復(fù)合頂板錨桿疊加支護(hù)技術(shù)

1、摘要通過(guò)研究錨桿作用機(jī)理和頂板破壞機(jī)理，提出一種通過(guò)不同長(zhǎng)度錨桿（錨索）錨固疊加形成的疊加支護(hù)理論，以解決復(fù)合頂板的支護(hù)難題，并通過(guò)實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)說(shuō)明了疊加支護(hù)的優(yōu)越性。認(rèn)為復(fù)合頂板的錨桿支護(hù)能充分利用錨桿的長(zhǎng)度、韌性、剛度等屬性，形成了高強(qiáng)度、高彈性的穩(wěn)定承載體，基本解決了復(fù)合頂板的強(qiáng)度低、擴(kuò)容變形量大、擴(kuò)容應(yīng)力大、 穩(wěn)定性差等支護(hù)難題。關(guān)鍵詞復(fù)合頂板錨桿支護(hù)疊加支護(hù)在礦井建設(shè)中，錨桿支護(hù)被廣泛應(yīng)用，其優(yōu)越性有目共睹，但在煤層埋深較大的礦井建設(shè)過(guò) 程中，對(duì)于多分層、低強(qiáng)度復(fù)合頂板的錨桿支護(hù)一直是施工的難題。根據(jù)頂板巖性、分層等 參數(shù)曾多次變換頂板錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方案，每種設(shè)計(jì)方案又經(jīng)多次優(yōu)化、改進(jìn)

2、，但都未能達(dá)到預(yù)期的支護(hù)效果。錨桿支護(hù)的巷道頂板隨時(shí)間的推移，先是局部巷道頂板失穩(wěn)，然后是一段 巷道頂板失穩(wěn)，最后大面積巷道頂板失穩(wěn)，巷道先是打點(diǎn)柱，然后分段架棚，最后巷道內(nèi)大 面積架棚，而且在回采前、回采中還要翻修，以保證回采的要求，給國(guó)家和企業(yè)造成大量人 力、物力、財(cái)力的損失。因此解決復(fù)合頂板的錨桿支護(hù)問(wèn)題是刻不容緩的。1巷道頂板破壞機(jī)理1.1巷道頂板破壞的一般過(guò)程頂板受壓變形巖石局部屈服變形節(jié)理弱面發(fā)生破壞頂板較低層位發(fā)生彎曲變形（伴有 局部巖塊脫落）巖層發(fā)生拉伸或局部剪切破壞巷道頂板變形破壞。1.2塑性破壞機(jī)理（1） 巷道圍巖在高地應(yīng)力作用下，發(fā)生應(yīng)力擴(kuò)容變形而破壞。（2） 巷道圍巖中

3、含有膨脹性軟巖，吸水發(fā)生膨脹變形而使圍巖發(fā)生破壞。（3） 錨固平衡拱內(nèi)巖石由彈性體轉(zhuǎn)變?yōu)槠茐乃蓜?dòng)體，使錨桿喪失加強(qiáng)錨固平衡拱的約束離 層和抗剪切兩個(gè)基本作用，導(dǎo)致圍巖破壞。（4）巷道開(kāi)挖后，巷道圍巖是先由壓應(yīng)力引起的擠壓破壞，隨著擠壓破壞向圍巖深處發(fā)展 引起巖石裂隙擴(kuò)張和體積膨脹，造成巷道周邊巖層彎曲，而產(chǎn)生彎曲拉應(yīng)力，導(dǎo)致頂板巖層 破壞。我們一般認(rèn)為，巷道頂板是由于開(kāi)挖后失去支承而出現(xiàn)彎曲下沉，在頂板中產(chǎn)生彎曲拉應(yīng)力 ， 且?guī)r石抗拉強(qiáng)度很低，所以造成頂板拉伸破壞。但實(shí)際上，圍巖先是受壓而進(jìn)入塑性破壞， 其后因破壞巖石的碎脹性，而產(chǎn)生巖石彎曲下沉破壞。1.3結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理（1）巷道開(kāi)挖后，巖層抗

