躍進(jìn)煤礦1.8 Mta新井設(shè)計含5張CAD圖-采礦工程.zip
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淺析有沖擊礦壓危險性巷道支護(hù)
蘇振國
中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇徐州 221116
摘要：沖擊礦壓災(zāi)害大部分發(fā)生在巷道中。本文錨桿支護(hù)作為一種內(nèi)在的支護(hù)形式, 有非常好的自身穩(wěn)定性和柔性特征, 可以實現(xiàn)主動支護(hù)、早期承載, 可以達(dá)到很高的支護(hù)強(qiáng)度, 對沖擊礦壓巷道具有良好的適應(yīng)性。本文就是通過研究沖擊礦壓發(fā)生的機(jī)理、特性及其對支護(hù)的要求來研究錨桿支護(hù)的作用機(jī)理。
關(guān)鍵詞：沖擊礦壓；錨桿支護(hù)；機(jī)理；吸能作用
Abstract: Most of the rockburst disasters occurred in the roadway. This article bolt support as a built-in support in the form having very good stability and flexible features, and can achieve active suppor, early bearing, and can achieve very high supporting strength, with good rockburst tunnel adaptability. This article is by studying rock pressure in the mechanism, characteristics and support requirements to study the mechanism of action of the bolt support.
Keywords: rockburst; bolt support; mechanism; energy absorption effect
1巷道（錨桿）支護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀及展望
1.1巷道（錨桿）支護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀
我國煤礦巷道支護(hù)經(jīng)歷了木支護(hù)、砌暄支護(hù)、型鋼支護(hù)到錨桿支護(hù)的漫長過程，錨桿支護(hù)技術(shù)經(jīng)歷了從低強(qiáng)度、高強(qiáng)度到高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)的發(fā)展過程。20 世紀(jì)90年代初期, 我國國有重點煤礦煤巷錨桿支護(hù)僅占3% ? 5% , 煤巷支護(hù)主要以棚式支護(hù)為主。目前, 有些礦區(qū)錨桿支護(hù)率已超過90%, 甚至達(dá)到100%，很多礦區(qū)錨桿支護(hù)率達(dá)到80%。我國煤礦已經(jīng)形成了有中國特色的煤巷錨桿支護(hù)成套技術(shù)體系, 錨桿支護(hù)已經(jīng)成為煤礦巷道首選的、安全高效的主要支護(hù)方式。它是我國繼推行綜合機(jī)械化采煤技術(shù)以來, 采掘技術(shù)的又一次革命。它深刻地改變了礦井的開拓部署與巷道布置方式, 對我國高產(chǎn)高效礦井建設(shè)、煤炭產(chǎn)量與效益的大幅度提高及安全狀況的改善起到不可替代的重要作用。
目前, 錨桿支護(hù)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。多年來國內(nèi)外的實踐經(jīng)驗表明, 錨桿支護(hù)是煤巷經(jīng)濟(jì)、有效的支護(hù)技術(shù)。與棚式支架支護(hù)相比, 錨桿支護(hù)顯著提高了巷道支護(hù)效果, 降低了巷道支護(hù)成本, 減輕了工人勞動強(qiáng)度， 改善了作業(yè)環(huán)境, 保證了安全生產(chǎn), 為巷道快速掘進(jìn)、采煤工作面的快速推進(jìn)創(chuàng)造了良好條件。
進(jìn)入21 世紀(jì)以來, 隨著綜采放頂煤、厚煤層一次采全高開采技術(shù)的快速發(fā)展和大面積應(yīng)用, 對煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)提出更高的要求。綜采放頂煤和一次采全高工作面一般要求回采巷道沿煤層底板布置, 巷道頂板為比較破碎的煤層, 有時甚至是全煤巷道。此外, 隨著煤礦開采強(qiáng)度與產(chǎn)量的大幅度提高, 要求的巷道斷面越來越大。為了減少煤炭損失, 沿空掘巷應(yīng)用得越來越廣。所有這些都使巷道支護(hù)難度支護(hù)的費用顯著增加。
近年來, 為了解決深部高地應(yīng)力巷道、特大斷面巷道、受強(qiáng)烈采動影響巷道、沿空留巷等復(fù)雜困難條件支護(hù)難題, 我國又開發(fā)出高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿與錨索支護(hù)技術(shù), 真正實現(xiàn)了錨桿的主動、及時支護(hù), 充分發(fā)揮了錨桿的支護(hù)作用。井下應(yīng)用大幅度減少了巷道圍巖變形與破壞, 巷道支護(hù)與安全狀況發(fā)生了本質(zhì)改變。同時, 實現(xiàn)了高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度的“ 三高一低” 的現(xiàn)代錨桿支護(hù)設(shè)計理念, 在保證支護(hù)效果的前提下, 顯著提高了巷道掘進(jìn)速度與工效。
隨著對能源需求量的增加和開采強(qiáng)度的不斷加大，淺部資源日益減少，國內(nèi)外礦山都相繼進(jìn)入深部資源開采狀態(tài)。隨著開采深度的不斷增加，工程災(zāi)害日趨增多，如礦井沖擊地壓、瓦斯爆炸、礦壓顯現(xiàn)加劇、巷道圍巖大變形、流變、地溫升高等，對深部資源的安全高效開采造成了巨大威脅。因此，深部資源開采過程中所產(chǎn)生的巖石力學(xué)問題已成為國內(nèi)外研究的焦點[1根據(jù)目前資源開采狀況，我國煤礦開采深度以每年8m~12m 的速度增加，東部礦井正以每10 年100m~250m 的速度發(fā)展[11,17]。近年己有一批礦山進(jìn)入深部開采。隨著煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)的快速發(fā)展, 其使用量越來越大, 應(yīng)用范圍也越來越廣。
1.2錨桿支護(hù)的展望
煤礦錨桿支護(hù)機(jī)具行業(yè)隨著煤炭需求量的增長、錨桿支護(hù)普及率的提升、煤炭開采難度的增加、煤礦安全成本投入增加，煤礦錨桿支護(hù)機(jī)具需求保守估計將保持年均20%以上的增長。根據(jù)行業(yè)統(tǒng)計2010年錨桿支護(hù)機(jī)具市場銷量5億元，預(yù)計2012年將達(dá)到7.2億元，2015年將達(dá)到12億元以上規(guī)模。錨桿支護(hù)行業(yè)正處于快速發(fā)展的成長期，我國煤礦錨桿支護(hù)機(jī)具的種類更加多樣化, 單體錨桿機(jī)將向著節(jié)約能源、減輕重量、進(jìn)一步提高可靠性方向發(fā)展；錨桿鉆車將迎來它的黃金發(fā)展期，一批機(jī)械化、自動化及智能化程度更高錨桿支護(hù)機(jī)具將會面世。
2錨桿支護(hù)理論及常用錨桿形式
2.1錨桿支護(hù)理論
2.1.1懸吊理論
懸吊理論存在明顯的缺陷
(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才等于破碎巖層的重量，而這種條件在井下巷道中并不多見。
(2)錨桿安設(shè)后，由于巖層變形和離層，會使錨桿受力很大，而遠(yuǎn)非破碎巖層重量。
(3)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地改善破碎巖層的整體強(qiáng)度，使其具有一定的承載能力。而懸吊理論沒有考慮圍巖的自承能力。
(4)當(dāng)圍巖松軟，巷道寬度較大時，錨桿很難錨固到上部穩(wěn)定的巖層或自然平衡拱上。懸吊理論無法解釋在這種條件下錨桿支護(hù)仍然有效的原因。
總之，懸吊理論僅考慮了錨桿的被動抗拉作用，沒有涉及對巖體抗剪能力及對破碎巖層整體強(qiáng)度的改變。因此，理論計算的錨桿載荷與實際出入比較大。
2.1.2組合梁理論
組合梁理論適用于層狀巖層。
對于端部錨固錨桿，其提供的軸向力將對巖層離層產(chǎn)生約束，并且增大了各巖層間的摩擦力，與錨桿桿體提供的抗剪力一同阻止巖層間產(chǎn)生相對滑動。對于全長錨固錨桿，錨桿和錨固劑共同作用，明顯改善了錨桿受力狀況，增加了控制頂板離層和水平錯動的能力，支護(hù)效果優(yōu)于端部錨固錨桿。
從巖層受力考慮，錨桿將各個巖層夾緊形成組合梁，如圖所示。
組合梁所受的最大拉應(yīng)力與疊合梁所受的最大拉應(yīng)力的比值為：
組合梁的最大彎曲應(yīng)變?yōu)?
