煤矿建井巷道施工锚杆支护的原理、参数设定及设计方法

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　　摘要：为提高支护的强度和效果如通常采用锚杆辅以锚索做加强支护，锚杆理论已用理论方法确定煤矿巷道、硐室支护参数阶段，用该理论设计的巷道、硐室支护有理有据，文章就此提出论点，供广大同仁参考、指正。
　　关键词：煤矿 矿井巷道 锚杆支护
　　1、锚杆支护作用原理
　　锚杆是一种安设在巷道围岩体内的杆状锚栓体系。采用锚杆支护的巷道，就是在巷道掘进后向围岩中钻锚杆眼，然后将锚杆安设在锚杆孔内，对巷道围岩进行加固，以维护巷道的稳定性。
　　1.1悬吊作用
　　悬吊作用是指将要冒落的围岩或者软弱岩层，用锚杆悬吊于上部的坚硬岩体上，由锚杆来承载围岩或者弱岩的重量。
　　1.2组合梁作用
　　可将平顶巷道层状顶板看作是由巷道两帮为支点的叠合梁，在荷载作用下，各层板梁都单独弯曲，每层板梁的上下缘分别处于受压和受拉状态。但是用锚杆将各组合板梁压紧之后，在荷载作用下，就如同一块板梁的弯曲一样，提高了板梁的抗弯强度，可以提高顶板岩层的承载能力。
　　1.3挤压加固拱作用
　　在巷道周围系统地布置锚杆，使巷道拱部节理发育的岩体连接在一起，便在一定的范围内形成一个连续的、具有一定自承能力的拱形压缩带，使巷道围岩由原来作用在支架上的荷载变成了承载结构，以支承其自身的重量和顶板压力。
　　1.4减跨作用
　　在巷道内安设锚杆，能够减少压力拱的高度和跨度。如在巷道跨中打一根锚杆，相当于在该处打一根支柱，使原来的拱分为两个小拱，小拱的跨度为原拱的一半。如果打三根锚杆，就相当于将原来的拱分成四个小拱，压力拱的跨度为原拱的四分之一，同时压力拱的高度也明显降低。
　　1.5围岩补强加固作用
　　巷道深处围岩内的岩石处于三向受力状态，而靠近巷道周边的岩石则处于二向受力状态，后者的强度远远小于前者，因此容易受破坏而丧失稳定性。在巷道内安设锚杆后，有些围岩又部分地恢复为三向受力状态，增强了自身的强度。此外，锚杆还可以增强岩层弱面的抗剪强度，使巷道周边的围岩不易破坏和失稳。
　　2、锚杆支护参数的确定
　　目前，用于煤矿巷道支护设计的主要的锚杆支护参数设计方法有下列几种：
　　（1）悬吊机制及其围岩条件：在层状岩体中，锚杆将下部不稳定岩层悬吊在上部稳固的岩层上，锚杆承受的载荷为下部不稳定岩层的重量。最典型的情况是顶板上部1-1.8m处有一厚层（2m以下）坚固岩层，下部为较完整的层状较弱岩层。若没有上述坚固岩层，也可用免压拱高或破碎带高度以外的非破碎稳定带概念代替。
　　（2）组合梁机制及其围岩条件：在没有坚硬厚层的薄状岩层中，通过锚杆的预拉应力，将视为叠合梁的各薄层挤紧，提高其自撑能力。杆体承受岩层错动趋势所产生的剪应力。组合梁与叠合梁相比，应力减小（n-1）倍，挠度减小（n2-1）倍。
　　（3）三铰拱（楔固、紧固）机制及其围岩条件：在被裂隙切割的块状围岩中，锚杆将危石悬吊，彼此挤紧，形成类似三铰拱的稳定结构，不但使岩块不掉落，而且加固成能承受载荷的整体结构。
　　（4）组合拱（均匀压缩拱）机制及其围岩条件：采用点锚固形式的锚杆的预拉应力可以形成以锚杆两端为顶点的算盘珠式的压缩区。若把锚杆以适当的间距沿拱形断面系统安装，则可在巷道周围形成连续的均匀压缩带作为承载结构并将应力向两帮深部围岩传递，其承载能力决定于锚杆长度与间距、预拉应力。
