喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 煤巷錨桿支護技術(shù)的研究及應(yīng)用 摘 要：隨著煤炭的不斷開采，淺部、易開采的煤層已所剩無幾，因而需要有新的巷道支護理論與技術(shù)來指導(dǎo)巷道維護，確保煤炭的安全生產(chǎn)[1]。由于錨桿支護經(jīng)濟效益顯著，勞動強度低，對破碎巖體的加固效果好，因而成為煤巷支護改革的發(fā)展方向，是煤礦實現(xiàn)高產(chǎn)高效生產(chǎn)必不可少的關(guān)鍵技術(shù)之一[3]。 關(guān)鍵詞：錨桿支護；支護理論；煤巷 1 引言 隨著礦井產(chǎn)量和效率的不斷提高，要求的巷道斷面越來越大，成巷速度越來越快，傳統(tǒng)的棚式支護越來越不能滿足生產(chǎn)需要。近年來，煤巷錨桿支護技術(shù)發(fā)展極為迅速。與棚式支架支護相比，錨桿支護顯著提高了巷道支護效果，降低了巷道支護成本，減輕了工人勞動強度。更重要的是，錨桿支護大大簡化了采煤工作面端頭支護和超前支護工藝，改善了作業(yè)環(huán)境，保證了安全生產(chǎn)，為采煤工作面的快速推進創(chuàng)造了良好條件。目前，錨桿支護技術(shù)已在國內(nèi)外得到普遍應(yīng)用，是煤礦實現(xiàn)高產(chǎn)高效生產(chǎn)必不可少的關(guān)鍵技術(shù)之一[16]。 從1996年開始，我國在引進、吸收、消化國外先進技術(shù)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國煤礦具體情況，經(jīng)過大規(guī)模研究和試驗，初步形成了適合我國煤礦條件的煤巷錨桿支護成套裝備和技術(shù)。放頂煤工作面沿底板掘進的頂煤巷道錨桿支護技術(shù)、沖擊地壓及破碎頂板錨桿支護技術(shù)等重點項目的順利完成，成功地解決了困難回采巷道支護問題，顯著擴大了錨桿支護的使用范圍。例如，邢臺礦區(qū)采用高強度錨桿支護系統(tǒng)和小孔徑錨索支護技術(shù)，有效地控制了頂煤巷道和復(fù)合頂板巷道圍巖的強烈變形，保持了巷道的穩(wěn)定性，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益；兗州礦區(qū)采用高強度錨桿支護系統(tǒng)成功地解決了頂煤巷道支護難題，不僅支護效果好，技術(shù)經(jīng)濟效益顯著，而且解決了以前采用棚式支架出現(xiàn)的煤層自燃等問題；新汶礦區(qū)沖擊地壓和破碎頂板條件下的巷道維護十分困難，采用高強度錨桿支護后，巷道圍巖的強烈變形得到有效控制，穩(wěn)定性得到可靠保證，而且顯著降低了巷道支護和維修費用。 1998年以來，煤巷錨桿支護技術(shù)又有了新的發(fā)展。例如，潞安常村煤礦采用新型的小孔徑樹脂注漿聯(lián)合錨固預(yù)應(yīng)力錨索和高強度錨桿組合支護系統(tǒng)，成功地支護加固了多條大斷面、圍巖松軟破碎、受地質(zhì)構(gòu)造和小煤柱影響的困難巷道，在沒有影響礦井正常生產(chǎn)的條件下，保證了巷道安全狀況，同時節(jié)約了大量支護費用；西山礦區(qū)在原有錨桿支護技術(shù)的基礎(chǔ)上，又與科研院所合作進行了全面、系統(tǒng)的開發(fā)研究，形成了西山礦區(qū)煤巷錨桿支護成套技術(shù)，解決了復(fù)合頂板巷道、近距離煤層巷道等多個支護難題，每年節(jié)約上千萬元的支護費用；陽泉礦區(qū)集中精力進行了綜采放頂煤回采巷道錨桿支護技術(shù)攻關(guān)，不僅圓滿解決了頂煤巷道支護難題，而且取消或簡化了工作面超前支護和端頭支護，顯著提高了采煤工作面的推進速度；兗州礦區(qū)采用高強度錨桿與錨索成功地支護了綜采放頂煤沿空掘巷支護難題，進一步擴大了錨桿支護技術(shù)的使用范圍。 錨桿支護作為一種有效的采準巷道支護方式，由于對巷道圍巖強度的強化作用，可顯著提高圍巖的穩(wěn)定性，加之具有支護成本較低、成巷速度快、勞動強度減輕、提高巷道斷面利用率、簡化回采面端頭維護工藝、明顯改善作業(yè)環(huán)境和安全生產(chǎn)條件等優(yōu)點，可提高礦井的經(jīng)濟效益，因而成為世界各國礦井巷道的一種主要支護形式，代表了煤礦巷道支護技術(shù)的主要發(fā)展方向[17]。 2 國內(nèi)外煤巷錨桿支護研究現(xiàn)狀 2.1國外錨桿支護研究現(xiàn)狀 自從19世紀末期英國北威爾士露天頁巖礦首次應(yīng)用錨桿加固邊坡起，錨桿支護方法逐漸被廣泛應(yīng)用于水利、交通、礦山等巖土工程領(lǐng)域，此后錨桿支護技術(shù)得以改進和提高，錨桿支護理論也不斷得到完善和發(fā)展。1912年，德國謝列茲礦最先將錨桿支護技術(shù)應(yīng)用于地下巷道的圍巖控制。20世紀40年代以后，錨桿支護技術(shù)發(fā)展迅速，現(xiàn)已成為世界主要產(chǎn)煤國家煤礦的主要支護形式。美國、澳大利亞因煤層賦存條件好，巷道全部采用錨桿支護，處于世界領(lǐng)先水平。歐洲一些主要產(chǎn)煤國家，過去巷道中主要采用金屬支架支護，隨著巷道維護日益困難和支護成本的增加，各國均在積極發(fā)展錨桿支護。英國是錨桿支護發(fā)展最快的國家之一，在20世紀八十年代以前，英國煤礦90%以上都采用金屬支架支護，由于回采工作面單產(chǎn)及效率低下，支護成本過高，造成嚴重虧損。1987年英國從澳大利亞引進了錨桿支護技術(shù)以后，煤巷錨桿支護得到了迅猛發(fā)展，1994年在巷道支護中的比重已達到80%以上。澳大利亞是世界主要產(chǎn)煤國之一，煤炭儲量極為豐富，位居美國、中國之后排世界第三位。其中使用最多的是樹脂錨桿，占錨桿使用量的98%。澳大利亞主要推廣全長樹脂錨桿，其錨桿強度較高，并且錨桿參數(shù)設(shè)計方法有獨到之處，將地質(zhì)調(diào)研、設(shè)計、施工、監(jiān)測、信息反饋等相互關(guān)聯(lián)、相互制約的各部分作為一個系統(tǒng)工程進行考察，使他們形成一個有機的整體，形成了錨桿支護設(shè)計的系統(tǒng)設(shè)計方法[15]。 總結(jié)國外的錨桿發(fā)展經(jīng)驗，主要有以下幾個特點： 1）發(fā)展適合本國巷道圍巖地質(zhì)及生產(chǎn)條件的錨桿類型。美國主要以樹脂錨桿、機械及摩擦式錨桿作為主要的適用類型。澳大利亞及英國則以全長樹脂錨桿作為主要發(fā)展方向，德國除了發(fā)展樹脂錨桿外，還大力發(fā)展可伸長錨桿。俄羅斯則是多種類型兼用。 2）國外錨桿日益朝著高強度及超高強度的方向發(fā)展。其主要有兩種發(fā)展途徑：一是研制強度較高和具有較好延伸率的錨桿材料。二是繼續(xù)加大錨桿直徑。 3）繼續(xù)完善錨桿施工配套機具也是促進各國錨桿技術(shù)發(fā)展的重要原因。掘錨一體機的發(fā)展為巷道掘進和錨桿施工創(chuàng)造了極為有利的條件。 4）建立一套適合自身條件的錨桿支護設(shè)計方法。目前，新奧法、收斂約束法在國際上較為流行，澳大利亞、英國等國家在充分考慮水平地應(yīng)力作用的條件下，采用了“地質(zhì)力學評估-計算機數(shù)值模擬進行初始設(shè)計-現(xiàn)場施工、監(jiān)測-信息反饋、修改完善設(shè)計”的設(shè)計方法。 5）完善錨桿支護監(jiān)測系統(tǒng)。