高應(yīng)力區(qū)回采巷道錨桿支護(hù)技術(shù)研究

　　 一、高應(yīng)力區(qū)巷道變形機(jī)理分析
　　高應(yīng)力軟巖巷道圍巖變形破壞機(jī)理是與其原巖的高地應(yīng)力狀態(tài)（原巖應(yīng)力）以及工程巖體的低圍壓狀態(tài)（圍巖應(yīng)力）和高應(yīng)力差相聯(lián)系的。原巖應(yīng)力較高，故一旦開挖，隨即發(fā)生內(nèi)應(yīng)力釋放和回彈，并引起相應(yīng)的應(yīng)力調(diào)整和變形。巷道開挖卸載后相當(dāng)于在原巖應(yīng)力狀態(tài)上疊加相應(yīng)反向拉應(yīng)力，于是工程巖體（尤其是層狀和似層狀巖體）在類似橫彎或縱彎作用下發(fā)生撓曲，或者沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪脹滑移變形，巖體強(qiáng)度降低，圍巖發(fā)生體積膨脹變形（擴(kuò)容）。
　　應(yīng)力釋放引起的回彈和應(yīng)力調(diào)整引起的擴(kuò)容使巖體中原本閉合的結(jié)構(gòu)面張開滑移，在改變巖體應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度的同時，也改變了圍巖水文地質(zhì)條件，工程用水沿張開裂隙滲流，進(jìn)一步降低了巖體強(qiáng)度或者加劇了具有膨脹性巖石的物理化學(xué)膨脹和力學(xué)膨脹，從而使圍巖產(chǎn)生較大的收斂位移，表現(xiàn)為側(cè)墻鼓出、底鼓和頂壓等。變形的進(jìn)一步發(fā)展導(dǎo)致巷道破壞失穩(wěn)，如側(cè)墻內(nèi)移（側(cè)向張裂、片幫）、尖頂（拱頂剪裂）底鼓和冒頂?shù)?。破壞最?yán)重的部位多在拱頂和拱墻交界處，在這些部位常見巷道剪裂和張裂，鋼拱架因過大位移而扭彎屈曲，甚至鋼拱架也被扭彎或剪斷的現(xiàn)象。當(dāng)巷道布置在構(gòu)造應(yīng)力、復(fù)雜應(yīng)力和高應(yīng)力區(qū)域時，圍巖在很大的水平擠壓應(yīng)力作用下，其頂板與底板巖層直接承受著水平構(gòu)造應(yīng)力的作用，而巷道兩幫的圍巖由于巷道開挖解除了水平應(yīng)力作用處于彈性恢復(fù)狀態(tài)。
　　因此，構(gòu)造應(yīng)力主要引起巷道頂板巖層的擠壓破壞，巷道底板巖層發(fā)生屈曲破壞。頂板的大范圍破壞（鼓出），使得構(gòu)造運(yùn)動殘余水平應(yīng)力得到充分釋放。重力應(yīng)力場隨著圍巖構(gòu)造應(yīng)力的釋放（解除）而發(fā)展成為促使圍巖向已采空間運(yùn)動的主動力。隨著圍巖周邊破壞向深部發(fā)展，巖石破裂范圍不斷增大，應(yīng)力高峰相應(yīng)向深部轉(zhuǎn)移，支撐壓力分為由明顯運(yùn)動的巖層重力作用的內(nèi)應(yīng)力場和由巷道圍巖結(jié)構(gòu)整體重力作用的外應(yīng)力場兩個部分。構(gòu)造應(yīng)力作用的結(jié)果導(dǎo)致頂?shù)装鍘r體發(fā)生破壞，在一定范圍內(nèi)的構(gòu)造應(yīng)力得到釋放。巷道圍巖主要承受重應(yīng)力場的作用，在巷道兩幫形成支承壓力，兩幫出現(xiàn)壓縮破壞，兩幫的破壞隨著支承壓力向深部轉(zhuǎn)移而逐漸發(fā)展，直到支承壓力達(dá)到穩(wěn)定后，兩幫圍巖才趨于穩(wěn)定。
　　我礦實測最大主應(yīng)力值為29～33MPa，方位角131°～148°。對我礦所處的深部開采的高應(yīng)力環(huán)境下，在最大水平應(yīng)力的作用下會使巷道頂?shù)装鍘r層發(fā)生剪切破壞，繼而出現(xiàn)巖層錯動和底板巖層的膨脹，造成圍巖變形，這已被我礦的生產(chǎn)實踐所證實。因此，我礦的錨桿支護(hù)設(shè)計應(yīng)側(cè)重于在頂板變形的早期階段提高圍巖的穩(wěn)定性，以控制后期圍巖變形的嚴(yán)重程度。
