锚杆锚固机理及深部复杂困难条件的巷道支护

摘 　要 　文章在研究岩体自身性质的基础上 , 分析了岩体变形及破坏规律 , 得出锚杆锚固的机理 ; 并通过对深部及复杂困难条件巷道的分析研究 , 提出两种有效的巷道支护体系。

　　岩体结构控制理论认为岩体的结构 ( 内在因素 )在岩体的变形破坏发展过程中起着决定性作用 ; 而作为外因的荷载 , 是通过内因起作用的。突破观点认为工程岩体的变形破坏过程总是从一处或少数几处开始突破 , 并通过应力场调整和岩体性质改变 , 或者逐步扩展导致破坏 , 或者转入相对稳定。基于上述认识 , 在巷道支护体系中 , 应把围岩视为支护体系的一部分或全部 , 使围岩成为主要的承载体单元 , 在支护的设计和施工方法上尽量抑制围岩强度的恶化 , 积极发挥围岩本身的承载能力。

1 　锚杆锚固机理

　　锚杆锚固作用表现在岩体结构性质的改善和岩体内部应力状态的改变两个方面。锚杆锚入岩层可提高岩体的完整性 , 使劈裂、块裂或板裂结构的岩体转变为近似完整的岩体 ; 其锚固作用效果重在改善围岩的受力状态 , 通过对围岩施加巷道径向、横向约束 , 将巷道开挖后围岩的二向或单向受力状态重新转化为三向受力状态 , 提高其自身强度和承载能力 ; 且锚杆群的共同作用使锚杆在其长度范围内的岩 ( 煤 ) 体内部形成具有一定承载能力的内部支护结构 , 达到控制围岩进一步变形的目的。

2 　深部复杂困难条件的巷道支护

　　在煤矿开采过程中 , 出现了大量复杂巷道 , 它们共同的特点是围岩变形强烈、破坏范围大 , 巷道往往需要多次维修与翻修 , 极易出现冒顶、片帮 , 巷道安全得不到保证。

2. 1 　预应力桁架锚杆支护

(1) 预应力桁架的概念 : 预应力桁架是将巷道两肩窝深部岩体作为锚固点 , 专用张拉机具通过桁架连接器将高强度的预应力钢绞线锁紧 , 并传递张拉力 , 实现对顶板浅部围岩的兜护和对顶板结构的加固 , 控制顶板的离层、防止顶板加固区整体垮冒。它由预应力高强度钢绞线、桁架连接器、锚具组成。

(2) 预应力桁架的作用机理 : 当桁架支护的预应力达到一定程度时 , 能形成预应力承载结构 , 该结构能通过大变形实现对外层结构的适应性让压 , 并在大变形中保持整体稳定性 , 它具有连续传递应力的效应 , 从而使垂向应力集中程度减缓 , 两帮煤体破坏减弱 , 消除或大大减缓顶板离层 , 并从根本上控制巷道围岩的最终变形量 , 以达到最佳支护效果。这种支护方式充分发挥了各自的优势 , 既控制变形又保证了安全。

(3) 预应力桁架的实用性。预应力桁架锚杆支护

　　形式有顶板桁架与帮部桁架两种 , 可有效抵抗巷帮与顶板之间的相对错动剪切力 , 有效控制帮部向巷内的位移 , 从而减少巷帮变形 , 使巷道满足生产需要。预应力桁架支护对锚杆支护使用程度很有限及高性能锚杆组合支护技术也显得无能为力的采空区下松软煤层巷道 , 大倾角巷道高帮、沿空巷道、高应力巷道能起到很好的支护效果。

2. 2 　高预应力强力支护

2. 2. 1 　高预应力强力支护理论

　　合理的巷道支护为 : 大幅度提高支护系统的初期支护刚度与强度 , 保持围岩的完整性 , 同时支护系统具有足够的延伸率 , 允许巷道围岩有较大的连续变形 , 使高应力得以释放。预应力锚杆支护主要作用在于控制锚固区围岩的离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容变形 , 使围岩处于受压状态 , 抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破坏的出现 , 使围岩成为承载的主体。在锚固区内形成刚度较大的预应力承载结构 , 阻止锚固区外岩层产生离层 ,同时改善围岩深部的应力分布状况。

　　锚杆预应力及其扩散对支护效果起着决定性作用。单根锚杆预应力的作用范围很有限 , 必须通过托板、钢带和金属网等构件将锚杆预应力扩散到离锚杆更远的围岩中。特别是对于巷道表面 , 即使施加很小的支护力 , 也会明显抑制围岩的变形与破坏 , 保持顶板的完整。锚杆托板、钢带与金属网等护表构件在预应力支护系统中发挥极其重要的作用。

2. 2. 2 　高预应力强力支护系统

(1) 强力锚杆。

①锚杆杆体几何形状与尺寸 : 螺纹钢锚杆杆体选用左旋无纵筋螺纹钢杆体 ( 煤矿锚杆专用) ,根据复杂困难巷道条件 , 确定强力锚杆杆体公称直径一般为 22～ 25 mm, 长度为 2 ～ 3 m 。

②锚杆杆体材质 : BHRB500, BHRB600 型号钢材的公称直径均为 22 ～ 25 mm, 屈服强度分别为 500 、 600

MPa, 抗拉强度分别为 670 、 800 MPa 、伸长率均为 18% ,用于生产的强力锚杆预应力级别可超过 100 kN 、真正实现了高预应力与高强度。

③锚杆附件 : 高效减摩垫圈置于螺母与托板之间 ,可减少螺母与托板之间的摩擦阻力和摩擦扭矩 , 最大限度地将锚杆安装扭矩转化为锚杆预紧力。

(2) 强力钢带。

　　与我国矿用 W 钢带标准 (MT/T861 - 2000) 相比 ,强力钢带有如下特点 : ①将钢带厚度由原来的 2. 5 ～

3. 0 mm 增加到 4. 0 ～ 5. 0 mm, 使钢带的拉断载荷达到500 kN 以上 ; ②在不改变钢带几何尺寸的情况下 , 选用强度更高的钢材。

(3) 强力锚索。

　　锚索索体材料一般采用钢绞线 , 强力锚索索体材料宜选用由煤炭科学研究总院开发的大直径、高 t 位的强力锚索。它采用新型的 19 根钢丝代替原来的 7根钢丝 , 索体结构更加合理 , 而且增加了索体的柔性和延伸率 ; 同时该强力锚索使锚索索体直径从Φ 15. 2 mm增加到Φ 18. 0 mm 、Φ 20. 0 mm 、Φ 22. 0 mm, 显著地提高了索体的破断力 , 并使索体直径与钻孔直径的配合更加合理。

3 　结论

(1) 巷道锚杆支护应将锚杆与围岩视为统一的整体 , 锚杆在改善岩体结构性质的同时改变了岩体内部应力状态 , 充分发挥围岩的自承能力 , 达到支护目的。

(2) 提出新型预应力桁架锚杆支护 , 用于顶板和帮部支护 , 解决了采空区下松软煤层巷道、岩空巷道等

的支护难题。

(3) 分析了深部复杂困难巷道的特点 , 提出高预应力强力支护理论及其具体支护体系 , 解决深部复杂困难巷道支护难题。