錨桿（索）對煤巖巷道的支護機理研究

引言
　　煤巖巷道支護是井工開采煤礦提高巷道邊坡和頂板穩(wěn)定性的主要的技術(shù)手段，現(xiàn)有的主要錨固材料分為錨桿和錨索兩種，二者在物理力學(xué)性質(zhì)方面存在區(qū)別[1]，在錨固機理上也存在著一定的差異。通過錨桿（索）的組合作用，實現(xiàn)了對煤巖巷道的有效支護，提高了整個礦山的安全性，本文針對于兩種不同錨固材料的機理進行演技，分析錨固作業(yè)改善巖體條件的基本原理，揭露錨固支護的本質(zhì)。
　　1、錨桿支護理論分析
　　錨桿是一種剛性金屬材料，一般由碳鋼制成，安裝在礦山的巷道、隧道或露天礦的邊坡，通過錨桿的張拉和抗剪作用來提高巖體的穩(wěn)定性。其主要的作用機理是通過對錨桿施加預(yù)緊力來壓緊滑動巖體與穩(wěn)定巖體之間的節(jié)理面[2]，改善節(jié)理面的粘聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)來提高穩(wěn)定性，同時依靠錨桿自身的剛度提供一定的支擋作用，防止巖體滑動甚至脫落。按現(xiàn)有支護理論，錨桿支護作用的基本理論有懸吊理論、組合梁理論、加固拱理論等。
　　1.1　懸吊理論
　　錨桿支護的作用是將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在上部穩(wěn)定巖層上，以增強較軟弱巖層的穩(wěn)定性。其原理如圖1所示。這種支護理論應(yīng)用比較廣泛，但存在以下明顯缺陷：
　　（1）錨桿受力只有當(dāng)松散巖層或不穩(wěn)定巖塊完全與穩(wěn)定巖層脫離的情況下等于破碎巖層的重量，而這種條件在巷道中并不多見，懸吊理論則認(rèn)為錨桿受力就等于其加固區(qū)圍巖的重量[3]，這與錨桿實際受力情況存在很大偏差。
　　（2）沒有考慮錨桿安設(shè)后對破碎巖層變形和離層的控制作用。特別是當(dāng)水平應(yīng)力比較大時，頂板離層很大。為了減小破碎巖層的離層，保持頂板的穩(wěn)定性，應(yīng)加大錨桿的預(yù)應(yīng)力。
　?。?）當(dāng)錨桿穿過破碎巖層時，錨桿提供的徑向和切向約束會不同程度的提高破碎巖層的整體強度，使其具有一定的承載能力，從而減小錨桿受力。
　　總之，懸吊理論在分析過程中不考慮圍巖的自承能力，而是將錨固體與原巖體分開，與實際情況有一定差距。懸吊理論只適用于巷道頂板，不適用于巷道幫、底。
　　1.2　組合梁理論
　　如果頂板巖層中存在若干分層，頂板錨桿的作用，一方面是依靠錨桿的錨固力增加各巖層間的摩擦力，防止巖石沿層面滑動，避免各巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象；另一方面，錨桿桿體可增加巖層間的抗剪剛度，防止巖層間的水平錯動[4]，從而將巷道頂板錨固范圍內(nèi)的幾個薄巖層鎖緊成一個較厚的巖層（組合梁）。其原理如圖2所示。
　　組合梁理論充分考慮了錨桿對層狀頂板離層及滑動的約束作用，原理上對錨桿作用分析的比較全面，但它存在以下缺陷：
　?。?）組合梁有效厚度很難確定，它涉及到頂板的巖層分布和影響錨桿支護的眾多因素，目前還沒有比較準(zhǔn)確的理論方法來確定有效組合梁的厚度；（2）沒有考慮水平應(yīng)力對組合梁強度、穩(wěn)定性及錨桿荷載的影響。在水平應(yīng)力較大的巷道中，水平應(yīng)力是頂板破壞失穩(wěn)的主要原因。
　　1.3　組合拱（壓縮拱）理論
　　在拱形巷道圍巖的破裂區(qū)中安裝預(yù)應(yīng)力錨桿，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[5]，這個承壓拱可以承受其上部破碎巖石施加的徑向荷載。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，如圖3所示。
