煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)研究

1、    煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)研究    何力強(qiáng)摘要：煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展方向是采用強(qiáng)度更高性能更好的錨桿產(chǎn)品，以更大的間排距完成支護(hù)目標(biāo)，減少錨桿用量并以更快的掘進(jìn)速度完成施工，同時(shí)保證更好的安全可靠性，因而應(yīng)加強(qiáng)對(duì)錨桿支護(hù)系統(tǒng)性的認(rèn)識(shí)，在解決問(wèn)題中深化研究，進(jìn)一步揭示錨桿作用的實(shí)質(zhì)和機(jī)理，指導(dǎo)實(shí)踐；研發(fā)更高性能的錨桿產(chǎn)品及相關(guān)加工技術(shù)，使支護(hù)形式多樣化，把握技術(shù)發(fā)展的方向；進(jìn)一步規(guī)范施工技術(shù)，消除隱蔽工程，加強(qiáng)安全可靠性研究，強(qiáng)化施工現(xiàn)場(chǎng)管理。關(guān)鍵詞：煤巷錨桿錨索支護(hù)技術(shù)0 引言煤巷樹脂錨桿是指對(duì)巖層及煤層起錨固作用、維護(hù)圍巖穩(wěn)定的桿狀結(jié)構(gòu)物及附件，其種

2、類和結(jié)構(gòu)繁雜多樣，但各礦井一般都將其作為簡(jiǎn)單材料，分散加工，規(guī)模小質(zhì)量不穩(wěn)定，使用效果差，根本原因在于對(duì)錨桿加工要求和結(jié)構(gòu)必須具備的基本性能不清楚。隨著這一技術(shù)的推廣應(yīng)用和普及，客觀上要求提高錨桿整體性能及加工精度，特別是困難復(fù)雜條件下應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)對(duì)錨桿的性能提出了更高的要求，把錨桿作為一種簡(jiǎn)單的支護(hù)材料已不適應(yīng)全面推廣這一新技術(shù)的要求，必須使錨桿加工系列化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，只有高性能的成套錨桿才可能滿足地質(zhì)條件復(fù)雜多變的需求。1 高性能(預(yù)拉力)錨桿支護(hù)錨桿結(jié)構(gòu)和加工性能如何規(guī)范是十分重要的技術(shù)問(wèn)題，針對(duì)目前錨桿加工、使用中存在的缺陷和問(wèn)題，筆者提出高性能錨桿的概念，它是指桿體材質(zhì)符合高強(qiáng)度

3、、延伸率要求、附件完整、整體強(qiáng)度和幾何尺寸匹配、能夠滿足鉆機(jī)連續(xù)一體化安裝并實(shí)現(xiàn)預(yù)拉力的新型錨桿。目前煤巷推廣使用的一種高性能錨桿有如下特點(diǎn)：采用20mnsi無(wú)縱筋左旋螺紋鋼加工，其強(qiáng)度和延伸率都符合高強(qiáng)度錨桿對(duì)材質(zhì)的要求，材質(zhì)優(yōu)良，取材方便，桿體表面凸紋能夠滿足攪拌阻力和錨固要求，不必二次加工；外端螺紋部采用低強(qiáng)度損失加工新工藝，螺母、托盤、鋼帶等附件尺寸匹配、強(qiáng)度相當(dāng)；雙重減摩措施，保證實(shí)現(xiàn)預(yù)拉力(初錨力)，并調(diào)整錨桿外端受力；扭矩螺母實(shí)現(xiàn)快速機(jī)械安裝結(jié)構(gòu)；有醒目的標(biāo)志直觀顯示安裝施工質(zhì)量。配套的新型附件性能優(yōu)越，包括頂板用m型鋼帶和幫用的型輕型帶鋼，前者是針對(duì)w型鋼帶易撕裂、抗彎模量小的

4、缺陷，經(jīng)過(guò)斷面形狀優(yōu)化產(chǎn)生的高翼緣結(jié)構(gòu)；后者是針對(duì)鋼筋梯子梁焊點(diǎn)不牢，整體性差，與圍巖接觸困難的缺陷而開發(fā)出來(lái)的，用料省，整體力學(xué)性能好，它們都屬于更新?lián)Q代產(chǎn)品，有多種規(guī)格和多個(gè)系列。為了強(qiáng)調(diào)預(yù)拉力的作用，這種錨桿又稱高性能預(yù)拉力錨桿。2 小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索由預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度鋼絞線、專用托盤、鎖具和錨固劑組成，其中鋼絞線內(nèi)錨固段需安設(shè)毛刺和擋環(huán)，以滿足攪拌樹脂和錨固要求。2.1 錨索主要在復(fù)雜困難條件下作為加強(qiáng)支護(hù)用。與高性能錨桿支護(hù)相比，該種支護(hù)方式具有如下優(yōu)點(diǎn)：鉆眼施工機(jī)具、錨固材料及攪拌方式沿用樹脂錨桿相關(guān)技術(shù)，較傳統(tǒng)的錨索大大簡(jiǎn)化了施工難度；鋼絞線具有柔性，因而長(zhǎng)度可以適當(dāng)加