組合梁厚度越大，梁的最大應(yīng)變值越小。
組合梁理論充分考慮了錨桿對離層及滑動的約束作用。
組合梁理論存在的明顯缺陷：
(1)組合梁有效組合厚度很難確定。它涉及影響錨桿支護(hù)的眾多因素，目前還沒有一種方法比較可靠地估計有效組合厚度。
(2)沒有考慮水平應(yīng)力對組合梁強(qiáng)度、穩(wěn)定性及錨桿載荷的作用。其實，在水平應(yīng)力較大的巷道中，水平應(yīng)力是頂?shù)装迤茐?、失穩(wěn)的主要原因。
(3)只適用于層狀頂板，而且僅考慮了錨桿對離層及滑動的約束作用，沒有涉及錨桿對巖體強(qiáng)度、變形模量及應(yīng)力分布的影響。
2.1.3加固拱（巖梁）理論
試驗表明，在軟弱、松散、破碎的巖層中安裝錨桿，也可以形成一個承載結(jié)構(gòu)。只要錨桿間距足夠小，各根錨桿形成的壓應(yīng)力圓錐體將相互重疊，就能在巖體中產(chǎn)生一個均勻壓縮帶（巖梁），它可以承受破壞區(qū)上部破碎巖石的載荷。加固拱（巖梁）內(nèi)的巖體受徑向和切向約束，處于三向應(yīng)力狀態(tài)，巖體承載能力得到提高。錨桿支護(hù)的作用是形成較大厚度和較大強(qiáng)度的加固拱（巖梁），拱（巖梁）的厚度越大，越有利于圍巖的穩(wěn)定。
加固拱理論充分考慮了錨桿支護(hù)的整體作用，在軟巖巷道中得到較為廣泛的應(yīng)用。但是這種理論同樣存在一些明顯的缺陷：
(1)只是將各錨桿的支護(hù)作用簡單相加，得出支護(hù)系統(tǒng)的整體承載結(jié)構(gòu)，缺乏對錨固巖體力學(xué)特性及影響因素的深入研究。
(2)加固拱厚度涉及很多因素，很難較準(zhǔn)確的估計。
2.1.4最大水平應(yīng)力理論
地應(yīng)力測量結(jié)果表明，在很多情況下巖層中的水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，而且水平應(yīng)力具有明顯的方向性（構(gòu)造應(yīng)力）；最大水平主應(yīng)力明顯高于最小水平主應(yīng)力，這種趨勢在淺部礦井尤為明顯。水平應(yīng)力對巷道圍巖的穩(wěn)定性有較大的影響，因此，水平應(yīng)力的作用逐步得到人們的認(rèn)識和重視。
在最大水平應(yīng)力作用下，頂?shù)装鍘r層會發(fā)生剪切破壞，出現(xiàn)松動與錯動，導(dǎo)致巖層膨脹、變形。錨桿的作用是抑制巖層沿錨桿軸向的膨脹和垂直于軸向的剪切錯動，因此，要求錨桿強(qiáng)度大、剛度大、抗剪能力強(qiáng)，才能起到上述兩方面的約束作用。這也正是澳大利亞錨桿支護(hù)技術(shù)特別強(qiáng)調(diào)高強(qiáng)度、全長錨固的原因。
2.1.5圍巖松動圈支護(hù)理論
巷道開挖后，當(dāng)圍巖應(yīng)力超過圍巖強(qiáng)度時將在圍巖中產(chǎn)生新的裂紋，其分布區(qū)域類似圓形或橢圓形，稱之為圍巖松動圈。圍巖一旦產(chǎn)生松動圈，圍巖的最大變形載荷是松動圈產(chǎn)生過程中的碎脹變形，圍巖破裂過程中的巖石碎脹變形是支護(hù)的對象?，F(xiàn)有支護(hù)無法有效阻止圍巖松動圈的產(chǎn)生與發(fā)展。
圍巖松動圈的厚度是圍巖強(qiáng)度與圍巖應(yīng)力的函數(shù)，它是一個綜合指標(biāo)。圍巖松動圈越大，碎脹變形越大，圍巖變形量越大，巷道支護(hù)也越困難。 根據(jù)松動圈的大小，將圍巖分為3種類型，并給出了相應(yīng)的支護(hù)方式：
①小松動圈(厚度小于400mm)，錨桿支護(hù)作用不明顯，只需進(jìn)行噴射混凝土支護(hù)。
②中松動圈(厚度在400～1 500mm之間)，支護(hù)比較容易，采用懸吊理論設(shè)計錨桿參數(shù)，懸吊點在松動圈之外。
③大松動圈(厚度大于1 500mm)，錨桿的作用是給松動圈內(nèi)破裂圍巖提供約束力，使其恢復(fù)到接近原巖的強(qiáng)度并具有可縮性，采用加固拱理論設(shè)計錨桿支護(hù)參數(shù)?？梢?，松動圈支護(hù)理論確定了使用各種經(jīng)典錨桿支護(hù)理論的適用條件和范圍。
2.1.6圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論
侯朝炯等在已有研究成果的基礎(chǔ)上，提出巷道錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論。該理論的要點為：
①錨桿支護(hù)的實質(zhì)是錨桿與錨固區(qū)域的巖體相互作用組成錨固體，形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)；
②錨桿支護(hù)可提高錨固體的力學(xué)參數(shù)，包括錨固體破壞前與破壞后的力學(xué)參數(shù)(彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角等)，改善被錨巖體的力學(xué)性能；
③巷道圍巖存在破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)，錨桿錨固區(qū)域巖體的峰值強(qiáng)度、峰后強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度均能得到強(qiáng)化；
④錨桿支護(hù)可改變圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，增加圍壓，提高圍巖的承載能力，改善巷道支護(hù)狀況；
⑤圍巖錨固體強(qiáng)度提高后，可減小巷道周圍的破碎區(qū)、塑性區(qū)范圍和巷道表面位移，控制圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)的發(fā)展，從而有利于巷道圍巖的穩(wěn)定。
2.2常用錨桿形式