　　二、巷道支架-圍巖相互作用原理
　　正確調(diào)節(jié)和處理“支架一圍巖”關(guān)系，是支架支護(hù)巷道的理論基礎(chǔ)，對深化錨桿支護(hù)機(jī)理具有重要作用。巷道開掘后，巷道空間上方巖層的重量將由巷道支架與巷道周圍巖體共同承擔(dān)，巷道支架和圍巖體組成一個共同的承載體系?，F(xiàn)有的各種巷道支架，在“支架一圍巖”力學(xué)平衡系統(tǒng)中，只能承擔(dān)及其有限的的一小部分載荷，支架在圍巖內(nèi)部應(yīng)力平衡關(guān)系中所起的作用是微小的，更不能企圖依靠支架去改變上覆巖層的運(yùn)動狀態(tài).然而支架的這個微小的支撐力又是極其重要和必不可少的，支架的工作阻力，尤其是初撐力在一定程度上能夠相當(dāng)有效地控制直接頂板離層，控制圍巖塑性區(qū)的再發(fā)展和圍巖的持續(xù)變形，保持圍巖的穩(wěn)定。因此，巷道支架系統(tǒng)必須具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和一定的可縮性，才能夠有效地控制和適應(yīng)圍巖的變形。
　　地下工程中圍巖不僅是施載體，在一定條件下還是一種天然承載構(gòu)件，上覆巖層的絕大部分重量完全是由自身承擔(dān)的。因此，合理的“支架一圍巖”相互作用關(guān)系是充分利用圍巖的這種天然的自承力和承載力。人為的支護(hù)作用是在圍巖強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、受力環(huán)境、位移與力的邊界條件等方面創(chuàng)造條件，促進(jìn)圍巖形成自穩(wěn)和承載結(jié)構(gòu)巷道支護(hù)對圍巖提供支護(hù)阻力，控制圍巖塑性區(qū)的持續(xù)發(fā)展，減小圍巖移近量。
　　圖1說明支架與圍巖相互作用和共同承載原理，可知，如果想依靠支架的支承力完全阻止圍巖移動，這時所要求的支架支承力 將為最大值 ，其值相當(dāng)于開巷前的原巖應(yīng)力。但是只要圍巖產(chǎn)生少量位移， 值就會急劇減小。例如，在A點由于利用了圍巖的自承力，支架的自承力 ，將比 小。但是這種情況不能無限制地持續(xù)下去，因為隨著支架自承力的減小，圍巖移近量 會隨之增加，而移動量加大到一定程度，圍巖將產(chǎn)生松動破壞，這時支架所受的松動壓力也會加大（如曲線2）。在曲線1和曲線2的交點B處，圍巖最大限度得發(fā)揮了自承作用，支架支承力達(dá)到了最小 。B點是支架的最佳受載點，該點的位移 則是允許的最大位移量。
　　實際上，為了保證一定的安全系數(shù)，通常不允許支架在B點工作，因而從設(shè)計觀點看，比較理想的情況是使支架的工作點保持在離B點不遠(yuǎn)的左面，例如C點，使支架工作時的支承力 稍大于 值，這樣才能獲得既經(jīng)濟(jì)又安全的效果，因而也是支架與圍巖相互作用和共同承載的合理工作點。
　　我礦巷道圍巖穩(wěn)定性大都屬于II、III頂板，但直接頂基本為泥巖或砂質(zhì)泥巖，泥巖層硬度小、易碎、具滑面，而硬度較大的砂巖，分層厚度小，多為塊狀結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育，將巖體切割成為一個個相對獨(dú)立的塊體，整體性較差。另巷道斷面屬于大斷面，根據(jù)理論與試驗研究認(rèn)為：我礦高應(yīng)力區(qū)放頂煤回采巷道應(yīng)該選擇錨桿+W鋼帶（或鋼筋梁）網(wǎng)，并增加錨索的支護(hù)形式。