4、水平應(yīng)力的截面減少，在水平應(yīng)力作用下煤層沿水平層理面向巷 道擠入，致使巷道幫頂受水平應(yīng)力作用而破壞。（2）圍巖中節(jié)理構(gòu)造面的存在對(duì)圍巖的承載能力及其穩(wěn)定性影響很大，尤其是節(jié)理面與最 大主應(yīng)力方向斜交時(shí)，巖體最容易沿節(jié)理弱面破壞而失穩(wěn)。（3）巷道開(kāi)挖后，圍巖受力狀態(tài)由三軸應(yīng)力變?yōu)閱屋S壓應(yīng)力狀態(tài)，由于巖石單軸抗壓強(qiáng)度 低，致使圍巖產(chǎn)生塑性破壞或沿節(jié)理弱面破壞。巖層受壓破壞的結(jié)果產(chǎn)生側(cè)向變形和彎曲。 破壞區(qū)域越大、彎曲變形越大，由此造成巷道周邊原處于壓縮塑性狀態(tài)（未破斷）的巖石轉(zhuǎn) 變?yōu)閺澢炱茐?。隨著錨固巖體的變形、離層和彎曲，巷道中部的錨桿始終受力，若錨桿的長(zhǎng)度、剛性越大， 會(huì)使之受力越大，錨桿

5、受力即可達(dá)到強(qiáng)度極限而破壞，則巖層發(fā)生破壞。2疊加支護(hù)理論在深井高應(yīng)力作用下的巷道中推行錨桿支護(hù)已有很長(zhǎng)的時(shí)間，也曾多次修改支護(hù) 參數(shù)，但只是從單層錨桿作用的角度來(lái)不斷提高支護(hù)體強(qiáng)度，前面的理論分析和實(shí)踐 證明，這無(wú)法阻止巷道頂板的破壞。那么，錨桿支護(hù)的設(shè)計(jì)就不應(yīng)單純從提高支護(hù)體強(qiáng)度的 角度來(lái)考慮，而應(yīng)從對(duì)破壞巖石的加固、阻止圍巖繼續(xù)松動(dòng)和提高松動(dòng)體自穩(wěn)性的角度來(lái) 考慮，既要突出錨桿支護(hù)的優(yōu)越性，又能使復(fù)合頂板的支護(hù)效果得以保證，從而產(chǎn)生了本文 所要闡述的疊加支護(hù)理論。下面我們以矩形斷面為例來(lái)分析疊加支護(hù)理論(圖1)。圖1疊加支護(hù)理論的斷面支護(hù)（略）2.1短錨桿形成承載基礎(chǔ)（一級(jí)支護(hù), 見(jiàn)圖2

6、（a）既然錨桿支護(hù)無(wú)法阻止圍巖的松動(dòng)，那么也無(wú)需特別提高頂板支護(hù)體強(qiáng)度，只需把短錨桿的 延展性、高抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度的優(yōu)越性發(fā)揮出來(lái)。短錨桿錨固厚度小，錨固體擴(kuò)容變形量 相對(duì)較小，擴(kuò)容應(yīng)力也較小，利用全長(zhǎng)錨固等強(qiáng)螺紋鋼錨桿支護(hù)，可滿足復(fù)合頂板底層錨固 體的擴(kuò)容變形和擴(kuò)容應(yīng)力，形成初期支護(hù)階段的頂板擠壓加固拱平衡狀態(tài)。形成強(qiáng)度很高的 次生承載圈（層）。2.2長(zhǎng)錨桿增強(qiáng)破壞松動(dòng)體塑性強(qiáng)度（二級(jí)支護(hù),見(jiàn)圖2(b)）（1）利用鋼絞線錨桿的可延展性，適應(yīng)圍巖破壞的擴(kuò)容變形量，保持破壞巖體的承載強(qiáng)度 ，使次生承載層在破壞前后始終保持良好的塑性及強(qiáng)度。（2）利用鋼絞線錨桿的長(zhǎng)度和強(qiáng)度，進(jìn)一步強(qiáng)化次生承載層的

7、抗變形能力。長(zhǎng)錨桿與短錨 桿相間布置，且布置在最容易彎曲破壞的巷道頂板中部，克服因頂板中部應(yīng)力最大、變形量 最大引起的剛性較大的短錨桿即刻達(dá)到最大應(yīng)力而破壞的缺陷，增強(qiáng)了頂板次生承載層的抗 壓強(qiáng)度和塑性變形能力，形成塑性強(qiáng)、承載能力大的不均勻?qū)ΨQ承載體，提高了破壞巖體的自穩(wěn)能力。2.3錨索減小巷道跨度，繼續(xù)強(qiáng)化承載體（三級(jí)支護(hù), 見(jiàn)圖2(c)）圖2疊加支護(hù)的支護(hù)原理（略）(1)利用鋼絞線錨索對(duì)巖體擠壓加固作用，使錨索之間相互促進(jìn)、相互補(bǔ)強(qiáng)，而且與 短錨 桿、長(zhǎng)錨桿所加固的承載體相互補(bǔ)強(qiáng)。錨索有很好的延展性和抗拉強(qiáng)度，使錨索形成的錨固 巖體在巷道頂板中部形成一條強(qiáng)度大、塑性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的承載體。