錨桿是錨固在巖體內(nèi)維護(hù)圍巖穩(wěn)定的桿狀結(jié)構(gòu)物。對地下工程的圍巖以錨桿作為支護(hù)系統(tǒng)的主要構(gòu)件，就形成錨桿支護(hù)系統(tǒng)。
單體錨桿由錨頭、桿體及托板組成。例如，對于以機(jī)械或化學(xué)方式錨固的端頭錨固式錨桿，位于錨孔內(nèi)部用于在錨桿和巖體之間傳遞力的部分是內(nèi)錨頭，位于錨桿孔外部用于支承托板并產(chǎn)生錨桿預(yù)應(yīng)力的部分是外錨頭。托板的作用是將圍巖壓力轉(zhuǎn)化為對錨桿的拉力。錨桿的桿體可用不同材料制造，用于承受張拉作用。
按照錨桿與被支護(hù)巖體錨固方式可將其分為機(jī)械式、粘結(jié)式和摩擦式三類。根據(jù)錨固段位置與長度又可分為端頭錨固與全長錨固兩類。按照錨桿作用特點可將其分為主動式與被動式。主動式錨桿安裝后施以預(yù)應(yīng)力，使不同巖層間摩擦作用增大，同時將錨固范圍內(nèi)巖層夾緊，形成梁或拱形式的承載結(jié)構(gòu)，可以提高巷道穩(wěn)定性。被動式錨桿不對桿體施加預(yù)應(yīng)力，只有在圍巖開始變形后才開始起加固作用，按照錨桿工作特性可將其劃分為剛性及可伸縮性錨桿。可伸縮性錨桿又可分為增阻性和恒阻性錨桿，其典型錨桿支護(hù)特性曲線，見圖。
按照桿體材料的不同可分為木錨桿、竹錨桿、金屬錨桿、(鋼筋)混凝土錨桿以及聚酯錨桿等。根據(jù)錨桿的組合方式又可區(qū)分出單體錨桿與組合錨桿支護(hù)。
典型錨桿支護(hù)特性曲線
1－剛性錨桿；2－增阻式；3－恒阻式
2.2.1機(jī)械式錨桿
機(jī)械錨固錨桿一般屬于端頭錨固式，并且錨桿的安裝需要施加預(yù)應(yīng)力，屬于主動式錨桿。常見的錨頭類型包括脹殼式、倒楔式和楔縫式等，常用金屬桿體直徑14~22mm，也有30~32mm的，桿體長度0.65~5.25m。
在機(jī)械錨固錨桿中，木錨桿、竹錨桿及其它人工合成材料錨桿在煤礦中得到一定應(yīng)用。這些錨桿具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、制造容易等優(yōu)點，一般用在服務(wù)年限短的回采巷道兩幫支護(hù)中。
1)脹殼式錨桿樣 常見的脹殼式錨桿由脹殼、錐形螺母、桿體、托板及螺帽等組成。
標(biāo)準(zhǔn)的脹殼式錨頭為沿縱向分割為兩瓣或四瓣的一段短管，另一端為未分割的剛性部分。脹殼外表面加工成鋸齒狀，脹殼內(nèi)插入一個有內(nèi)絲扣的錐形空心螺母。組裝好的錨桿送入孔底后，旋轉(zhuǎn)桿體，使錐形螺母向下滑動，迫使脹殼張開，嵌入孔壁，使錨桿錨固在巖體中。
2)金屬倒楔式錨桿 金屬倒楔式錨桿由固定楔、活動楔、桿體、托板和螺帽等組成。
倒楔式錨桿的錨頭由固定楔和活動楔組成。如果固定楔為鑄鐵的，則與桿體澆鑄為一體，相應(yīng)的活動楔也是鑄鐵的。如果固定楔是鋼制的，則與桿體螺絲連接，相應(yīng)的活動楔也是鋼制的。楔子的尺寸和錐度對于錨固力大小影響甚大。
安裝時先將由橡皮筋固定的活動楔與帶固定楔的桿體同時送入孔內(nèi)，視桿體外端露出孔口長度適宜為止，采用扁形長沖頭沿桿體一側(cè)送入孔內(nèi)頂住活動楔，并用錘撞擊使活動楔沿固定楔斜面滑動，造成楔體橫截面增大，并嵌入孔壁，然后裝上托板和螺母，使錨桿錨固在巖體中。
倒楔式錨桿構(gòu)造簡單，安裝方便，易于回收，安裝后可立即發(fā)揮支護(hù)作用。金屬倒楔式錨桿的錨固力一般可達(dá)30~50kN。在圍巖松軟、破碎時，錨固效果差，不宜采用。
3)楔縫式錨桿
(a)金屬楔縫式錨桿。金屬楔縫式錨桿由桿體、楔塊、托板和螺母等組成，其桿體用A3或A5鋼制成，直徑16~25mm，長度1.52.0m，桿體內(nèi)錨頭上有2~5mm寬、150~200mm長的縱向楔縫，外錨頭帶有100~150mm的標(biāo)準(zhǔn)螺紋。楔子一般用鑄鐵制成，較楔縫短10~20mm，楔頭厚1.5~2mm，楔尾厚20~25mm，楔寬與桿體直徑相同。
安裝時將楔子裝入楔縫并送入孔底，沖擊錨桿外錨頭使楔子撐開楔縫，造成內(nèi)錨頭緊壓孔壁，產(chǎn)生所需錨固力。然后安裝托板使錨桿進(jìn)入工作狀態(tài)。
楔縫式錨桿的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，成本低，易于安裝等。但對眼深及孔徑要求嚴(yán)格，對軟弱破碎巖體錨固力差，故不宜在軟巖中使用。此外，未灌漿的錨桿抗震能力差，且回收復(fù)用困難。
(b)木、竹楔縫式錨桿。木、竹錨桿是礦山巷道最經(jīng)濟(jì)的支護(hù)型式，它既可機(jī)械錨固也可粘結(jié)錨固。
木楔縫式錨桿由硬雜木制作，直徑一般為28mm，長度1.2~1.8m，桿體上、下端均加工出長度250mm左右的縱向縫。楔子長150~200mm，厚20~25mm。
竹楔縫式錨桿一般由兩片竹片制成30 mm×20mm的矩形截面桿體，長度1.2~1.6 m。內(nèi)外錨頭均采用與木錨桿類似的楔縫和硬雜木楔子。
竹倒楔式錨桿的固定楔和活動楔均由硬木或竹子做成，桿體由兩竹片制成，用鐵銷釘或鐵絲連成一體。桿體外錨頭為楔縫式楔子鎖口，通過打緊楔子獲得錨固力。
木、竹錨桿的托板可采用硬木板、塑化竹板、鋼筋混凝土或菱苦土板以及鋼板等。
木錨桿的設(shè)計錨固力10~20kN，不防腐可使用一年左右。防腐處理后配合噴漿可使用5~10a，竹錨固力一般10~20kN，經(jīng)過改制后的竹鋼組合錨桿的錨固力可達(dá)30kN左右。用于一年以上采區(qū)巷道時一般要作防腐處理或配合噴漿。
2.2.2粘結(jié)式錨桿
粘結(jié)式錨桿主要為分為水泥砂漿鋼筋錨桿和水泥或樹脂錨固鋼筋錨桿兩大類。前者屬于被動式錨桿，這類錨桿只有當(dāng)圍巖產(chǎn)生變形時，錨桿才能受載。顯然，它們必須緊跟掘進(jìn)工作面安裝，因為當(dāng)錨桿的安裝進(jìn)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于開挖工作時，圍巖會在短時間內(nèi)出現(xiàn)較大變形，這時再安設(shè)錨桿，已很難充分發(fā)揮錨固作用。另一類粘結(jié)式錨桿是安設(shè)后短期內(nèi)即可迅速固化并拉緊的。例如樹脂錨桿和水泥錨固錨桿，安裝迅速方便，錨固力大，并能防腐防銹，在軟弱破碎巖石中也能可靠工作。它們屬于主動式支護(hù)。按照粘結(jié)劑錨固長度，也可將粘結(jié)式錨桿分成全長粘結(jié)式或端頭粘結(jié)式，通常前者的錨固力為后者的數(shù)倍。