錨桿支護是一種隱蔽性很強的工具，只有完善錨桿支護監(jiān)測系統(tǒng)才能保證錨桿支護巷道的安全可靠性。 2.2國內(nèi)錨桿支護研究現(xiàn)狀 我國的錨桿支護技術(shù)研究開始于1956年，至今已有50多年的歷史。60年代錨桿支護開始進入采區(qū)，由于煤層巷道圍巖松軟，受采動影響后圍巖變形量很大，對支護技術(shù)要求很高，加之錨桿支護理論及支護工具不夠完善，因而發(fā)展較慢。1995年國有重點煤礦當年新掘進巷道中錨桿支護所占比重為28.19%，其中巖巷占57.2%，半煤巷中占30.07%，煤巷中占15.15%。 我國的煤巷錨桿支護在發(fā)展工程中取得了以下寶貴的經(jīng)驗及成果： 1）錨桿研制方面積累了豐富的經(jīng)驗。能采用多種材料制作各種形式的適用于不同條件的錨桿。目前能夠生產(chǎn)出木錨桿、竹錨桿等，為擴大錨桿的應(yīng)用范圍提供了必要的基礎(chǔ)。 2）研究出了適用于不同圍巖條件的錨固方式，如端頭錨固、全長錨固等。 3）能夠根據(jù)不同的巷道類型采用不同的錨桿支護形式。當圍巖穩(wěn)定性類別為Ⅰ、Ⅱ類時，可用單錨。Ⅲ、Ⅳ類時采用組合錨桿，包括錨網(wǎng)梁組合支護和桁架錨桿組合支護等。Ⅴ類巷道可采用聯(lián)合支護，也可試驗高強、超高強錨桿支護系統(tǒng)。 4）錨桿施工機具不斷改進。機械化施工是提高錨桿支護效果和普及應(yīng)用程度的重要因素之一，是提高施工速度、保證工程質(zhì)量、減輕勞動強度以及改善勞動條件等有效途徑，因此，錨桿機具的改進一直受到重視，高新科技不斷得到應(yīng)用。 5）錨桿監(jiān)測技術(shù)得到了完善，頂板離層指示儀能夠測定錨桿錨固范圍以及離層情況，錨桿拉力計、托盤式壓力盒、傳感器以及空芯錨桿等可對錨桿錨固力及軸向力進行測量，為巷道錨桿支護設(shè)計提供了直接的依據(jù)。 2.3我國煤巷錨桿支護技術(shù)的發(fā)展過程 錨桿支護是我國煤巷支護技術(shù)改革的發(fā)展方向。實際應(yīng)用表明，與傳統(tǒng)的支護方式相比，錨桿支護在改善支護效果、降低支護成本、加快成巷速度、減輕勞動強度、提高巷道斷面利用率、簡化回采面端頭維護工藝等方面的優(yōu)越性十分突出，是煤礦發(fā)展高產(chǎn)高效生產(chǎn)必不可少的配套技術(shù)[13]。 我國煤巷錨桿支護技術(shù)發(fā)展大體上經(jīng)歷了四個階段： （1）80年代中后期的起步階段； （2）1991～1995年的攻關(guān)階段； （3）1996～1997年的引進和消化階段； （4）1998年至今的推廣和提高階段。 第一階段，主要進行一些基礎(chǔ)性的研究和試驗，煤巷錨桿支護的應(yīng)用主要集中在少數(shù)幾個礦區(qū)，如徐州、新汶、淮南、西山等。 第二階段，煤巷錨桿支護技術(shù)作為國家“八五”期間的重點項目進行攻關(guān)，取得了一大批科研成果，錨桿支護應(yīng)用范圍明顯擴大。 第三階段，引進國外技術(shù)，推動我國煤巷錨桿支護技術(shù)的發(fā)展和提高。在引進、吸收和消化的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國具體情況，集中現(xiàn)場、科研院所及大專院校等多方面的優(yōu)勢，經(jīng)過兩年大規(guī)模研究和試驗，初步形成了適合我國煤礦條件的煤巷錨桿支護成套技術(shù)。 第四階段，國內(nèi)各大礦區(qū)廣泛推廣應(yīng)用，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益。煤巷錨桿支護的比例已達到20%以上，少數(shù)礦區(qū)已超過50%，全國每年約有260 km 的煤巷采用錨桿支護。 2.4我國煤巷錨桿支護技術(shù)的基本特點 煤巷錨桿作為一項技術(shù)上先進、經(jīng)濟上合理的巷道支護技術(shù)，近幾年來在我國煤礦中得到廣泛應(yīng)用，并取得了極其顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益。據(jù)不完全統(tǒng)計，1995年國有重點煤礦當年新掘煤巷中錨桿支護比重僅為15.15%，而且主要使用在圍巖條件比較簡單的Ⅰ、Ⅱ類回采巷道，到1998年煤巷錨桿支護比重達到20%以上，而且逐漸推廣應(yīng)用到圍巖條件復(fù)雜的Ⅲ、Ⅳ類巷道，有些礦區(qū)已經(jīng)在破碎圍巖、全煤巷道以及深部沿空巷道等，復(fù)雜條件下的Ⅴ類巷道中，試驗成功了錨桿支護技術(shù)[14]。 煤巷錨桿支護屬于“主動”支護方式，有利于加固和提高圍巖強度，保持巷道圍巖的長期穩(wěn)定。與棚式支架相比，錨桿支護可以節(jié)約大量鋼材，降低支護成本；減少了由于支護材料運輸和裝卸支架的大量工作量，特別是減少了工作面上下出口處支架更替和超前維護工序，減輕了工人勞動強度，改善了作業(yè)環(huán)境，為回采工作面快速安全推進和實現(xiàn)高產(chǎn)高效創(chuàng)造了有利條件[12]。 縱觀我國煤巷錨桿支護技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，具有以下顯著特點。 1）先進科學的錨桿支護設(shè)計方法 在借鑒國外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國的具體情況，以地應(yīng)力現(xiàn)場實測值為基礎(chǔ)，總結(jié)研究出“地質(zhì)力學評估—初始設(shè)計—現(xiàn)場監(jiān)測—信息反饋—修改設(shè)計”的動態(tài)設(shè)計方法，開發(fā)了一套集地質(zhì)力學參數(shù)處理、有限差分數(shù)值模擬分析、利用現(xiàn)場監(jiān)測信息修改初始設(shè)計于一體的煤巷錨桿支護計算機輔助設(shè)計軟件，使錨桿參數(shù)設(shè)計科學合理，工程技術(shù)人員操作方便。 2）高強度組合式錨桿支護體系 表2.1 高強錨桿實測力學性能指標 錨桿類別 直 徑 屈服載荷 極限載荷 延伸率δ （mm） （kN） （kN） （%） 高 強 18 92.2 137.0 20.7 20 114.0 171.0 21.3 22 141.0 215.8 23.3 超 高 強 18 175.0 206.0 17.0 20 206.0 257.0 17.0 22 254.0 314.0 17.7 煤巷錨桿支護與傳統(tǒng)的巖巷錨噴支護體系有著本質(zhì)的不同，近幾年來之所以煤巷錨桿支護技術(shù)取得成功，就是因為對傳統(tǒng)的巖巷錨噴支護技術(shù)進行了徹底的改革。煤巷錨桿支護技術(shù)的主要特點是全長錨固的大桿徑、高強度組合式錨桿支護體系。高強度錨桿桿體系列見表2.1。由表2.1可見，超高強度的直徑22 mm錨桿桿體的破斷強度可達314 kN。 使用高強度螺紋鋼錨桿桿體，配合不同凝膠時間的系列化樹脂錨固劑（表2.2），可以實現(xiàn)錨桿桿體的全長錨固或加強錨固，使錨桿的錨固強度達到或超過錨桿桿體的極限強度，提高對巷道圍巖的加固效果。 