不均勻性和施工影響因素，安全系數(shù)取1.1，則錨索的長(zhǎng)度為：LS＝1.1×L=6.27～6.93m，取7m。
錨索的支護(hù)密度根據(jù)類似條件巷道的支護(hù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況，按照每排2根，錨索斜間距2.4m，每隔三排錨桿布置一排錨索，錨索用鋼帶沿走向壓茬布置。
3.2.2 支護(hù)系統(tǒng)承載校核 ①錨索提供的支護(hù)抗力②錨桿提供的支護(hù)抗力。
以上錨桿、錨索的支護(hù)參數(shù)是根據(jù)理論來計(jì)算的，在實(shí)際施工過程中，還必須根據(jù)實(shí)際的地質(zhì)情況和監(jiān)測(cè)分析結(jié)果進(jìn)行必要的調(diào)整，以完善支護(hù)設(shè)計(jì)。
3.3 支護(hù)方案確定 根據(jù)維護(hù)的常規(guī)條件，采用較大間排距高強(qiáng)預(yù)拉力錨帶網(wǎng)支護(hù)方案：頂板及上幫采用新型左旋螺紋鋼高強(qiáng)性能預(yù)拉力錨桿、M型鋼帶和鋼筋網(wǎng)（上幫鋪設(shè)塑料網(wǎng)）聯(lián)合支護(hù)，下幫采用新型左旋螺紋鋼高強(qiáng)性能預(yù)拉力錨桿、M型鋼帶和金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。
4 結(jié)論
4.1 回采巷道的支護(hù)應(yīng)充分遵循全支護(hù)原則、支護(hù)與圍巖共同作用原則、控制原則和短期臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)的原則。
4.2 錨桿及其組合支護(hù)(錨網(wǎng)、錨梁、桁架等)可以充分發(fā)揮圍巖的自身承載能力，提高圍巖的強(qiáng)度，適應(yīng)動(dòng)壓作用，是回采巷道有前途的支護(hù)形式。
層狀巖層中，不破頂?shù)幕夭上锏厘^桿作用機(jī)理主要是懸吊作用和組合梁作用。
4.3 提高錨桿的預(yù)緊力和及時(shí)支護(hù)，對(duì)于增加圍巖強(qiáng)度、控制巖層早期變形和破壞、發(fā)揮圍巖自承能力有重要意義。
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