1)樹脂錨固鋼筋錨桿 樹脂錨固鋼筋錨桿由樹脂膠囊、桿體、托板和螺母等組成。桿體內(nèi)錨頭壓扁擰成反麻花狀，桿體由圓斷面到壓扁處形狀應(yīng)漸漸改變。內(nèi)錨頭應(yīng)設(shè)置擋圈，防止樹脂由孔內(nèi)外流。桿體外錨頭的螺紋應(yīng)由滾絲機(jī)滾制而成，以便提高螺紋段強(qiáng)度。目前，國內(nèi)已軋制出無縱筋螺紋鋼筋(又稱螺旋鋼筋)，有這種鋼筋做桿體可以不需加工，直接安裝螺帽，可以做為端頭錨固錨桿，也可做為全長錨固式錨桿。這種桿體不但可以提高錨桿粘結(jié)強(qiáng)度，而且便于安裝和進(jìn)行長度調(diào)節(jié)。
這種錨桿具有使用方便、節(jié)省工時、錨固力大、安全可靠、防震性能好、適用范圍廣等優(yōu)點?？梢灶A(yù)先拉緊也可以不預(yù)先拉緊。特別是全長粘結(jié)式錨桿可以在質(zhì)量很差的巖體中形成高強(qiáng)度粘固，選定合適的凝固時間，可以一次完成全長粘固和拉緊。這種錨桿的缺點是錨固劑成本高，貯存期短(6個月)。
2)水泥錨固錨桿 水泥錨固錨桿是以快硬水泥卷代替樹脂膠囊，其粘結(jié)方式也有端頭粘固和全長粘固兩種。水泥卷內(nèi)包裝的膠結(jié)材料由國產(chǎn)早強(qiáng)水泥和雙快水泥按一定比例混合而成。如果在水泥中添加外加劑，還可制成快硬膨脹水泥卷，它具有速凝、早強(qiáng)、減水、膨脹等作用，特點是膨脹水泥的膨脹率1h可達(dá)0.4%~0.6%，8h可達(dá)到0.7%~0.8%，1d可達(dá)到1.1%~1.3%，從而有助于桿體與孔壁的粘結(jié)，提高錨固力。
各種類型的水泥錨固錨桿都是通過錨桿錨頭將水泥擠入鉆孔裂隙，并快速粘結(jié)桿體與巖壁，由于體積膨脹達(dá)到產(chǎn)生較大錨固力的目的。直徑16mm的桿體采用快硬水泥卷作端頭錨固，半小時后錨固力可達(dá)到50kN以上，具有較好的錨固性能。水泥錨固錨桿具有適應(yīng)性較好、錨固迅速可靠、可以施加預(yù)應(yīng)力、抗震動沖擊等特點，并且，價格低廉、施工簡便，是一種較適合我國礦山應(yīng)用的錨桿類型，但是，它的錨固直徑及其它技術(shù)指標(biāo)一般不如樹脂錨桿，因此，在永久性重要地下工程中，特別在淋水或滲水嚴(yán)重的巷道中應(yīng)用受到限制。
我國還普遍使用水泥錨固的竹錨桿，為了使外錨頭強(qiáng)度與水泥錨固的內(nèi)錨頭粘結(jié)力相適應(yīng)，近年來研制了鋼竹組合錨桿。
3)水泥砂漿錨桿 水泥砂漿錨桿由水泥砂漿、桿體、托板和螺母組成，這是一種全長粘固式錨桿。水泥砂漿錨桿桿體一般采用A3鋼，直徑16~25mm，為增加錨固力，也可與機(jī)械式錨頭配合使用。水泥砂漿一般用425#以上硅酸鹽水泥，砂子粒徑不大于2.5mm。砂漿配合比(重量比)一般為：水泥：砂=1：1；水灰比=0.38~0.45。
這種錨桿的水泥砂漿依靠壓氣注眼器注入鉆孔內(nèi)，水泥砂漿凝固后，將錨桿與鉆孔壁粘結(jié)在一起。當(dāng)巖體發(fā)生變形時開始起作用。因此，必須在巖體發(fā)生明顯變形之前安裝。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、錨固力較高、抗沖擊和震動性能好。
砂漿鋼筋錨桿用于井下永久性工程或采區(qū)主要硐室。砂漿竹錨桿配合噴漿可用于服務(wù)期限5~10a的巷道。
2.2.3摩擦式錨桿
摩擦式錨桿是近年來發(fā)展起來的新型錨桿。按錨固原理它也是一種機(jī)械式錨桿。由于通過鋼管與孔壁之間的摩擦作用達(dá)到錨固目的，故多為全長錨固式。主要包括縫管錨桿、水脹管錨桿、爆固管錨桿和液力頂板銷釘?shù)?，而縫管式錨桿是我國獨創(chuàng)的。
1)縫管錨桿 縫管錨桿桿體是一根全長縱向開縫的長鋼管，外錨頭焊有一個直徑6mm~8mm的圓鋼彎成的圓鋼彎成的擋環(huán)，桿體直徑30~45mm，開縫寬度10~15mm，壁厚2.2~3m。
當(dāng)開縫管打入比管徑小1~3mm的鉆孔后，鋼管的彈性使其外壁與鉆孔巖壁擠緊并產(chǎn)生沿管全長的徑向應(yīng)力和軸向摩擦力，阻止圍巖變形，并在圍巖中產(chǎn)生一個壓應(yīng)力場，使圍巖加固。開縫管一般用沖擊法裝入鉆孔，為了便于安裝，錨頭部分制成圓錐形。在開縫管外錨頭處安裝托板。
縫管錨桿具有全長錨固的特點，安裝后立即提供預(yù)應(yīng)力，錨固力隨圍巖變形而增大，隨時間推移而增長，適應(yīng)性好，在軟弱破碎巖體及含水巖層中均能使用，錨固可靠。這種錨桿構(gòu)造簡單，安裝方便、快速、易于實現(xiàn)機(jī)械化。
2)水脹管錨桿 水脹管錨桿(Swellex dowel)是一種2mm厚、直徑41mm鋼管被褶疊成直徑25~28mm的異形鋼管，裝入直徑33~39mm的鉆孔中，通過高壓水泵將高壓水泵將高壓水注入管內(nèi)，使鋼管沿錨桿全長膨脹并壓緊孔壁，依靠管壁與孔壁之間的摩擦力和擠壓力實現(xiàn)支護(hù)目的。同時，管體的膨脹伴隨著縱向收縮，使托板緊貼巖面產(chǎn)生預(yù)緊力。
水脹管錨桿結(jié)構(gòu)簡單，安裝迅速，作業(yè)安全，抗震動性能好，錨固力大，錨固可靠。
2.2.4伸縮錨桿
理論分析與實踐經(jīng)驗均表明，在錨桿支護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計中，應(yīng)滿足錨桿變形(剛度)與圍巖變形相協(xié)調(diào)。因此，在松軟、破碎、膨脹性圍巖和動壓影響條件下，應(yīng)尋求具有與圍巖變形量相適應(yīng)的錨桿型式，以便允許圍巖有一個卸壓過程，這就是各種可伸縮式錨桿產(chǎn)生的背景。