表2.2 常用樹脂錨固劑技術(shù)特征 樹脂型號 特 性 凝膠時間（min） 攪拌時間（s） CK 超 快 0.5～1.0 10～15 K 快 速 1.0～2.5 15～20 Z 中 速 3～6 25～30 M 慢 速 15～30 >30 煤巷錨桿支護技術(shù)的另一特點是采用錨梁、錨網(wǎng)、錨背網(wǎng)、錨梁網(wǎng)等組合形式，把單一的錨桿組合成整體結(jié)構(gòu)，形成空間力系，對圍巖起到有效的整體加固作用。 3）基本配套的錨桿支護機具 隨著煤巷錨桿支護技術(shù)的不斷發(fā)展，與之相配套的錨桿鉆孔、安裝機具也得到了改進和完善。目前通用的單體錨桿鉆機有風動鉆機、液壓鉆機和電動鉆機，在不同條件下可以選擇不同類型的錨桿鉆機。從澳大利亞進口的風動錨桿鉆機結(jié)構(gòu)先進、系統(tǒng)效率高、輸出功率大，材質(zhì)好、重量輕、壽命長，能滿足煤礦生產(chǎn)的使用要求，但其價格昂貴，服務(wù)和配件供應(yīng)跟不上而逐漸在市場上失去優(yōu)勢。目前在國內(nèi)市場上銷量大、使用效果好的有石家莊煤礦機械廠生產(chǎn)的MFC型風動錨桿鉆機和煤科總院上海分院研制成功的MFT-3000型風動錨桿鉆機，其主要技術(shù)參數(shù)如表2.3所示。 表2.3 MFT-3000型風動錨桿鉆機技術(shù)參數(shù) 型 號 輸出功率 額定轉(zhuǎn)速 最大轉(zhuǎn)矩 額定轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)機重量 轉(zhuǎn)機高度 （kW） （r/min） （N·m） （N·m） （kg） （mm） MFT-300 242 350 150 60 37 1100～3200 4）可靠實用的安全監(jiān)測手段 錨桿支護屬于隱蔽性工程，設(shè)計不合理或者施工質(zhì)量不合要求，常常會造成頂板離層冒落，而且頂板冒落之前征兆不明顯，具有突發(fā)性，因此危害性十分嚴重。 為了確保錨桿支護巷道圍巖的長期穩(wěn)定，以及進一步分析研究錨桿對頂板巖層的有效控制作用，需要及時地對錨桿受力狀況與頂板動態(tài)進行監(jiān)測。 在煤巷錨桿支護技術(shù)發(fā)展過程中，也相應(yīng)地開發(fā)研究了可靠實用的安全監(jiān)測手段。按照不同用途可分為3類：第一類是用于監(jiān)測錨桿性能及安設(shè)質(zhì)量的錨桿拉力計；第二類是用于測量錨桿受力狀態(tài)的錨桿測力計；第三類是用于測量圍巖位移及離層狀況的頂板離層指示儀和多點位移計。在煤巷錨桿支護中采用這些安全監(jiān)測手段，對錨桿安裝施工質(zhì)量及巷道圍巖動態(tài)進行監(jiān)測，及時掌握巷道頂板下沉及離層狀況，發(fā)現(xiàn)異常及時采取處理措施，確保了錨桿支護效果及安全可靠性。 5）煤巷錨桿支護技術(shù)的改進途徑 （1）提高錨桿初錨力是改善錨桿支護效果的重要途徑。據(jù)有關(guān)資料介紹，國外煤巷錨桿初錨力高達100 kN以上（為錨桿極限載荷的50%以上），而我國煤巷錨桿螺母多為人工操作，一般初錨力為30 kN以下（為錨桿極限載荷的20%左右）。由于初錨力過小，對圍巖的加固效果降低，不利于巷道圍巖的長期穩(wěn)定。 （2）采用小孔徑錨索是加強錨固效果的有效措施。在頂板巖層比較破碎的條件下，必須采用小孔徑錨索技術(shù)，對頂板巖層進行有效加固，保持頂板巖層的長期穩(wěn)定。我國研制成功的小孔徑樹脂錨固的錨索技術(shù)已經(jīng)在很多礦區(qū)得到廣泛采用，對破碎頂板加固效果顯著。 （3）加強巷道煤幫支護是維持巷道圍巖穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)。煤巷兩幫煤體一般比較松散破碎，如果兩幫支護不力，常引起兩幫煤體松動片落，使懸頂面積擴大，最終導(dǎo)致頂板的破壞甚至冒落。因此，必須采取強有力的措施加強對巷道煤幫的支護，采用強力錨桿，配合網(wǎng)、梁形成有機的整體支護是非常有效的護幫措施。在采煤機切割的一側(cè)煤幫最好采用可切割的錨桿（如玻璃鋼錨桿），但錨桿的極限錨固力必須達到50 kN以上。 （4）開發(fā)推廣高強錨桿是改善煤巷錨桿支護效果的有效方法。一般地螺紋鋼錨桿加工時采用先車后滾絲的工藝，螺紋處的桿體強度損失20%左右。使用這類錨桿支護頂板，當巷道頂板受動壓或沖擊地壓影響時，往往在螺紋部位突然斷裂而使錨桿體失效。因此，應(yīng)采取措施提高螺紋部位的強度，使錨桿在整體上具有等強性，就可以充分發(fā)揮錨桿的整體支護作用，提高錨桿對頂板的支護效果。 （5）加強頂板動態(tài)檢測監(jiān)控是確保煤巷錨桿支護安全，改善錨桿支護效果的重要手段。根據(jù)國外經(jīng)驗要制定相應(yīng)的檢測監(jiān)控規(guī)范，對錨桿支護狀態(tài)下的巷道頂板進行有效監(jiān)控，及時提供巷道圍巖變形數(shù)據(jù)，一方面可以分析圍巖動態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常及時采取加強支護措施；另一方面應(yīng)及時反饋信息，修改初始設(shè)計參數(shù)，使巷道錨桿支護參數(shù)選擇更加科學合理。 3 煤巷錨桿支護技術(shù) 3.1錨桿支護理論 錨桿支護與傳統(tǒng)的支護形式有著本質(zhì)的區(qū)別，它是一種積極主動的支護式。其實質(zhì)是把支護與圍巖看作一個整體，利用圍巖自身的相互作用能力承受上部壓力，為支護提供及時的支護抗力，使圍巖由雙向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為三向應(yīng)力狀態(tài)。錨桿支護提高并加固了圍巖的強度，使圍巖的應(yīng)力圓直徑減少，使圍巖的穩(wěn)定性和自承能力提高。錨桿支護通過有限制的變形、位移和一定范圍的塑性區(qū)，調(diào)整圍巖應(yīng)力分布和支護抗力的大小，從而達到支護的技術(shù)經(jīng)濟合理化。而傳統(tǒng)支護形式則是用承載結(jié)構(gòu)支承地層壓力，是一種消極的、被動的支護形式，圍巖的位移小而支護材料承受的壓力大。這就要求所用的支護材料強度高，當承載壓力過大時易造成支護的破損而失去支護作用。 完善的錨桿支護理論是正確設(shè)計錨桿支護參數(shù)的基礎(chǔ)，隨著煤巷錨桿支護技術(shù)在我國的應(yīng)用，近年來，錨桿支護理論研究有了進一步的發(fā)展，基于高預(yù)應(yīng)力錨桿的應(yīng)用，本文提出了基于高水平地應(yīng)力的“剛性”梁理論及基于高垂直地應(yīng)力的“剛性”墻理論。 3.1.1現(xiàn)有錨桿支護理論 1）懸吊理論 懸吊理論對錨桿支護機理作出了最樸素的解釋：錨桿的作用在于將下位松軟巖層或破碎巖層懸吊于上位堅硬巖層。 對于在巷道頂板一定范圍內(nèi)存在堅硬巖層時，采用懸吊理論進行錨桿支護設(shè)計是完全可行的，也是最簡單、最經(jīng)濟的方法[9]。 2）組合梁理論 組合梁理論是從經(jīng)典的材料力學中借用而來的。在美國七十年代無拉力全長膠結(jié)錨桿盛行時，組合梁理論被廣泛用來解釋錨桿的支護機理，其主要要點是：錨桿將各個薄的巖石分層貫穿在一起形成一個厚的組合梁，薄的巖石分層能獨立抗拒的拉應(yīng)力較小，而厚的組合梁抗拉強度大大提高[9]。在錨桿與巖石層面橫交處，錨桿與膠結(jié)物一起共同阻止巖層沿層理面的水平錯動。材料力學中的組合梁理論本身不考慮水平側(cè)壓的影響，而只考慮垂直載荷。 