　　組合拱理論充分考慮了錨桿支護的整體作用，在軟弱煤層中得到廣泛應(yīng)用。但也同樣存在一些缺陷：
　?。?）影響加固拱厚度的因素很多，很難準(zhǔn)確估計；（2）加固拱厚度遠(yuǎn)小于巷道跨度時，加固拱是否發(fā)生破壞不僅與其強度有關(guān)，更主要取決于加固拱的穩(wěn)定性，在該理論中沒有考慮。
　　2、錨索支護機理
　　錨索是一種柔性的錨固材料，一般有多股鋼絞線編制在一起制成。該材料在進行錨固作業(yè)時通過自身提供的拉力來保證巷道頂板和邊幫的穩(wěn)定性。錨索有不同形式，如端錨預(yù)應(yīng)力錨索，全長錨固預(yù)應(yīng)力錨索，以及全長錨固非預(yù)應(yīng)力錨索[6]等。不同形式的錨索其支護加固機理也有所不同。
　?。?）端錨預(yù)應(yīng)力錨索
　　這種錨索主要起懸吊作用，如圖4所示。錨索把下部不穩(wěn)定巖層懸吊于上部穩(wěn)定的巖層。同時，由于錨索可施加較大的預(yù)緊力，可擠緊和壓密巖層中的層理、節(jié)理裂隙等不連續(xù)面，增加不連續(xù)面之間的摩擦力，從而提高圍巖的整體強度。
　?。?）全長錨固預(yù)應(yīng)力錨索
　　這種錨索不僅具有端部錨固預(yù)應(yīng)力錨索的各種作用，而且由于錨索沿全長錨固，具有類似全長錨固錨桿的作用。索體和錨固劑共同作用，提高巖體的整體強度和剛度。
　?。?）全長錨固非預(yù)應(yīng)力錨索
　　與全長錨固預(yù)應(yīng)力錨索相比，這種錨索的最大特點是沒有預(yù)緊力，因而承載速度慢，支護加固不及時。只有圍巖發(fā)生一定變形后錨索才承受較大的載荷。
　　3、錨桿（索）支護的力學(xué)分析
　　3.1　彈性分析
　　為了定性地說明問題，將錨桿（索）支護簡化為作用于巷道周圍徑向的壓應(yīng)力和錨固區(qū)圍巖體力學(xué)參數(shù)（E、）的提高，運用線彈性理論的解析法[7]，分析在不均勻、連續(xù)、各向同性巖體的圓形巷道中，錨桿（索）沿圓形巷道徑向等間距布置時，在圍巖中產(chǎn)生的附加應(yīng)力。計算巷道錨固附加應(yīng)力的力學(xué)模型如圖5所示。內(nèi)徑為a，外徑為b，即錨固區(qū)范圍為b-a。錨固區(qū)彈性模量為E，泊松比為；原巖區(qū)彈性模量為E’，泊松比為。 　　如果錨桿（索）所提供的預(yù)緊力為T，沿圓周等間距布置n根錨桿（索），則其在錨固圍巖的內(nèi)邊界上產(chǎn)生的附加徑向壓應(yīng)力Pa為：
　?。?）
　　該問題為軸對稱平面應(yīng)變問題，其彈性力學(xué)解為：
　　錨固區(qū)，即a　≤r　≤b時
　?。?）
　　原巖區(qū)，即b＜r＜∞
　?。?）
　　其中：
　　（4）
　　且應(yīng)力以壓應(yīng)力為正而拉應(yīng)力為負(fù)，經(jīng)錨桿（索）加固后，錨固區(qū)圍巖的彈性模量得到提高，泊松比降低，所以E＞E’，＞，因而m＜1，應(yīng)力分布大致如圖5。
　　3.2　塑性分析
　　巷道開挖后，由于施工方面的原因，圍巖往往得不到立即支護，當(dāng)施加錨桿支護時，巷道附近的部分圍巖已進入屈服狀態(tài)。下面考慮在部分圍巖進入塑性屈服的情形下，錨桿支護對于圍巖應(yīng)力狀態(tài)的改善。其計算模型如圖6。
　　巷道半徑為a，塑性區(qū)半徑為R0，預(yù)緊力錨桿作用于巷道周圍的徑向壓應(yīng)力為Pa，考慮莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則，當(dāng)λ=1時，得塑性區(qū)應(yīng)力及半徑：