8、(2)錨索錨固點(diǎn)處在松動(dòng)圈之外，增加了頂板承載體的穩(wěn)定性。(3)錨索布置在兩排錨桿之間，增加了支護(hù)的密度，錨索與長(zhǎng)錨桿相同的高延展性、高強(qiáng)度 ，進(jìn)一步提高了承載體的強(qiáng)度、塑性和抗彎曲破壞能力，提高了承載體的自穩(wěn)能力。3疊加支護(hù)的應(yīng)用這種支護(hù)方法在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)越的支護(hù)性能。在鐵煤集團(tuán)大興礦南五采區(qū)七層某回采巷道應(yīng)用了這種支護(hù)技術(shù)，并積累了大量的科學(xué)數(shù)據(jù) 。這條巷道埋深467m ，頂板是復(fù)合層，頂板地質(zhì)柱狀如下圖3。圖3煤層頂板柱狀圖（略）圖4頂板支護(hù)平面布置及測(cè)站儀器布置（略）巷道設(shè)計(jì)斷面為4.6×3.0m的矩形斷面，按照疊加支護(hù)方法進(jìn)行頂板支護(hù)設(shè)計(jì)。短錨 桿使用22×

9、1600mm的熱軋螺紋鋼等強(qiáng)樹(shù)脂錨桿，全長(zhǎng)錨固；長(zhǎng)錨桿使用14.5×3500mm的 鋼絞線錨桿；錨索使用14.5×5300mm的鋼絞線。錨桿、錨索及測(cè)站儀器布置如圖4。按照 疊加支護(hù)方法進(jìn)行頂板支護(hù)的巷道施工長(zhǎng)度共40m，設(shè)3個(gè)測(cè)站，測(cè)站間距10m，頂板離層指 示儀3個(gè)固定點(diǎn)深度分別為1.5m、3.5m和5.0m?，F(xiàn)以測(cè)站為例繪制錨桿、錨索受力變 化曲線和頂板下沉曲線如圖5和圖6所示。JP圖5錨桿、錨索受力變化曲線（略）從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線我們可以看出，在疊加支護(hù)狀態(tài)下，頂板暴露后可分為4個(gè)變化階段。圖6頂板下沉曲線（略）第一階段為一級(jí)支護(hù)承載階段，低位承載體主承載，短錨桿受力迅

10、速增加到130kN左右 后趨于穩(wěn)定，頂板下沉速度較快，平均8mm/d 。第一階段大約d左右。第二階段為一級(jí)和二級(jí)支護(hù)疊加承載階段，低位和中位承載體同時(shí)主承載，長(zhǎng)錨桿受力緩慢 增加后趨于穩(wěn)定，三級(jí)支護(hù)緩慢加載，錨索受力增加，頂板下沉速度平穩(wěn)，平均1.52 m m/d 。第二階段大約d左右。第三階段為一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)支護(hù)疊加承載階段，低位、中位和高位承載體同時(shí)承載，頂板 趨于穩(wěn)定，短錨桿、長(zhǎng)錨桿、錨索受力無(wú)明顯增加，頂板無(wú)明顯下沉量。同一條巷道其它支護(hù)皆為原錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)，錨桿使用22×2200mm 的熱軋螺紋鋼等強(qiáng)樹(shù)脂 錨桿，全長(zhǎng)錨固，錨桿間距700mm，排距800mm 。巷道從開(kāi)掘到回采，錨桿支護(hù)原設(shè)計(jì)支 護(hù)段翻修了遍，而疊加支護(hù)段只在綜采工作面臨近時(shí)進(jìn)行拉底即可滿足正常生產(chǎn)，每百米 巷道可節(jié)約人工及支護(hù)費(fèi)用萬(wàn)余元。實(shí)踐證明，這種疊加支護(hù)技術(shù)充分發(fā)揮了錨桿支護(hù)的優(yōu)點(diǎn)