3）組合拱理論 組合拱理論認為：在拱形巷道圍巖的破裂區(qū)中安裝預(yù)應(yīng)力錨桿時，在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應(yīng)力，如果沿巷道周邊布置錨桿群，只要錨桿間距足夠小，各個錨桿形成的壓應(yīng)力圓錐體將相互交錯，就能在巖體中形成一個均勻的壓縮帶，即承壓拱（亦稱組合拱或壓縮拱），這個承壓拱可以承受其上部破碎巖石施加的徑向載荷[9]。在承壓拱內(nèi)的巖石徑向及切向均受壓，處于三向應(yīng)力狀態(tài)，其圍巖強度得到提高，支撐能力也相應(yīng)加大。因此，錨桿支護的關(guān)鍵在于獲取較大的承壓拱厚度和較高的強度，其厚度越大，越有利于圍巖的穩(wěn)定和支撐能力的提高。 組合拱理論在一定程度上揭示了錨桿支護的作用原理，在巖石或煤層拱形巷道中可以作為錨桿支護參數(shù)的設(shè)計依據(jù)。 4）圍巖松動圈支護理論 圍巖松動圈理論認為： （1）地應(yīng)力與圍巖相互作用會產(chǎn)生圍巖松動圈； （2）松動圈形成過程中產(chǎn)生的碎脹力及其所造成的有害變形是巷道支護的主要對象，松動圈尺寸越大，巷道收斂變形也越大，支護越困難。 （3）依據(jù)松動圈的大小采用不同的原理設(shè)計錨桿支護。小松動圈（0～40 cm）采用噴射混凝土支護即可；中松動圈（40～150 cm）采用懸吊理論設(shè)計錨桿支護；大松動圈（>150 cm）采用組合拱原理設(shè)計錨桿支護參數(shù)。巷道支護圍巖松動圈分類見表3.1。 由于圍巖松動圈是隨著時間、巷道支護形式及支護強度的變化而變化，并且在同一斷面上由于巖性的差異，圍巖松動圈的大小也是不一樣的。所以，在復(fù)雜條件下圍巖松動圈理論（如煤巷、軟巖巷道）并沒有得到應(yīng)用。松動圈支護理論對于錨桿支護的指導(dǎo)作用主要在于確定普通錨桿（如普通圓鋼錨桿、水泥藥卷錨桿等等）的適用條件和范圍[4]。 表3.1 巷道支護圍巖松動圈分類表 圍巖類別 分類名稱 圍巖松動圈Lp（cm） 支護機理及方式 備注 小松動圈 Ⅰ 穩(wěn)定圍巖 0～40 噴混凝土支護 圍巖整體性好，不易風化的可不支護 中松動圈 Ⅱ 較穩(wěn)定圍巖 40～100 錨桿懸吊理論 噴層局部支護 - Ⅲ 一般圍巖 100～150 錨桿懸吊理論 噴層局部支護 剛性支護有局部破壞 大松動圈 Ⅳ 一般不穩(wěn)定圍巖（軟巖） 150～200 錨桿組合拱理論 噴層金屬網(wǎng)局部支護 剛性支護大面積破壞，采用可縮性支護 Ⅴ 不穩(wěn)定圍巖 （較軟圍巖） 200～300 錨桿組合拱理論 噴層金屬網(wǎng)局部支護 圍巖變形有穩(wěn)定期 Ⅵ 極不穩(wěn)定圍巖 （極軟圍巖） >300 待定 圍巖變形一般在支護下無穩(wěn)定期 5）最大水平地應(yīng)力理論 自從八十年代以來，水平應(yīng)力對巷道穩(wěn)定性的影響已經(jīng)引起了人們的普遍關(guān)注。澳大利亞W.Gale博士，通過數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場觀測，得到了水平應(yīng)力對巷道穩(wěn)定性的最基本的認識：巷道軸向與最大主應(yīng)力方向平行時，巷道受水平應(yīng)力的影響最??；二者垂直時，巷道受水平應(yīng)力的影響最大；二者呈一定夾角時，巷道其中一側(cè)會出現(xiàn)水平應(yīng)力集中而另一側(cè)應(yīng)力較低，因而頂?shù)装宓淖冃螘蛳锏赖哪骋粋?cè)[2]。并提出在最大水平地應(yīng)力的作用下，頂?shù)装鍘r層易于發(fā)生剪切破壞，出現(xiàn)錯動與松動而造成圍巖變形，錨桿的作用即是約束其沿軸向巖層膨脹和垂直于軸向的巖層剪切錯動，因此要求錨桿必須具有強度大、剛度大、抗剪切阻力大的特點才能起到約束圍巖變形的作用。所以，澳大利亞錨桿支護特別強調(diào)錨桿高強及全長膠結(jié)。 3.1.2錨桿支護新理論 根據(jù)垂直地應(yīng)力與水平地應(yīng)力的關(guān)系，可以將地層的應(yīng)力狀態(tài)分為四種情況：即 ① 高水平應(yīng)力狀態(tài)： ② 低水平應(yīng)力狀態(tài)： ③ 正常水平應(yīng)力狀態(tài)： ④ 靜水應(yīng)力狀態(tài)： 相同的巖體，在不同的應(yīng)力狀態(tài)及開挖環(huán)境下所表現(xiàn)出的力學響應(yīng)是不相同的，所以，錨桿支護參數(shù)的設(shè)計必須根據(jù)不同的地應(yīng)力特征而選擇不同的錨桿支護理論。 1）基于高水平地應(yīng)力狀態(tài)的“剛性”梁理論 近幾十年來，美國、澳大利亞、英國等國家的地應(yīng)力觀測結(jié)果表明：水平最大應(yīng)力通常是垂直應(yīng)力的1.25～2.5倍，水平應(yīng)力的大小、方向主要取決于地球板塊之間的運動，而與垂直應(yīng)力沒有直接關(guān)系。我國一些礦區(qū)的地應(yīng)力測試結(jié)果表明，大部分礦區(qū)的地應(yīng)力是以水平地應(yīng)力為主的，如金川，大同、邢臺、峰峰、鶴壁、新汶、兗州等等。所以，在這種情況下水平地應(yīng)力才是控制巷道穩(wěn)定性的主要因素，煤巷錨桿支護的理論與設(shè)計方法必須充分考慮水平地應(yīng)力的影響。 在美國，由于使用無拉力全長膠結(jié)錨桿的巷道冒頂現(xiàn)象仍然不斷發(fā)生，于是人們試圖從改變錨桿結(jié)構(gòu)入手解決巷道冒頂問題，其中最重要的一點就是使用抗摩擦塑料墊圈。這一改進使得實現(xiàn)頂板錨桿高預(yù)拉力成為可能，美國礦山巷道錨桿的預(yù)應(yīng)力一般為10 kN左右，可以達到錨桿桿體本身屈服強度的50%～75%。實踐證明，在美國，高預(yù)拉力錨桿的使用提高了復(fù)雜頂板條件下的頂板穩(wěn)定性，大大降低了冒頂事故。盡管高預(yù)拉力錨桿在美國使用已有相當一段歷史并取得極佳的技術(shù)經(jīng)濟效果，但直至幾年前人們對其作用機理還缺乏認識，特別是還沒有一個科學的設(shè)計依據(jù)去確定錨桿參數(shù)。 美國J.Stankus和SongGuo系統(tǒng)地研究了水平地應(yīng)力對巷道穩(wěn)定性的影響，認為水平地應(yīng)力是造成巷道頂板離層跨落、底板鼓起的主要原因，但可以通過提高巷道頂板錨桿預(yù)應(yīng)力，將水平地應(yīng)力的消極影響變?yōu)榉e極的作用，從而極大地提高巷道的穩(wěn)定性，并開始在錨桿支護設(shè)計中考慮錨桿預(yù)應(yīng)力的影響。中國學者朱浮聲、鄭雨天的研究表明：當錨桿預(yù)應(yīng)力達到60～70 kN時，就可以有效控制巷道頂板的下沉量，并可以加大錨桿的間排距。 基于大量采用高預(yù)拉力錨桿的成功實踐經(jīng)驗，作者提出了關(guān)于基于高水平地應(yīng)力的錨桿“剛性”梁支護理論。 2）基于垂直地應(yīng)力的錨桿支護理論 “剛性”墻理論長期以來，人們普遍認為水平地應(yīng)力一般小于垂直地應(yīng)力，并把垂直地應(yīng)力作為控制巷道圍巖穩(wěn)定性的主要因素。事實上，我國一些礦區(qū)或者同一礦區(qū)的不同深度的地層應(yīng)力是以垂直地應(yīng)力為主的，如新汶礦務(wù)局的華豐煤礦。