目前，可伸縮式錨桿已有多種型式。概括起來，可以分為結(jié)構(gòu)可伸縮式與桿體可伸縮式兩種。
1)結(jié)構(gòu)可伸縮桿 這種錨桿是對桿體、內(nèi)錨頭、外錨頭及托板等構(gòu)件采用特殊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)可伸縮目的的。
結(jié)構(gòu)可伸縮桿一般都具有恒阻可縮性、伸縮量可調(diào)、動作比較可靠、伸長量較大等優(yōu)點，但這種錨桿的構(gòu)造通常較復(fù)雜，成本較高。
2)桿體可伸縮錨桿 普通錨桿桿體在拉力作用下的伸長量占總長度0.2%左右，如果采用優(yōu)質(zhì)鋼材，并對材料進(jìn)行專門加工處理，則可制成有較大延伸率的錨桿桿體。國內(nèi)采用對錨桿桿體進(jìn)行特殊熱處理方法，也達(dá)到了增大桿體延伸率的目的。桿體可伸縮式錨桿構(gòu)造最簡單，具有微增阻性。為了保證安全，在使用中往往只能利用桿體極限伸長量的一半，所以，伸長量是有限的。初錨力也較小。
為了適應(yīng)復(fù)雜巖體條件下圍巖的變形特性，可伸縮錨桿應(yīng)滿足下述要求：
(a)及時提供一定初錨力：錨桿安裝后，應(yīng)具有30~50kN的初錨力；
(b)有較大的極限伸縮量：錨桿極限伸縮量一般取為50~100mm，達(dá)錨桿全長的10%以上；
(c)具有恒阻式特征；
(d)較高的長期穩(wěn)定錨固力；
(e)能抵抗一定的橫向剪切作用。
2.3組合錨桿支護(hù)
2.3.1錨網(wǎng)與錨網(wǎng)梁支護(hù)
將錨桿與掩護(hù)網(wǎng)、托梁(鋼帶)聯(lián)合使用，組成一個以錨桿為主的整體承載結(jié)構(gòu)，可增大錨桿的承載面積，防止錨桿間小塊松石的冒落，大大改善錨桿系統(tǒng)的整體支護(hù)性能，使錨桿支護(hù)有可能應(yīng)用在頂板較破碎或節(jié)理裂隙發(fā)育的條件下和受采動影響的巷道中。而且，還可用于巷道寬度較大的情況，從而明顯地改善了錨桿的支護(hù)效果，進(jìn)一步擴(kuò)大了錨桿支護(hù)的應(yīng)用范圍。
作為聯(lián)系各個錨桿的托梁主要采用鋼梁。鋼梁的選材范圍較寬，可以采用槽鋼、角鋼和U型鋼。
近年來，國內(nèi)、外也廣泛采用鋼帶作為錨桿的聯(lián)系構(gòu)件。鋼帶由扁鋼或薄鋼板制成，為了便于錨桿安裝，在鋼帶上預(yù)先鉆好孔，鉆孔形狀為橢圓形，鉆孔直徑由相應(yīng)錨桿直徑確定。我國生產(chǎn)的鋼帶，共有12種規(guī)格，其長度1.6~4.0m，寬180~280mm，每條重量在5~29kg之間，可根據(jù)不同需要選用。
煤礦常用的鋼帶型式有：W型鋼帶、M型鋼帶、梯形鋼帶等。
W型鋼帶采用抗拉強(qiáng)度375－500MPa的普通熱軋或冷軋鋼帶制作，其機(jī)械性能及技術(shù)要求應(yīng)符合GB/T 700的規(guī)定。W型鋼帶的破斷力應(yīng)不小于183kN。
梯形鋼帶采用抗拉強(qiáng)度490 MPa以上鋼坯軋制，力學(xué)性能：高強(qiáng)度鋼帶的鋼帶空撕裂力不小于220kN；普通鋼帶的鋼帶空撕裂力不小于180kN；高強(qiáng)度鋼帶承載力不小于220kN；普通鋼帶承載力不小于180kN，其他機(jī)械性能及技術(shù)要求應(yīng)符合GB/T 700的規(guī)定。
M型鋼帶采用Q235A材質(zhì)，抗拉強(qiáng)度在375MPa以上的普通熱軋或冷軋鋼帶制作，其機(jī)械性能及技術(shù)要求應(yīng)符合GB/T 700的規(guī)定。M型鋼帶的破斷力應(yīng)不小于190kN。
也可采用鋼筋梯代替鋼帶，鋼筋梯的鋼筋直徑一般為10mm，鋼筋間距約80~100mm。它們的主要優(yōu)點是省鋼材，且有較大剛度。但是，必須保證鋼筋梯整體焊接質(zhì)量，并在使用中確保錨桿托板能切實托住鋼筋梯。
金屬網(wǎng)是組合錨桿支護(hù)中常用的構(gòu)件，它用來維護(hù)錨桿間圍巖，防止小塊松石掉落，也可用作噴射混凝土的配筋。被錨桿拉緊的金屬網(wǎng)還能起到聯(lián)系各錨桿組成支護(hù)整體的作用。金屬網(wǎng)可負(fù)擔(dān)的松石取載荷決于錨桿間距大小。
常見的金屬網(wǎng)采用直徑3~4mm的鐵絲編織而成，一般采用鍍鋅鐵絲。以往采用60mm×60mm的矩形孔網(wǎng)，即經(jīng)緯網(wǎng)。目前，經(jīng)緯網(wǎng)已被絲距40~100mm的鉸接菱形孔金屬網(wǎng)取代。這種菱形網(wǎng)具有柔性好、強(qiáng)度高、連接方便等優(yōu)點，近年來已在我國煤礦廣泛應(yīng)用。
由于金屬網(wǎng)消耗鋼材較多，目前正在盡可能采用玻璃纖維網(wǎng)或塑料網(wǎng)代替。
2.3.2錨桿桁架
頂板錨桿桁架是60年代末出現(xiàn)的組合錨桿支護(hù)的一種型式。這種支護(hù)由水平拉桿、錨桿和頂板巖層一起形成整個桁架系統(tǒng)，通過水平拉桿的預(yù)緊作用而表現(xiàn)為主動式支護(hù)，從而大大改善頂板應(yīng)力狀態(tài)，增強(qiáng)頂板成拱效應(yīng)，提高頂板整體抗剪能力。特別適用于圍巖變形大的軟巖巷道，對于錨桿或其它常規(guī)支護(hù)方法難于維護(hù)的復(fù)雜地質(zhì)條件、軟弱破碎頂板控制有重要作用。
頂板錨桿桁架的最基本組成部分為頂板錨桿和水平拉桿，其余構(gòu)件可依情況增減。
2.3.3錨網(wǎng)索
錨桿與預(yù)應(yīng)力錨索聯(lián)合支護(hù)，與普通的錨網(wǎng)支護(hù)相比，具有更大的支護(hù)強(qiáng)度和可靠性，并且最大限度地改善和拓寬了錨網(wǎng)支護(hù)的受力狀況和應(yīng)用范圍，大大降低了巷道的維護(hù)及返修工作量，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 預(yù)應(yīng)力錨索由高強(qiáng)度鋼絞線、成套鎖具、托盤等構(gòu)件組成，安裝時與樹脂錨固劑配合使用并施加一定的預(yù)緊力。鋼絞線是由一組鋼絲沿一根縱軸鋼絲左旋纏繞而成的；鎖具是由錨頭外套、錨頭鎖片、橡膠圈組成的成套錨固裝置。
