煤巷锚杆支护设计机理分析

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　　摘 要：巷道支护的基本原理是巷道支护（支架或锚杆）与围岩共同承载，并尽量促使岩层形成承载结构。该文介绍了矿山回采巷道施工中对破碎岩石巷道支护的原则，指出了回采巷道锚杆支护的几个问题，提出了相应对策。
　　关键词：锚杆支护；煤巷；设计；应用
　　中图分类号：TD8 文献标识码：B 文章编号：1009-9166（2011）0011(C)-0207-01
　　
　　一、锚杆支护机理分析
　　目前锚杆支护理论，主要是悬吊理论、组合梁理论、组合拱（压缩拱）理论、围岩松动圈支护理论、最大水平应力理论、巷道锚杆支护围岩强度强化理论等，无论在过去和现在，这些理论对锚杆支护机理的认识与指导岩体工程实践都起到了不可低估的作用。但由于地质条件的复杂性与研究手段的局限性，锚杆支护理论至今尚不成熟，还不能单独依靠某种理论为锚杆支护做出比较准确的设计。
　　从锚杆支护加固机理的讨论中，可以得到对锚杆支护实践有指导意义的几点结论：
　　1、为提高被加固岩层的强度，在可能条件下尽量提高对顶板的锚固强度。锚固强度越大，围岩形成的承载结构承载能力越大；
　　2、巷道掘进以后，应及时安设锚杆，防止顶板早期出现离层，这样极有利于顶板的稳定。应避免安设锚杆的时间与滞后掘进工作面的距离超过规定时间；
　　3、按规定拧紧锚杆的紧固螺母，以使锚杆具有较大的初锚力。
　　二、设计依据
　　根据现场地质资料，在现有锚杆支护理论和预应力锚杆（索）控制围岩思想的基础上，采用系统动态监测设计法对某矿下顺槽进行锚杆支护初步设计，并辅以工程类比和理论计算，然后通过现场施工、监测，并经过综合观测结果的整理、分析，对初始设计进行修改、调整，最终完善锚杆支护参数设计。
　　1、预应力控制围岩的基本原理
　　众所周知，巷道开挖后在围岩很小变形时（约在破坏载荷的25%以下），脆性特征明显的岩体就出现开裂、离层、滑动、裂纹扩展和松动等现象，使围岩强度大大弱化。如果巷道开挖后立即安装锚杆，但未施加预拉力，由于锚杆极限变形量大于围岩极限变形量，又由于各类锚杆都有一定的初始滑移量，因而锚杆不能阻止围岩的开裂、滑动和弱化。只有当围岩的开裂位移达到相当的程度（在钢筋混凝土中达到极限载荷的60%―75%）以后，锚杆才起到阻止裂纹扩展的作用，这时围岩已几乎丧失抗拉和抗剪的能力，加固体的抗拉和抗剪能力主要依赖于锚杆。
　　（1）顶板预应力结构的形成需要以下条件
　　①安装支护构件时应能够提供一个明确的张拉力，其绝对值应明显大于松动岩体的重量，这种主动施加的作用力应适度，过小或过大都不合适；
　　②支护构件应能保证和加固区内围岩的相互作用稳定存在，并具有合适的强度；
　　③支护结构刚度应和围岩匹配，同步承载，协调变形。
　　（2）预应力支护理论主要内容
　　①预拉力（或称初撑力）的大小对顶板稳定性具有决定性的作用，当预拉力大到一定程度时，使顶板岩层处于横向压缩的状态，形成预应力承载结构，从而大大缓解或消除横向弯曲变形，只有纵向的微小膨胀和压缩变形，因而锚杆长度范围内和锚杆长度以上的顶板离层得以消除；
　　②水平应力的存在有利于巷道顶板的稳定；
　　③锚杆参数和预拉力的合理配置可以使锚杆长度之内和锚杆长度之外的上覆顶板岩层都不存在离层破坏；
　　④预应力顶板将使得垂直压力均化到巷道两侧纵深范围，巷道两侧的压力集中现象减小，片帮的现象缓和，两帮的维护将变得相对简单；
　　⑤施工机具、施工工艺和锚杆结构及加工等方面的研究应以实现高预拉力为中心。
　　2、系统动态监测设计法
　　系统动态监测设计法是以对地应力场及其对巷道稳定性的影响方式、围岩变形失稳规律、锚杆支护机理与支护特性三个方面的正确认识为理论依据；以现场调查、工程实测和矿压观测为依托手段和表现形式；以解释实测与观测结果从而实施监控所应遵循的工程准则为核心内容的一种系统性的煤巷锚杆支护设计方法。
　　三、结语
　　1、回采巷道的支护应充分遵循全支护原则、支护与围岩共同作用原则、控制原则和短期临时加强支护的原则。
　　2、锚杆及其组合支护（锚网、锚梁、桁架等）可以充分发挥围岩的自身承载能力，提高围岩的强度，适应动压作用，是回采巷道有前途的支护形式。
　　层状岩层中，不破顶的回采巷道锚杆作用机理主要是悬吊作用和组合梁作用。
　　3、提高锚杆的预紧力和及时支护，对于增加围岩强度、控制岩层早期变形和破坏、发挥围岩自承能力有重要意义。
　　
　　 作者单位：潞安新疆煤化工（集团）有限公司

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