基于對高預(yù)拉力錨桿作用的認識，作者提出了基于垂直地應(yīng)力的錨桿支護理論——“剛性”墻理論，其基本內(nèi)容如下： （1）在垂直地應(yīng)力的作用下，巷道兩幫成為薄弱環(huán)節(jié)，所以兩幫錨桿預(yù)拉力（或稱初撐力）的大小對整個巷道的穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用。當預(yù)拉力大到一定程度時，使巷道兩幫形成“剛性”墻，提高了巷道兩幫的剛度與承載能力，“剛性”墻的存在形成了垂直地應(yīng)力的轉(zhuǎn)移“通道”，使巷道頂板成為一個免壓區(qū)，保護巷道頂板不受垂直壓力的破壞，如圖3.1。 圖3.1 垂直地應(yīng)力在巷道兩幫形成的應(yīng)力“通道” （2）在垂直應(yīng)力占主導(dǎo)地位的情況下，與高水平地應(yīng)力的情況下“先控頂，后護幫”的支護理念相比，當垂直地應(yīng)力成為控制巷道穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素時，巷道的支護原則是“先護幫，后控頂”。 （3）“剛性”墻的存在，降低了巷道頂板的有效跨度，從而提高了巷道頂板的承載能力，減少了巷道頂板離層冒頂?shù)目赡苄浴? 3）基于低水平地應(yīng)力的“冒落”拱或組合拱理論 由于高地應(yīng)力引起的嚴重工程問題已引起地下采礦工作者的重視，高地應(yīng)力問題及其對地下工程穩(wěn)定性的影響已有深入的研究，但由此對地應(yīng)力的評價也會引起一些誤解，認為地應(yīng)力越低越好，而實際上，巷道圍巖受壓破壞僅是巖石的一種破壞形式，沿結(jié)構(gòu)面的剪切滑移及張拉破壞也是其重要的破壞形式。在低水平地應(yīng)力狀態(tài)下，松散結(jié)構(gòu)或碎裂結(jié)構(gòu)巖體在巷道開挖過程中就容易引起冒頂，所以，在這種情況下，采用錨桿支護往往在施工過程中就非常困難，此時需要采用“冒落”拱理論或組合拱理論進行錨桿支護參數(shù)設(shè)計，可參閱有關(guān)文獻。即使可以采用錨桿支護，在煤巷支護中亦應(yīng)該采用小斷面，以利于組合拱的形成。 3.2錨桿支護作用機理 錨桿支護作用機理研究的目的是弄清錨桿（錨索）與圍巖之間的相互作用關(guān)系，為錨桿支護設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的懸吊、組合梁、加固拱等錨桿支護理論在生產(chǎn)實踐中起到積極的作用，但具有一定的局限性。本文在井下實測、數(shù)值計算等研究成果的基礎(chǔ)上，深入研究了錨桿支護作用機理，有以下認識[11]： 1）錨桿可不同程度地提高錨固區(qū)煤巖體強度、彈性模量、粘聚力和內(nèi)摩擦角等力學參數(shù)。但對于中等強度以上巖石，錨桿對巖石破壞前的強度和變形影響不大；對于強度較低的煤體，錨桿在煤體破壞前對其強度有比較明顯的影響。錨桿的主要作用是改善發(fā)生塑性變形和破碎煤巖的力學性質(zhì)，顯著提高其屈服后的強度，改變屈服后煤巖變形特性。 2）錨桿對節(jié)理、層理、裂隙等不連續(xù)面的本質(zhì)作用在于：通過錨桿提供的軸向力與切向力，提高不連續(xù)面的抗剪強度，阻止不連續(xù)面產(chǎn)生離層與滑動。通過提高結(jié)構(gòu)面的強度，提高節(jié)理煤巖體的整體強度、完整性與穩(wěn)定性。 3）通過錨桿給圍巖施加一定的壓應(yīng)力，可以改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)。對于受拉區(qū)域，可抵消部分拉應(yīng)力，提高圍巖抗拉能力；對于受剪區(qū)域，通過壓應(yīng)力產(chǎn)生的摩擦力，提高圍巖的抗剪能力。 4）錨桿支護主要作用在于控制錨固區(qū)圍巖的離層、滑動、張開裂隙等擴容變形與破壞，在錨固區(qū)內(nèi)形成次生承載層，最大限度地保持錨固區(qū)圍巖的完整性，避免圍巖有害變形的出現(xiàn)，提高錨固區(qū)圍巖的整體強度和穩(wěn)定性。為此，應(yīng)采用高強度、高剛度錨桿組合支護系統(tǒng)。高強度要求錨桿具有較大的破斷力，高剛度要求錨桿具有較大的預(yù)緊力并實施加長或全長錨固，組合支護要求采用鋼帶、金屬網(wǎng)等護表構(gòu)件。應(yīng)盡量一次支護有效控制圍巖變形，避免二次支護和巷道維修。 5）鋼帶可擴大錨桿作用范圍，使載荷趨于均勻，共同形成組合支護系統(tǒng)，提高整體支護能力。對巷道表面提供支護，改善頂板應(yīng)力狀態(tài)，減少巖層彎曲引起的拉伸破壞。 6）錨索的作用主要是將錨桿支護形成的次生承載層與圍巖的關(guān)鍵承載層相連，充分調(diào)動深部圍巖的承載能力，使更大范圍內(nèi)的巖體共同承載，提高支護系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。 3.3錨桿支護設(shè)計方法 現(xiàn)有的錨桿支護設(shè)計方法很多，如基于以往經(jīng)驗和圍巖分類的經(jīng)驗設(shè)計法，基于某種假說和解析計算的理論設(shè)計法，以現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的監(jiān)控設(shè)計法。大量實踐經(jīng)驗證明，單獨采用任何一種方法都不符合巷道圍巖復(fù)雜性和多變性的特點，因而設(shè)計效果不夠理想。在多年錨桿支護實踐經(jīng)驗基礎(chǔ)上，根據(jù)煤巷特點，借鑒國外先進技術(shù)經(jīng)驗，我國提出了錨桿支護設(shè)計的動態(tài)信息法[6]。 3.3.1動態(tài)信息設(shè)計法簡介 動態(tài)信息設(shè)計法具有兩大特點：其一，設(shè)計不是一次完成的，而是一個動態(tài)過程；其二，設(shè)計充分利用每個過程中提供的信息。該設(shè)計方法包括五部分：試驗點調(diào)查和地質(zhì)力學評估；初始設(shè)計；井下監(jiān)測；信息反饋和修正初始設(shè)計；日常監(jiān)測[10]。其中，試驗點調(diào)查包括圍巖強度、圍巖結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力及錨固性能測試等內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上進行地質(zhì)力學評估和圍巖分類，為初始設(shè)計提供可靠的參數(shù)。初始設(shè)計采用數(shù)值計算和經(jīng)驗法相結(jié)合的方法進行，根據(jù)巷道生產(chǎn)條件、技術(shù)要求及實測數(shù)據(jù)確定出比較合理的初始設(shè)計。然后將初始設(shè)計實施于井下，進行詳細的圍巖位移和錨桿受力監(jiān)測。 根據(jù)監(jiān)測結(jié)果驗證或修正初始設(shè)計。正常施工后還要進行日常監(jiān)測，保證巷道安全。 