　　3、锚杆支护设计方法
　　3.1现有锚杆支护设计方法的评价
　　目前煤巷锚杆支护设计主要以工程类比法和理论分析法为主，不能满足现场生产实际需要，主要表现在如下两个方面：
　　（1）用于设计的基础参数是巷道周围某几个点（甚至仅一个点）的综合地质技术资料的平均值，设计出的锚杆参数为整条巷道服务。一方面导致巷道绝大部分区域设计的锚杆参数过高，不但浪费了大量材料，增加了支护成本，也降低了巷道的掘进速度；另一方面又使巷道的某些局部地质技术条件变化区域设计的锚杆支护参数不足，引发局部冒顶事故。
　　（2）依据的基础性参数缺乏定量化评价指标，导致锚杆支护参数设计缺乏科学、合理和确定性。尽管近年来出现的锚杆支护动态设计法已在我国部分矿区得到实践，但实际应用效果并不理想。因此，需要使用更可靠的煤巷锚杆支护设计方法，保证设计的可靠性。
　　3.2全线信息跟踪设计方法
　　该设计方案摒弃了其他设计方法的缺点，是一种全新的设计理念与现代信息技术完美结合的产物。设计步骤如下：
　　（1）全面分析基础地质技术数据，不是取各项参数的平均值，而是将其分成最佳条件和最差条件。
　　（2）用工程类比法确定锚杆的初始参数。
　　（3）不断进行现场实测，获得应力、同岩、支护三者相互作用结果的综合信息。
　　（4）根据实测信息，进行支护效果评价。
　　（5）依据支护效果评价，用计算机重新设计巷道待掘进部分的锚杆支护参数，并及时调整已支护部分的设参数。
　　与已有的设计方法相比，该设计方法优点有：设计的针对性强，设计的可靠性高，可以预测巷道顶板围岩的稳定性，有利于科学化管理，工程质量易于保证，简化了设计基础的采集工作。
　　4、锚杆支护的施工与检验
　　4.1锚杆的安装
　　锚杆的安装施工包括钻锚杆眼和安装锚杆两道主要工序。在锚杆安装施工之前，应该根据锚杆布置方式设计要求，用巷道中腰线标定出锚杆的眼位。打眼时，眼位、眼深、角度都必须符合要求。锚杆眼钻好后，就可以进行锚杆的安装工作。
　　4.2锚杆的检验
　　为了保证锚杆的安装质量，应当注意以下问题：
　　（1）锚杆孔的深度要与锚杆的长度配合适当，锚杆孔过深或者过浅都会使安装垫板和螺帽产生困难。金属楔缝式锚杆孔的深度应比锚杆短50毫米至70毫米，倒楔式锚杆孔的深度应比锚杆短100毫米至120毫米。
　　（2）锚杆孔的直径与锚杆的直径应该配合适当。
　　（3）安装托板时应该尽量将岩面找平，使托板和岩面全部接触，以求托板受力均匀，增强其承载能力。
　　（4）螺帽要用扳手尽量拧紧，使杆体中产生较大的预应力。
　　（5）锚杆质量检查。锚杆质量检查，主要注意检查锚杆孔直径、眼深、间距、排距以及螺帽的拧紧程度和锚固力。
　　5、结束语
　　锚杆理论已用理论方法确定煤矿巷道、硐室支护参数阶段，用该理论设计的巷道、硐室支护有理有据，这样既解决了工程难度，有降低了工程造价，加速了施工速度，在稳定围岩中，可节省工程成本10%～20%左右，在不稳定围岩（即软岩）中可降低成本30%以上，施工速度得到很到的提高，从而取得了巨大的经济效益。
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