鋼絞線的直徑一般為15.2mm，長度為5000－8000mm。鋼絞線強(qiáng)度有1720MPa和1860MPa兩個級別，優(yōu)先選用1860MPa強(qiáng)度級別。其力學(xué)性能及技術(shù)要求應(yīng)符合GB/T 5224的規(guī)定。
鋼絞線的伸長率（標(biāo)距500mm）應(yīng)不小于3.5％；錨索安裝后應(yīng)施加100kN的預(yù)緊力，鋼絞線破斷負(fù)荷應(yīng)大于220kN。
錨索托盤采用Q235A材質(zhì)、抗拉強(qiáng)度在380MPa及其以上的碳素結(jié)構(gòu)鋼平托盤，承載能力應(yīng)與鋼絞線匹配。托盤中心孔直徑比鋼絞線直徑大2mm，最小幾何尺寸不小于250mm X 250mm X 20mm。
3沖擊礦壓發(fā)生的機(jī)理、特征及危害
3.1沖擊礦壓發(fā)生的機(jī)理
沖擊礦壓是礦山壓力的一種特殊顯現(xiàn)形式,是礦山井巷和采場周圍煤巖體,由于變形能和重力勢能的釋放而產(chǎn)生的以突然、急劇、猛烈的破壞為特征的動力現(xiàn)象。簡單地講,沖擊礦壓就是煤(巖)體的突然破壞現(xiàn)象。未開挖和采掘之前,地下巖體處于三向應(yīng)力狀態(tài),在三向高應(yīng)力的作用下,煤巖體積聚了大量的彈性能。當(dāng)巷道掘出或工作面的煤采出之后,巷道的頂?shù)装搴推鋳A持的煤體形成一個系統(tǒng),由于煤體的極限強(qiáng)度低于頂?shù)装?因此,該系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)是頂?shù)装鍔A持的煤體。在巷道的開挖和地下煤體的采出過程中,頂?shù)装逅鶌A持的煤體應(yīng)力發(fā)生重新分布,從而在夾持的煤體中依次形成卸載區(qū)、夾持區(qū)和彈性區(qū)(圖1)。卸載區(qū)的煤體已經(jīng)破裂,其積聚的能量絕大部分得到釋放,但在頂板彎曲下沉?xí)r又被壓實(圖1中A區(qū)),夾持區(qū)雖已出現(xiàn)微破裂(形成包體),但強(qiáng)度仍未降低,仍被頂?shù)装謇喂痰貖A持著(圖1中B區(qū)),在支撐壓力的后方深部煤層仍處于彈性狀態(tài)(圖1中C區(qū))。卸載區(qū)、夾持區(qū)和彈性區(qū)并不是固定不變的,在頂板(基本頂)的彎曲下沉中,夾持煤體受到的應(yīng)力集中程度逐漸加大,夾持區(qū)以及彈性區(qū)向著遠(yuǎn)離巷道兩幫方向移動,卸載區(qū)的范圍擴(kuò)大,夾持煤體的能量逐漸增加。
圖1 煤層極限平衡狀態(tài)示意
由于煤體處于頂?shù)装宓膴A持當(dāng)中,這樣,一方面頂?shù)装鍔A持的煤體在高應(yīng)力的作用下趨于側(cè)向突破或向采掘空間逐漸膨脹,另一方面煤—巖交界處的摩擦阻力又阻礙上述過程的發(fā)展,這就使得夾持的煤體積聚了大量的彈性能,這些能量大部分儲存在B區(qū),使得B區(qū)成為一個能量氣囊,為了釋放其積聚的彈性能, B區(qū)必然會對A區(qū)施加一個內(nèi)部推力,隨著能量的積聚, B區(qū)對A區(qū)的內(nèi)部推力越來越大,當(dāng)這個推力大于A區(qū)的阻力時, A區(qū)就會向采空區(qū)或巷道一側(cè)移動, A區(qū)的壓出使得B區(qū)的部分或全部圍巖阻力迅速降低,為B區(qū)提供了急劇破壞條件,煤層和圍巖中所積聚的彈性能轉(zhuǎn)化為動能,又促進(jìn)了A區(qū)的壓出,在壓力足以使A區(qū)不斷壓出的條件下,必將引起B(yǎng)區(qū)的加速破壞,當(dāng)B區(qū)裂縫擴(kuò)展的能量釋放率大于其能量的消耗率時,釋放出的多余能量把從其表面破碎分離的煤巖迅速地拋出從而形成沖擊礦壓。
由上可知, B區(qū)的破壞失穩(wěn)是發(fā)生沖擊礦壓的關(guān)鍵因素,如果B區(qū)破壞的范圍不大,則顯現(xiàn)為常見的煤壁片幫或小煤炮,如果B區(qū)離采空區(qū)或巷道一側(cè)的距離過遠(yuǎn),即使B區(qū)的破壞范圍比較大, B區(qū)對A區(qū)的內(nèi)部推力也難以克服A區(qū)的摩擦阻力,從而使得B區(qū)的能量得不到釋放。由此可見,只有當(dāng)B區(qū)離巷道一側(cè)的距離適當(dāng)時才發(fā)生沖擊礦壓。
巷道掘出或地下煤體采出之后,巷道頂板(堅硬的基本頂)不僅承受著強(qiáng)大的礦山壓力,并且把礦山壓力快速傳遞到其夾持的煤體上,其彎曲變形會影響夾持煤體的應(yīng)力集中范圍,進(jìn)而影響B(tài)區(qū)離煤壁的距離和其積聚能量的大小。隨著頂板的彎曲下沉, B區(qū)積聚越來越多的能量,同時A區(qū)的范圍擴(kuò)大, B區(qū)向C區(qū)方向移動。頂板下沉量的大小和下沉速度對沖擊礦壓的發(fā)生有很大的關(guān)系,顯然,如果頂板突然下沉, B區(qū)來不及向遠(yuǎn)離采空區(qū)或巷道方向移動,從而使得B區(qū)瞬間獲得大量的能量和受到極高的應(yīng)力,強(qiáng)大的內(nèi)部推力必然會使得A區(qū)向采空區(qū)或巷道迅速移動而發(fā)生沖擊礦壓。圖2是對幾個采場發(fā)生的22次沖擊礦壓的觀測結(jié)果,從圖2中可以看出80%的沖擊礦壓發(fā)生在距離煤壁18~20 m的范圍,且沖擊礦壓發(fā)生時頂板的下沉量范圍均在40-95mm。
圖2 頂板下沉量、離煤壁距離與沖擊礦壓的分布
1984~1989年通過對幾個礦井的33次破壞沖擊礦壓的觀測,得出沖擊礦壓發(fā)生前的頂板動態(tài)曲線(圖3)。從圖3中可以看出,沖擊礦壓主要發(fā)生在頂?shù)装逡平俣壬仙巍?