3.3.2試驗點調(diào)查和地質(zhì)力學評估 試驗點調(diào)查和地質(zhì)力學評估是在現(xiàn)場進行巷道圍巖地質(zhì)力學測試基礎(chǔ)上進行的，包括以下幾方面： 1）巷道圍巖巖性和強度：煤層厚度、傾角、抗壓強度、節(jié)理、裂隙分布情況；巷道頂?shù)装鍘r層分布，巖層強度； 2）地質(zhì)構(gòu)造和圍巖結(jié)構(gòu)：巷道周圍比較大的地質(zhì)構(gòu)造，如斷層、褶曲等的分布，對巷道的影響程度；圍巖中不連續(xù)面的分布狀況，如分層厚度和節(jié)理裂隙間距大小，不連續(xù)面的力學特性等； 3）地應(yīng)力：包括垂直和兩個水平主應(yīng)力，其中最大水平主應(yīng)力的方向和劃測錨桿支護設(shè)計尤為重要； 4）環(huán)境影響：水文地質(zhì)條件，涌水量，水對圍巖強度的影響，瓦斯涌出量大小，巖石的風化性質(zhì)等； 5）粘結(jié)強度測試：采用錨桿拉拔計確定樹脂錨固劑的粘結(jié)強度，該測試工作必須在井下施工之前進行完畢；測試應(yīng)采用施工中所用的錨桿和樹脂藥卷，分別在巷道頂板和兩幫設(shè)計錨固深度上進行三組拉拔試驗，粘結(jié)強度滿足設(shè)計要求后方可在井下施工中采用。 3.3.3初始設(shè)計 如果原巷道斷面不適合錨桿支護，必須重新設(shè)計。斷面設(shè)計除考慮錨桿支護效果外，還應(yīng)考慮運輸設(shè)備尺寸、通風條件、巷道變形預(yù)留量等因素。 錨桿支護初始設(shè)計采用數(shù)值計算方法。效果較好的軟件有有限差分軟件FLAC和離散單元法軟件UDEC。設(shè)計步驟如下：根據(jù)巷道圍巖條件建立合理的數(shù)值計算模型；分析巷道圍巖變形和破壞的特征；分析錨桿支護各個參數(shù)對巷道圍巖變形和破壞的影響，進行參數(shù)敏感性分析，包括錨桿長度、直徑，錨桿間排距等；確定出技術(shù)和經(jīng)濟上最優(yōu)的錨桿支護方案，即為初始設(shè)計。 圖3.2、圖3.3、圖3.4是潞安五陽煤礦一煤頂巷道錨桿支護數(shù)值計算結(jié)果。分析這些曲線就可得出合理的支護方案。錨桿支護初始設(shè)計采用數(shù)值計算方法，顯著提高了設(shè)結(jié)果的全面性、合理性、可靠性和可視性。 圖3.2 錨桿根數(shù)與頂板下沉量的關(guān)系 圖3.3 錨桿直徑與頂板下沉量的關(guān)系 圖3.4 錨桿排距與頂板下沉量的關(guān)系 3.3.4井下監(jiān)測 初始設(shè)計實施于井下后，必須進行全面系統(tǒng)的監(jiān)測，這也是動態(tài)信息法中的一項主要內(nèi)容。監(jiān)測的目的是獲取巷道圍巖和錨桿的各種變形和受力信息，以便分析巷道的安全程度和修正初始設(shè)計。井下監(jiān)測主要有以下幾方面內(nèi)容： 1）圍巖位移：包括巷道表面位移（包括頂?shù)装逑鄬σ平?，頂板下沉量，底鼓量，兩幫相對移近量，幫位移量等）和巷道頂板離層及深部位移（包括錨固區(qū)內(nèi)離層值和錨固區(qū)外離層值，巷道圍巖深部位移指圍巖不同深度的位移值）； 2）錨桿受力：對于全長錨固錨桿，測量沿錨桿方向上的受力分布；對于端錨錨桿，可在孔口測量錨桿的工作阻力。 3.3.5信息反饋和修正初始設(shè)計 根據(jù)井下監(jiān)測信息驗證和修改初始設(shè)計，使其趨于更加合理。例如，當錨固范圍內(nèi)的離層值大于設(shè)計值時，說明錨桿支護強度偏小，應(yīng)加密或加粗錨桿；當錨固區(qū)外圍巖離層值較大時，表明錨桿長度偏小，應(yīng)適當增加錨桿長度或補打錨索。 3.4錨桿支護監(jiān)測技術(shù) 礦壓監(jiān)測是錨桿支護成套技術(shù)的一項重要內(nèi)容。錨桿支護實施于井下，應(yīng)對圍巖變形狀況、錨桿（索）受力分布和大小進行全方位監(jiān)測，以獲得支護體和圍巖的位移和應(yīng)力信息，從而判斷錨桿支護初始的合理性和可靠性、巷道圍巖的穩(wěn)定程度和安全性進而根據(jù)監(jiān)測信息修改初始設(shè)計，使其逐步趨于合理。井下監(jiān)測一般分為綜合監(jiān)測和日常監(jiān)測，前者用于驗證和修改初始設(shè)計，后者保證巷道的安全狀況。近年來，針對煤巷錨桿支護特點開發(fā)子多種性能優(yōu)越的測試儀器，有些儀器已廣泛使用于井下巷道，獲得了寶貴數(shù)據(jù)。錨桿支護綜合監(jiān)測內(nèi)容如表3.2所列。 表3.2 巷道綜合監(jiān)測內(nèi)容 序 號 項 目 內(nèi) 容 1 巷道表面位移 巷道頂?shù)装?、兩幫相對移進量，頂板下沉量，底鼓量 2 頂板離層 錨固區(qū)內(nèi)外頂板巖層位移 3 錨桿受力 全錨錨桿受力分布，端錨錨桿受力 4 錨索受力 頂板錨索受力 5 巷道斷面收縮率 及破壞狀況統(tǒng)計 統(tǒng)計錨桿支護巷道斷面收縮率及破壞狀況 3.4.1巷道表面位移 巷道表面位移是最基本的監(jiān)測內(nèi)容。一般采用十字布點法安設(shè)表面位移監(jiān)測斷面，在頂?shù)装逯胁看怪狈较蚝蛢蓭退椒较虬惭b測點；采用測槍、收斂計和測尺等工具測讀頂?shù)装逡平?，兩幫移近量，頂板下沉和幫位移量[7]。 3.4.2頂板離層 采用頂板離層指示儀測試頂板巖層錨固范圍內(nèi)外位移值。我國多家單位開發(fā)研制了頂板離層指示儀。這種儀器的主要特點是結(jié)構(gòu)簡單，測讀方便，顯示直觀。離層指示儀的結(jié)構(gòu)和安裝如圖3.5所示，主要由基點錨頭、測繩、套管、外測筒與內(nèi)測筒組成。其主要技術(shù)特征是：測量方式，反光彩色顯示與測尺讀數(shù)；測量點數(shù)2個；最大量程200 mm；讀值精度1 mm。 井下安裝時，深基點錨頭應(yīng)固定在穩(wěn)定巖層內(nèi)，淺基點固定在錨桿端部位置。當錨桿錨固范圍內(nèi)有離層時，頂板（套管）沿外側(cè)筒向下移動，移動量由測筒標尺指示；當錨固范圍外頂板離層時，外測筒與頂板相對位置不變，但沿內(nèi)測筒向下滑動，表明頂板有離層，離層量由內(nèi)測筒標尺指示；當錨桿錨固范圍內(nèi)、外都有離層時，內(nèi)外測筒分別有離層顯示，其示值之和為總離層值。 圖3.5 DY-3型頂板離層指示儀結(jié)構(gòu)與安裝 1―基點錨頭；2―測繩；3―套筒；4―外測筒；5―內(nèi)測箱；6―頂板 3.4.3錨桿（索）受力 錨桿受力監(jiān)測有兩種形式，一種是測量端部錨固錨桿（索）工作阻力的錨桿測力計，如KS型錨桿測力計、M90A型錨桿測力計、YGS200／300型錨桿測力計等。另一種是測量加長錨固、全長錨固錨桿受力分布的測力錨桿。我國科研院所和大專院校已經(jīng)研制出數(shù)種測力錨桿，該儀器主要包括測力錨桿、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀與轉(zhuǎn)換開關(guān)。在井下使用時，它同普遍錨桿一樣，安設(shè)在需要測量的普通錨桿的設(shè)計位置上（圖3.6）。每次測量時，將測力錨桿與防爆靜態(tài)電阻應(yīng)變儀連接，讀出不同位置應(yīng)變片的應(yīng)變值。錨桿支護正常施工后，還要進行日常監(jiān)測，確保巷道的安全狀態(tài)。頂板離層指示儀除作綜合監(jiān)測外，還用作日常監(jiān)測。巷道每隔25 m～30 m，安設(shè)一個頂板離層指示儀。在距掘進工作面30 m內(nèi)，觀測離層值。30 m以外，除非離層松動仍有明顯增長的趨勢，一般可停止測讀具體數(shù)據(jù)，改為觀察兩個刻度墜的顏色。