　?。?）
　?。?）
　　式中：，Rc為圍巖單軸抗壓強度，
　　彈性區(qū)應(yīng)力：
　?。?）
　　當(dāng)徑向壓應(yīng)力Pa=0時即為無支護狀態(tài)下的應(yīng)力及塑性區(qū)半徑，由以上各式得出無支護和有支護時圍巖應(yīng)力變化情況如圖7。
　　由圖7及以上各式可得，在圍巖周邊加上徑向壓應(yīng)力Pa后，使洞周塑性區(qū)應(yīng)力隨著徑向壓應(yīng)力Pa的增大而增大，洞周從二向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為三向應(yīng)力狀態(tài)[8]。在維持極限平衡狀態(tài)的情形下，使徑向應(yīng)力由零變?yōu)镻a，切向應(yīng)力由Rc增大為，這在圖中表現(xiàn)為莫爾應(yīng)力圓上移。塑性區(qū)半徑R0隨著徑向壓應(yīng)力Pa的增大而減小，圖中塑性區(qū)半徑由R0減小為R0’。
　　4、實例研究
　　永煤集團城郊煤礦原設(shè)計生產(chǎn)能力為240萬噸/年，經(jīng)過兩次大的技術(shù)改造，2009年核定生產(chǎn)能力為500萬噸/年。礦井目前有6個生產(chǎn)采區(qū)，1個準(zhǔn)備采區(qū)，（東部2個生產(chǎn)采區(qū)，北部4個生產(chǎn)采區(qū)和1個準(zhǔn)備采區(qū)），西翼十六采區(qū)到2012年上半年具備生產(chǎn)條件。在具備生產(chǎn)條件之后，巷道出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，巷道穩(wěn)定性驟降，為了保證綜采作業(yè)順利推進，對西翼十六采區(qū)進行了錨固。
　　首先對采用錨網(wǎng)梯噴漿對1-1斷面進行支護，錨桿間排距700×700mm，噴漿厚度為30～50mm，二次支護采用錨網(wǎng)噴漿支護，錨桿間排距為1000×1000mm，噴漿厚度為70～90mm，噴漿總厚度為120mm，錨桿為Φ20×2400mm的高強錨桿，鐵托盤規(guī)格150×150×8mm，矩形布置，完成錨固之后的錨固力達(dá)到120kN。在此基礎(chǔ)上又在1-1、2-2斷面的巷道頂部沿中心線打3根型號為Φ18.9mm×8000mm的錨索，錨索間排距1400mm×1400mm。錨索托板為250×250×20mm，托盤后使用鋼筋梯加強支護，完成支護后的錨索錨固力為150kN。
　　5、結(jié)論與展望
　　通過對于錨固機理的研究可以明確，錨桿（索）與圍巖的相互作用關(guān)系是一個非常復(fù)雜的問題。錨桿支護對破碎煤巖體的錨固機理主要有3個方面，一是提高錨固體的峰值強度和殘余強度，提高錨固體峰值前、峰值后的內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角；二是通過錨桿的軸向作用使圍巖由二向應(yīng)力狀態(tài)向三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化，改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，同時通過錨桿的橫向作用，阻止圍巖沿裂隙等弱面發(fā)生相對滑動，提高弱面的抗剪能力，達(dá)到提高錨固體殘余強度的目的；三是通過錨桿的錨固作用，在保持較大殘余強度的同時，錨固體有控制地發(fā)生較大變形，釋放圍巖變形能，降低錨固體的壓力，使錨固體適應(yīng)煤層巷道圍巖大變形的特點。明確了這三個方面的特點，對于今后的錨固機理研究和錨固方案實施有非常重要的指導(dǎo)意義。