5、長(zhǎng)，錨固深度大大提高，可以將6.09.0m以內(nèi)的下部不穩(wěn)定巖層錨固到上部穩(wěn)定的巖層中，而目前的錨桿長(zhǎng)度難以超過(guò)巷道高度；專用設(shè)備施加預(yù)應(yīng)力，預(yù)緊力大小隨意可調(diào)，可以及時(shí)主動(dòng)支護(hù)圍巖，而錨桿預(yù)拉力受鉆機(jī)扭矩限制，目前不超過(guò)2030kn。2.2 錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)解決了大量的煤巷支護(hù)技術(shù)難題，已作為經(jīng)驗(yàn)在現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用，并成為解決復(fù)雜條件的基本形式。但從使用效果看，尚存在一些問(wèn)題：由于外端頭受力不良，實(shí)測(cè)鋼絞線破斷力一般在200kn左右，強(qiáng)度區(qū)別不明顯；鋼絞線延伸率僅有3.5，抗變形性能差，和錨桿承載不同步，易超前錨桿集中受力；過(guò)高的預(yù)拉力必將進(jìn)一步加劇錨桿和錨索的不同步承載現(xiàn)象，導(dǎo)致各個(gè)擊破。與圍

6、巖點(diǎn)接觸，軟弱巖體受點(diǎn)載荷時(shí)，頂板強(qiáng)化效果不明顯。3 鋼絞線預(yù)應(yīng)力桁架頂板的離層破壞從根本上講是層狀頂板的不協(xié)調(diào)變形，在相同或相近的受力狀態(tài)下，下位巖體常常表現(xiàn)出更大的彎曲變形，即離層?？刂齐x層或從根本上消除離層的最直接最有效手段是在高預(yù)拉力錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步強(qiáng)化低位巖體的力學(xué)性能，改善其受力狀態(tài)，美國(guó)開發(fā)的高預(yù)拉力鋼絞線桁架系統(tǒng)，將處于受壓狀態(tài)的巷道兩肩窩深部巖體作為錨固點(diǎn)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，通過(guò)高強(qiáng)度的預(yù)應(yīng)力鋼絞線傳遞張拉力，直接作用于頂板淺部圍巖，它大大簡(jiǎn)化了普通錨桿桁架所必須的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并由專用機(jī)具實(shí)現(xiàn)初張力。該種支護(hù)形式可以在頂板未出現(xiàn)離層時(shí)強(qiáng)化頂板，減少變形；出現(xiàn)離層時(shí)，形成可

7、靠的兜護(hù)效應(yīng)，阻止巷道頂板冒漏，確保巷道的安全使用。鋼絞線預(yù)應(yīng)力桁架與錨索支護(hù)所用材料和施工機(jī)具工藝十分接近，由預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度鋼絞線、鎖具和錨固劑組成，另需配置專用桁架連接器，施加預(yù)拉力的機(jī)具和錨索通用。但作用方式較錨索有很大改進(jìn)：內(nèi)錨固點(diǎn)為巷道兩肩窩深部巖體，十分可靠，而錨索內(nèi)錨固點(diǎn)在巷道正上方，可能隨頂板垮落而失效；與圍巖的作用特點(diǎn)和效果不同，錨索與頂板圍巖是點(diǎn)接觸，而桁架則是拉緊的鋼絞線與頂板形成線或面接觸，作用范圍大，松散破碎頂板受力狀態(tài)好；同時(shí)桁架施加的水平預(yù)緊力可以改善頂板的應(yīng)力狀態(tài)，在巷道頂板內(nèi)產(chǎn)生一對(duì)對(duì)稱彎矩，消除了由于頂板彎曲而產(chǎn)生的拉應(yīng)力區(qū)，完全變?yōu)閴簯?yīng)力狀態(tài)，使巷道頂板產(chǎn)生

8、向上的垂直位移，使頂板的下沉量被抵消，因而可以消除離層，這對(duì)改善頂板的穩(wěn)定性有著重要的作用。鋼絞線抗剪性能強(qiáng)，能夠緩解水平應(yīng)力導(dǎo)致的頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)的剪切破壞；受力隨頂板巖體彎曲，兩幫錨固點(diǎn)內(nèi)移，能形成閉鎖結(jié)構(gòu)，受力增加較慢，支護(hù)結(jié)構(gòu)不易失效；而錨索隨頂板變形，載荷直線上升，易拉斷失效；錨固深度一般不需超過(guò)3.04.0m，施工方便。因此，鋼絞線桁架系統(tǒng)能夠解決厚層復(fù)合破碎頂板(不穩(wěn)定層厚累計(jì)超過(guò)5.0m)、高水平地應(yīng)力、松散煤層頂板等條件下的支護(hù)難題，彌補(bǔ)錨索支護(hù)的不足，該種支護(hù)方式在大排距(超過(guò)兩排錨桿)下可以防止頂板垮落，加密排距(小于兩排錨桿)可以進(jìn)一步控制變形。4 組合支護(hù)兩種以上的主動(dòng)式

9、支護(hù)方式的聯(lián)合即組合支護(hù)，常見(jiàn)的是預(yù)拉力錨桿和預(yù)拉力錨索的組合支護(hù)，已有大量的工程實(shí)踐；高性能預(yù)拉力錨桿和鋼絞線預(yù)應(yīng)力桁架的聯(lián)合支護(hù)國(guó)內(nèi)剛開始試用，在高地應(yīng)力厚層復(fù)合頂板條件下控制巷道變形和防止頂板離層方面已較錨桿錨索組合支護(hù)顯示巨大的優(yōu)越性。組合支護(hù)的關(guān)鍵是同步承載和剛度匹配問(wèn)題，應(yīng)該指出的是錨索的使用是有誤區(qū)的，部分設(shè)計(jì)錨索初張力不低于100120kn，使圍巖初期的變形壓力完全集在錨索鋼絞線上，不能和錨桿支護(hù)有機(jī)組合，起不到聯(lián)合支護(hù)的作用。按目前的技術(shù)水平，高性能錨桿預(yù)拉力僅不超過(guò)2030kn，因而錨索和桁架的預(yù)拉力一般不應(yīng)超過(guò)6080kn，才能形成同步承載。5 結(jié)束語(yǔ)由以上分析可見(jiàn)，煤巷錨桿主動(dòng)支護(hù)體