應(yīng)隨時注意觀察離層儀，以便及早發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，確保安全。 圖3.6 CM200型測力錨桿安裝和測量示意圖 1―測力錨桿；2―普通錨桿；3―靜態(tài)電阻應(yīng)變儀；4―多通道轉(zhuǎn)換開關(guān)；5―安裝攪拌接頭 3.5特種錨桿與錨索支護技術(shù) 對于軟弱破碎、高地應(yīng)力、大斷面等巷道和硐室，它們共同的特點是圍巖自穩(wěn)時間短、變形強烈，僅采用常規(guī)的錨桿支護很難達到有效的支護效果，而且支護和維修費用極高，影響礦井的正常生產(chǎn)。為此，開發(fā)研制了一系列對付這些困難工程的支護技術(shù)。 3.5.1特種錨桿 1）注漿錨桿 錨桿與注漿都是地下巷道工程圍巖加固的基本形式。如果利用錨桿兼作注漿管對巷道圍巖進行注漿，一方面可加固巷道周邊的破裂巖體，提高圍巖的自承能力；另一方面，可改善破裂巖體的結(jié)構(gòu)及其力學性能，為錨桿提供可錨的物質(zhì)基礎(chǔ)，最大限度地發(fā)揮錨桿的錨固作用[5]。所以，如何把錨桿支護與注漿加固有機地結(jié)合起來，取得巷道圍巖加固的最佳效果，一直是人們所努力的目標。前蘇聯(lián)、德國等在20世紀80年代就采用空心圓管作為錨桿對圍巖實施注漿，國內(nèi)有些單位也開發(fā)了注漿錨桿。 圖3.7是一種內(nèi)錨外注式錨桿。該錨桿分為三個部分，每段有一擋環(huán)隔開。 （1）錨固段，可增大端頭錨固力； （2）注漿段，布有出漿孔若干，作為注漿時出漿用； （3）封孔段，錨桿的注漿封孔采用橡膠圈（或軟木塞、或快速凝結(jié)劑）配合噴射混凝土來實現(xiàn)。 在支護初期，該錨桿為端錨（或近似全長錨固）錨桿，可作為普通錨桿使用。錨桿錨固以后，在錨桿端頭套上楔形環(huán)狀軟木塞或橡膠圈，再上托盤，最后擰緊螺母，軟木塞或橡膠圈在擋環(huán)和托盤的擠壓下與鉆孔孔壁壓緊，起到封孔作用，最后噴射混凝土，增加封孔的效果及支護效果，使封孔問題變得非常簡單。 當巷道變形量達到一定數(shù)值時，即在巷道周邊形成一定的松動破裂范圍時，再對巷道圍巖實施注漿，既能使巷道圍巖得到充分卸壓，又使注漿變得容易，達到最佳的支護效果。同時，安裝錨桿與注漿分為兩個工序進行，互不干擾，不影響巷道的掘進速度。 圖3.7 內(nèi)錨外注式注漿錨桿 1―噴層；2―螺母；3―托板；4―環(huán)狀塞；5―擋環(huán)；6―桿體；7―出漿孔；8―錨固劑 2）自鉆注漿錨桿和接長錨桿 在德國和英國等國家，開發(fā)了自鉆注漿錨桿，它將鉆孔、注漿和錨固三個功能集于一體。在井下使用時，第一步，該錨桿用作鉆桿，錨桿桿體頭部配一鉆頭，尾部用連接器與鉆機連接；第二步，錨桿用作注漿管，鉆機連接套由注漿連接套代替，錨桿就像傳統(tǒng)的注漿管一樣，將樹脂、水泥漿等送人鉆孔中，實施全長或加長錨固。 德國生產(chǎn)的自鉆注漿錨桿，桿體由高質(zhì)量無縫鋼管制成，左旋螺紋熱軋于整個桿體，保證力的可靠傳遞。在施工的每個環(huán)節(jié)，都可方便、快速地將其他部件擰在桿體螺紋上，同時采用連接套，可將幾根桿體連接在一起。自鉆注漿錨桿的其他部件還有鉆機連接套、注漿連接套、堵漿器、托盤、螺母和硬質(zhì)合金鉆頭等。 該種錨桿的應(yīng)用范圍為：在沒有固結(jié)的巖石中，或在巖石異常破碎的斷層泥中，打穩(wěn)定的鉆孔非常困難。在這種條件下，先鉆孔后安裝錨桿是不可能的。一旦鉆桿抽出，鉆孔就會塌落。采用這種錨桿，由于錨桿即為鉆桿，所以沒有必要先鉆一穩(wěn)定的鉆孔。這種錨桿也非常適合軟巖巷道底鼓的治理。 接長錨桿采用連接套將兩根或多根錨桿桿體連接在一體，以增大錨桿長度。常用錨桿的長度一般小于2.5 m。單根錨桿太長，加工、運輸和井下施工都很不方便，在巷道斷面比較小的情況下尤為突出。接長錨桿的關(guān)鍵部件是連接套，一方面要求它的強度應(yīng)與桿體匹配，另一方面其直徑不能太大，否則要求鉆孔直徑大，對錨桿錨固不利。接長錨桿在英國、德國和我國的一些礦區(qū)得到應(yīng)用，在頂煤巷道、復(fù)合和破碎頂板巷道等圍巖破壞范圍較大的條件下，取得較好的支護效果。 3.5.2小孔徑樹脂錨索 錨索由索體、錨具和托板等組成。索體一般用具有一定彎曲柔性的鋼絞線制成。其特點是錨固深度大、承載能力高、可施加較大的預(yù)緊力，因而可獲得比較理想的支護效果，是目前最可靠、最有效的一種手段[8]。其加固范圍、支護強度、可靠性是普通錨桿支護所無法比擬的。 傳統(tǒng)的注漿錨固錨索支護一般適合于煤礦井下大斷面硐室和巷道的補強和加固。錨索鉆孔和噸位一般較大，采用水泥注漿錨固。這種錨索的技術(shù)參數(shù)和施工工藝無法滿足回采巷道的要求。 針對這一情況，我國開發(fā)了適合在煤巷掘進期間按正規(guī)循環(huán)施工的新型小孔徑樹脂錨固預(yù)應(yīng)力錨索加固技術(shù)。其最大特點是采用樹脂藥卷錨固，通過專用裝置可以像安裝普通樹脂錨桿那樣用錨索攪拌樹脂藥卷對錨索錨固端進行加長錨固，其安裝孔徑僅為Φ28 mm，用普通單體錨桿機即可完成打孔、安裝。與傳統(tǒng)錨索相比，小孔徑樹脂錨索有以下特點： 1）直接用錨索攪拌樹脂藥卷進行錨固，安裝工序十分簡單，而且采用小孔徑，因而施工速度大幅度提高。 2）采用單體錨桿鉆機就可以施工，設(shè)備少，而且顯著降低了工人的勞動強度。 3）樹脂錨固劑固化速度快，由水泥漿錨固時的3 d～7 d降低到僅為10 min，因而錨索能及時、主動承載。 小孔徑錨索主要用在破碎、復(fù)合頂板回采巷道，放頂煤開采沿煤層底板掘進的煤頂巷道地應(yīng)力回采巷道，以及大跨度開切眼和巷道交叉點。其主要技術(shù)參數(shù)為：鉆孔直徑Φ28 mm；錨索直徑Φ15.24 mm；最大錨固力260 kN；預(yù)緊力120～230 kN。 4 煤巷錨桿支護技術(shù)的應(yīng)用 4.1煤巷錨桿支護技術(shù)在徐莊煤礦的應(yīng)用 徐莊煤礦是一個年設(shè)計能力90萬t，實際生產(chǎn)能力120萬t的大型礦井，主采7#煤層，煤厚5 m左右，采煤方法為綜采放頂煤一次采全厚開采、高檔普采等，綜采面運輸平巷寬4 m，高3 m，回風平巷寬3.5 m，高2.5～3 m，開切眼寬6～7 m，高2.8 m，均屬大斷面回采巷道。以往為架棚支護，這種方式維護巷道帶來了很多問題，制約了徐莊礦實現(xiàn)高產(chǎn)高效集約化生產(chǎn)以及進一步降低生產(chǎn)成本。 從80年代開始試驗煤巷錨桿支護技術(shù)，陸續(xù)采用過倒楔式錨桿、鋼絲繩錨桿、管縫式錨桿等。從1997年開始在采區(qū)準備巷道及工作面回采推廣使用樹脂錨桿支護技術(shù)，經(jīng)過三年的不斷摸索、總結(jié)，已形成了一套適合井下地質(zhì)條件的錨網(wǎng)支護的參數(shù)設(shè)計。實踐表明，煤巷錨桿支護具有控制巷道圍巖變形效果好、機械化程度高、施工速度快、輔助運輸量小、上下出口維護簡單，安全可靠、經(jīng)濟合理的優(yōu)點，由于新的錨桿支護及小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索支護、錨桿支護施工機具等不斷開發(fā)應(yīng)用，使徐莊礦煤巷錨桿支護得到了迅速發(fā)展。徐莊煤礦7174工作面錨網(wǎng)支護的推廣應(yīng)用，為以后回采巷道錨桿支護提供了技術(shù)基礎(chǔ)，現(xiàn)已基本形成一整套的錨桿支護體系。