圖3 沖擊礦壓發(fā)生前頂板動態(tài)曲線
因此,控制頂板的下沉量和下沉速度對防止沖擊礦壓的發(fā)生有著非常積極的意義。而頂板的下沉量和下沉速度不僅與巷道的埋深、頂板的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)系,而且還與巷道頂板(基本頂)的厚度有關(guān)系?；卷斣胶?其抗變形能力就越強(qiáng),因此,在相同的地質(zhì)條件和采動影響下,巷道頂板的下沉量和下沉速度隨著基本頂厚度的增加而減少,頂板突然下沉的概率也會明顯減少。
3.2沖擊礦壓對環(huán)境的影響
在采礦巷道工作面中發(fā)生震動和沖擊礦壓，將會對井下巷道、井下工作人員和地面建筑物造成影響。
1、對井下巷道的影響
沖擊礦壓對井下巷道的影響主要是動力將煤巖拋向巷道，破壞巷道周圍煤巖的結(jié)構(gòu)及支護(hù)系統(tǒng)，使其失去功能（如下圖所示）。而一些小的沖擊礦壓或者說巖體卸壓，則對航道的破壞不大。巷道局不破壞、剝落巷道支架部分損壞。應(yīng)當(dāng)確定，當(dāng)?shù)V山震動較小，或震中距巷道較遠(yuǎn)時，將不會對巷道產(chǎn)生任何破壞。
2、對礦工的影響
在發(fā)生沖擊礦壓區(qū)域如有工人工作，則可能對其產(chǎn)生傷害，甚至造成死亡事故。
波蘭的分析結(jié)果表明，發(fā)生沖擊礦壓后，人員受傷的主要部位是腦部，占91.65％，其次是胸部的機(jī)械破壞，包括肋骨折斷等占60.41％。而內(nèi)部器官的損壞主要是肺、心、胃等，占18.75％，再其次為下肢的折斷。
3、對地表建筑物的影響
礦山震動和沖擊礦壓不僅對井下巷道造成破壞，傷害工作人員，而且對地表及地表建筑物造成損壞，甚至造成地震那樣的災(zāi)難性后果（如圖所示），如波蘭就曾于1982年6月4日在Bytom市下發(fā)生的3.7級的礦山震動，造成了588多棟建筑物的損壞。
3.3沖擊礦壓的特征
通常情況下，沖擊礦壓會直接將煤巖拋向巷道，引起巖體的強(qiáng)烈震動，產(chǎn)生強(qiáng)烈聲響，造成掩體的破斷和裂隙擴(kuò)展。因此，沖擊礦壓具有如下明顯的顯現(xiàn)特征：
（1）突發(fā)性。沖擊礦壓一般沒有明顯的宏觀前兆而突然發(fā)生，沖擊過程短暫，持續(xù)時間幾秒倒計時秒，難以事先準(zhǔn)確確定發(fā)生的時間、地點和強(qiáng)度。
（2）瞬時震動性。沖擊礦壓發(fā)生過程急劇而短暫，像爆炸一樣伴有巨大的聲響和強(qiáng)烈的震動，電機(jī)車等重型設(shè)備被移動，人員被彈起摔倒，震動波及范圍可達(dá)幾千米甚至幾十千米，地面有地震的感覺，但一般震動持續(xù)時間不超過幾十秒。
（3）巨大破壞性。沖擊礦壓發(fā)生時，頂板可能有瞬間明顯下沉，但一般并不冒落；有時底板突然開裂鼓起甚至接頂；常常有大量煤塊甚至上百立方米的媒體突然破裂并從煤壁拋出，堵塞巷道，破壞支架；從后果來看沖擊礦壓常常造成慘重的人員傷亡和巨大的生產(chǎn)損失。
（4）復(fù)雜性。自然地質(zhì)條件上，除褐煤以外的各種煤種都記錄到?jīng)_擊現(xiàn)象，采深從200-1000米，地質(zhì)構(gòu)造從簡單到復(fù)雜，煤層從薄層到特厚層，傾角從水平到急斜，頂板包括砂巖、灰?guī)r、油母頁巖等都發(fā)生過沖擊地壓。在生產(chǎn)技術(shù)條件下，不論水平、炮采、機(jī)采或是綜采，全部垮落法等各種采煤工藝，不論是長壁、短壁、房柱式或煤柱支撐式，分層開采還是倒臺節(jié)開采等各種采煤方法都出現(xiàn)過沖擊地壓。
針對沖擊礦壓巷道的破壞特征, 巷道的支護(hù)必須與其相適應(yīng)。沖擊礦壓是巖體破壞的一種特殊形式, 常規(guī)支護(hù)的功能都是必須的, 此外還有其特殊的要求: 更高的承載能力、良好的柔性、穩(wěn)定性和整體性。
4錨桿支護(hù)原理分析
4.1錨桿支護(hù)對沖擊礦壓巷道的適應(yīng)性分析
目前煤礦回采巷道支護(hù)主要有2類: 一種是架設(shè)在巷道表面的棚式支架, 另一種是植入巷道圍巖內(nèi)的錨桿支護(hù)。棚式支架主要有木棚、工字鋼支架、U型鋼可縮支架等。其中木棚、工字鋼支架為一梁兩腿的支撐結(jié)構(gòu), 支護(hù)強(qiáng)度低, 不具備可縮性, 在受到外載后, 梁和腿比較容易彎曲或折斷,從而導(dǎo)致整架失穩(wěn), 不適用于沖擊礦壓巷道的支護(hù)。U型鋼可縮支架是由幾段搭接而成, 可以做成封閉的環(huán)狀, 靠搭接段的滑動可以有一定的縮量,由于其相對于其他棚式支架有較高的強(qiáng)度和一定的可縮量, 在國內(nèi)外某些困難巷道條件下被使用, 取得較好支護(hù)效果。盡管如此, U 型鋼支架與錨桿支護(hù)相比, 還有許多不足, 比如它是一種被動支護(hù),其提供的支護(hù)強(qiáng)度有限, 在沖擊礦壓的突然作用下, 往往U 型鋼的可縮性未來得及動作就被沖毀了。圖4為煤礦常用支護(hù)形式的工作特性曲線。
圖4 不同支護(hù)形式的工作特性曲線
錨桿支護(hù)原理與傳統(tǒng)的棚式支護(hù)不同, 它是一種主動支護(hù)形式, 通過施加預(yù)緊力, 可以實現(xiàn)早期承載, 提高圍巖的整體強(qiáng)度, 符合有效利用圍巖自承能力的現(xiàn)代支護(hù)理念。近年來研究成功的超高強(qiáng)錨桿、強(qiáng)力錨索等支護(hù)材料使錨桿支護(hù)可以達(dá)到很高的支護(hù)強(qiáng)度。
錨桿安裝在鉆孔中, 和圍巖錨固成一體, 作為一種內(nèi)在的支護(hù)形式, 有非常好的自身穩(wěn)定性, 受到?jīng)_擊載荷不輕易失穩(wěn), 在與圍巖協(xié)調(diào)變形中持續(xù)地發(fā)揮著支護(hù)作用。