三年煤巷錨網(wǎng)支護巷道達18000 m，節(jié)約支護費用100萬余元，同時也大大降低了巷道維護費用，經(jīng)濟和安全效益顯著。 4.1.1巷道支護設(shè)計與施工組織 以7174工作面錨網(wǎng)支護的實施情況進行系統(tǒng)介紹與分析。 1）地質(zhì)概況 7174工作面煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤厚平均5.73 m，煤層傾角平均為19°，埋深平均412.5 m，煤層堅固性系數(shù)?=1.5；直接頂為砂質(zhì)泥巖，局部為泥巖，平均厚度8.4 m，?=3～4，裂隙發(fā)育；老頂為灰白色細砂巖，以石英為主，硅質(zhì)膠結(jié)，裂隙發(fā)育，水平層理，?=4～6。根據(jù)資料分析，工作面有5條正斷層，走向均為北東向，落差在1.7～3.5 m。 2）圍巖分類與計算 取值依據(jù)確定采用以下七個影響巷道圍巖穩(wěn)定性的參數(shù)： （1）圍巖強度指標(頂板強度，煤層強度，底板強度)。根據(jù)煤巖試樣物理力學性質(zhì)測試結(jié)果整理出巷道圍巖強度的指標，見表4.1。 （2）直接頂初次垮落步距。根據(jù)工作面具體條件和生產(chǎn)技術(shù)條件來確定初次垮落步距：7174運巷初次垮落步距為15 m。 （3）巷道埋深。7174運巷埋深為397.92～437.16 m，取值412.54 m。 （4）直接頂厚度與采高比?？梢詮牡刭|(zhì)柱狀圖中直接量取直接頂厚度。直接頂是直接位于煤層之上，強度小于60～80 kN，一般隨回采冒落的巖層。當N>4時，取N=4，N值無量綱。7174運巷本次取值為N=3。 （5）巷道煤柱寬度。護巷煤柱寬度是指順槽一側(cè)的實際煤柱寬度，單位為m。當巷道兩側(cè)為實煤體時，取X=100；當無煤柱護巷時，取X=0.7174運巷本次取值為X=100。 具體計算的結(jié)果為：7174運巷的圍巖穩(wěn)定性類別為Ⅲ類即中等穩(wěn)定圍巖。 表4.1 煤巖物理力學性質(zhì)測試結(jié)果 巖 石 名 稱 巖 性 平均厚度 （m） 單向抗壓強度（MPa） 備 注 老 頂 細砂巖 7.67 67.54～69.14 裂隙發(fā)育，其中夾泥質(zhì)條紋 直接頂 砂質(zhì)泥巖 8.4 49.0～54.1 含砂不均，裂隙發(fā)育 煤 層 7#煤 3.0 22.8～25.4 黑色，碎塊狀 直接底 7#煤 2.73 22.8～25.4 巷道底板為7#煤 老 底 砂質(zhì)泥巖 7.38 50.8 水平層理，裂隙較發(fā)育 3）巷道斷面設(shè)計 7174工作面上、下順槽均沿7#煤上分層頂板布置，為了不破壞頂板巖層的完整性，充分利用頂板巖層的懸吊梁作用，提高巷道自身的承載能力，巷道均設(shè)計成不規(guī)則四邊形，如圖4.1。 圖4.1 巷道斷面 4）支護參數(shù)的確定 根據(jù)煤炭工業(yè)出版社1999年出版的《煤礦巷道錨桿支護技術(shù)》中介紹的錨桿支護參數(shù)的計算方法(計算方法略)，確定巷道兩幫破壞深度c值為0.937 m，頂板破壞高度b=0.965 m，頂板載荷集度Qr=131.24 kN/m，巷幫載荷Qs=27.47 kN/m。 （1）頂錨桿參數(shù) 錨桿長度： m （4.1） 式中： Δ——錨桿外露長與錨固長之和，取0.5 m。 錨桿桿體直徑(d)：選用高強度錨桿，設(shè)計錨固力為100 kN，取錨桿直徑為d=20 mm。 錨桿間排距Dr=1.2 m。 支護形式為：錨桿+鋼筋梁+金屬網(wǎng)。 （2）幫錨桿參數(shù) 錨桿長度： m （4.2） 取Lbs=1.6 m。 每排錨桿個數(shù)：取整數(shù)Ns=3。 支護形式為：錨桿+金屬網(wǎng)+木托板。 通過計算，頂錨桿采用Φ20×2000 mmMnSi，支護形式為錨桿+鋼筋梁+金屬網(wǎng)支護；幫錨桿采用Φ16×1600A3鋼樹脂錨桿，支護形式為錨桿+金屬網(wǎng)+木托板，錨桿間排距均小于1.2 m。 5）施工工藝 施工工藝主要分為兩個部分：一是巷道掘進，二是支護。7174工作面順槽采用鉆爆法施工，膠帶、刮板輸送機，采用“三八”工作制、邊掘邊錨、小班雙循環(huán)的作業(yè)方式，每一循環(huán)進度為1.6 m，沿7#煤頂板施工。 為保證巷道成型，可在巷道上幫預(yù)留0.5 m的松散煤壁，用風鎬刷至設(shè)計斷面。 施工工藝： 交接班 → 打眼 → 裝藥放炮 → 臨時支護 → 出煤→打裝頂板錨桿、鋪網(wǎng) → 刷幫→ 出煤 → 打裝幫錨桿、鋪網(wǎng) → 清理。兩幫錨桿支護在一般情況下與頂板錨桿支護可平行作業(yè)，但進度上可滯后頂板二排錨桿。 質(zhì)量要求： （1）巷道必須沿煤層頂板施工，按設(shè)計斷面要求搞好成型； （2）錨桿角度嚴格按設(shè)計及作業(yè)規(guī)程要求，兩肩窩角錨桿向煤體傾斜20～40°； （3）打頂錨桿時必須首先安裝好臨時超前支護，可選用吊環(huán)式前探梁或單體液壓支柱打臨時點柱。安裝錨桿前，應(yīng)將頂板或煤壁的浮矸、浮煤找凈。安裝時，要使托板緊貼巖面，螺帽扭矩符合設(shè)計要求，錨桿外露長度不大于30 mm，錨桿間排距誤差不大于設(shè)計值的±100 mm； （4）樹脂藥卷必須送到孔底，攪拌時間不得少于規(guī)定，以確保頂、幫錨桿錨固力不小于設(shè)計要求。 4.1.2錨桿支護圍巖監(jiān)測系統(tǒng) 為了檢測錨桿的施工質(zhì)量，驗證錨桿的支護效果，科學評價支護參數(shù)的合理性，反映錨桿在圍巖中的受力狀況或圍巖的變化信息，我們建立了錨桿支護巷道監(jiān)測系統(tǒng)。其內(nèi)容、目的及手段見表4.2。采用巷道表面位移監(jiān)測時，我們通常在試驗巷道中布置兩個測站，間距為50 m，每個測站內(nèi)布置兩個觀測斷面，間距為8 m，觀測斷面靠迎頭布置。巷道圍巖的收斂觀測采用十字布點法（如圖4.2），a、a'、b、b'、c、c'分別為布置在觀測斷面上的基點，通過連續(xù)量測cc'、aa'、bb'的值，可得到其各自的變化量，該值即為巷道兩幫及頂、底板的移近量；通過量測ob'的變化量可得到巷道底鼓量。 圖4.2 表面收斂示意圖 表4.2 監(jiān)測內(nèi)容、目的及手段一覽表 序 號 內(nèi) 容 結(jié) 果 手 段 1 巷道表面位移 監(jiān)測巷道相對變形量，從而判定穩(wěn)定性 測桿、測槍 2 深部圍巖位移 觀測發(fā)生位移的圍巖范圍，調(diào)整錨桿長度 深基點位移計 3 頂板離層 監(jiān)測頂板穩(wěn)定狀況，及時采取安全措施 離層指示儀 4 頂錨桿受力 監(jiān)測頂錨桿強度狀況，以調(diào)整間排距 測力錨桿 錨桿拉拔計 5 幫錨桿受力 監(jiān)測幫錨桿受力狀況，以調(diào)整間排距 錨桿液壓枕 錨桿拉拔計 6 螺母預(yù)緊力矩 檢查錨桿安裝質(zhì)量 力矩扳手 圖4.3、4.4為掘進期間試驗巷道圍巖移近量變化曲線圖。巷道剛掘出時，圍巖移近較快，隨著迎頭距觀測斷面的距離加大，其移近量漸小，當其間距離為90 m時，圍巖基本趨于穩(wěn)定。 圖4.3 第Ⅰ觀測站第1斷面巷道圍巖移近量曲線 從統(tǒng)計來看，掘進過程中，兩幫的最大累計移近量為87 mm，頂、底板最大累計移近量為73 mm，其中頂板最大累計下沉量為