錨桿支護(hù)又是一種柔性支護(hù)形式。所謂柔性是指其具有良好的延展性, 與圍巖同步協(xié)調(diào)變形, 不易失穩(wěn), 相對于石材、型鋼支架, 錨桿支護(hù)的延伸量為其可縮量的幾倍到幾十倍(參見圖1)。由于錨桿具有柔性特征, 使其對于沖擊載荷有良好的適應(yīng)能力, 錨桿對于沖擊載荷不是硬頂, 而是讓壓,在保護(hù)自身不被破壞的前提下始終給圍巖一定約束力, 控制圍巖變形和進(jìn)一步的破壞。
錨桿支護(hù)由金屬網(wǎng)、鋼帶、托盤等支護(hù)附件與錨桿、錨索一起形成了一個立體的支護(hù)體系: 錨固劑、錨桿、錨索與圍巖粘結(jié)成一體, 形式一定厚度和強(qiáng)度的加固體; 由金屬網(wǎng)、鋼帶、托盤等在巷道表面形成了一個封閉的柔性金屬護(hù)表層。柔性金屬護(hù)表層可以控制圍巖變形, 阻止圍巖的破碎和拋射, 即使巷道受到較強(qiáng)烈的沖擊, 仍能保持一定的空間。不像剛性支架那樣, 受沖擊后立即失穩(wěn), 破碎煤巖失控可能使巷道被全部堵死。錨桿支護(hù)的整體性, 對于減輕沖擊礦壓對人員傷害, 保證巷道發(fā)生沖擊礦壓后人員的撤出極為重要。
撫順老虎臺煤礦、新汶華豐煤礦在沖擊礦壓巷道中試驗錨桿支護(hù)收到了良好的效果。甘肅華亭硯北煤礦在急傾斜特厚煤層首采工作面開采過程中,回采巷道支護(hù)曾采用29號U 型鋼支架, 巷道變形嚴(yán)重, 并多次發(fā)生沖擊礦壓, 采用錨桿支護(hù)后支護(hù)狀況大大改善, 再沒有發(fā)生沖擊礦壓。
理論和實例說明, 錨桿支護(hù)對沖擊礦壓巷道有良好的適應(yīng)性。
4.2錨桿支護(hù)對圍巖應(yīng)力狀態(tài)的改良作用
巷道開挖以后, 應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生很大變化, 會出現(xiàn)受拉和受剪的區(qū)域, 巷道圍巖中的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力區(qū)域最容易發(fā)生破壞。通過錨桿給圍巖施加一定的壓應(yīng)力, 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; 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。所以錨桿有消除圍巖不良應(yīng)力區(qū)的作用。
從圍巖本身來看, 巷道開掘后受力狀態(tài)由原來的三向受力變?yōu)槠矫媸芰? 甚至出現(xiàn)單向受力的情況, 預(yù)應(yīng)力錨桿等于給巷道圍巖施加了一個表面應(yīng)力, 使它又恢復(fù)了三向受力的狀態(tài)。大量的實驗數(shù)據(jù)表明, 隨著圍壓的增加, 巖石的峰值強(qiáng)度大幅增加, 并且破壞形式由脆性向延性過渡。由此說明,錨桿支護(hù)改變了圍巖的受力狀態(tài)和變形特性, 提高了巷道的圍巖承載能力, 同時在一定程度上降低了發(fā)生沖擊礦壓的可能性。
4.3錨桿對圍巖約束作用
巷道圍巖沖擊破壞時, 主要是沿弱面及節(jié)理錯動, 使其強(qiáng)度迅速降低。錨桿加固的圍巖, 在錨桿的縱向約束和橫向抗剪作用下, 可以一定程度上阻止結(jié)構(gòu)面的錯動和滑移, 抑制煤巖生成新的破壞面, 保持圍巖整體性和自身強(qiáng)度。錨桿支護(hù)對煤巖體施加的工作阻力, 可有效地抑制圍巖變形和移動, 阻止破壞區(qū)域的形成和擴(kuò)大, 避免巷道破壞失穩(wěn)。
錨桿與托板鋼帶、金屬網(wǎng)一起組成柔性護(hù)表層, 可有效地抑制煤塊的拋射和破碎煤體的冒空,保持巷道表層破碎圍巖的穩(wěn)定, 避免巷道局部破壞而導(dǎo)致整個支護(hù)系統(tǒng)失穩(wěn)。
4.4錨桿支護(hù)的吸能作用
根據(jù)沖擊礦壓的能量理論, 沖擊礦壓的發(fā)生就是由于煤巖體破壞時釋放的能量大于其吸收能量所致, 即剩余能量的釋放是沖擊礦壓發(fā)生的根本原因。如果巷道支護(hù)系統(tǒng)可以吸收掉全部剩余能量,沖擊礦壓就不會發(fā)生。
錨桿支護(hù)系統(tǒng)中, 錨桿是最主要的吸能構(gòu)件,其吸收能量可以由其工作特性曲線確定, 錨桿吸收的能量就等于其工作阻力對變形量的積分。圖3是錨桿的一般工作特性曲線, 圖中陰影面積即其最大吸能值。
錨桿支護(hù)的高強(qiáng)度和良好柔性, 使其具有很好的吸收沖擊能量的能力, 這是其他支護(hù)形式無法比擬的, 也是錨桿支護(hù)用于沖擊礦壓巷道有效性的關(guān)鍵所在。
5結(jié)論
(1) 巷道沖擊礦壓具有發(fā)生突然、來壓劇烈、破壞性強(qiáng)等特點, 對巷道支護(hù)提出了更高的要求。
(2) 錨桿支護(hù)做為一種內(nèi)在的支護(hù)形式, 有非常好的自身穩(wěn)定性, 可以實現(xiàn)主動支護(hù)、早期承載, 可以達(dá)到很高的支護(hù)強(qiáng)度, 柔性特征使其能夠適應(yīng)沖擊礦壓巷道大變形。理論和工程實踐表明,錨桿支護(hù)對沖擊礦壓巷道具有良好的適應(yīng)性。
(3) 沖擊礦壓巷道錨桿支護(hù)的作用原理表現(xiàn)在: 對圍巖體整體強(qiáng)度的強(qiáng)化作用、對圍巖應(yīng)力狀態(tài)的改良作用、對圍巖變形破壞的約束作用和對的沖擊剩余能量的吸收作用。
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