全长锚固锚杆与小孔高强钢筋网支护技术

  全长锚固锚杆与小孔高强钢筋网支护技术

谢金洪,曾波

（四川川煤华荣能源有限责任公司金刚煤矿 四川 达州 635760）

     摘要：为解决软弱顶板巷道经过沿空护巷后顶板下沉量大，导致维修量大的难题，通过深入分析锚杆组合梁支护理论，结合材料力学、结构力学基本理论，对软弱顶板巷道锚杆支护设计作进一步分析计算，提出了全长锚固锚杆与小孔高强度钢筋网支护技术，使支护体系与软弱岩层形成的组合梁具有更大的刚度和抗弯强度，阻止围岩变形扩展，实现软弱顶板巷道经过沿空护巷后围岩移近量小，后期维护量少的目标。

关键词： 软弱顶板   沿空护巷  支护体系  组合梁  围岩变形 全长锚固锚杆 高强钢筋网

1引言

随着矿井开采深度增加，巷道顶板软弱岩层厚度变厚且围岩原岩应力增加，当围岩应力超过了岩体强度极限或屈服极限时，巷道周边岩石首先开始破坏，出现裂缝或较大的塑性变形，进一步从巷道周边向岩体深处扩展，造成巷道围岩变形量大，尤其是经过沿空护巷受采动压力影响后巷道围岩移近量非常大。在金刚矿井-4113、31111机巷沿空护巷后顶底板相对移近量在1.0-1.5m之间，为满足综采设备的运输需要，维护量巨大，相当于重新掘进一条巷道。因此，必须改变既有巷道支护体系，使之达到沿空护巷后围岩移近量小，后期维护量减少的目标，为此，提出了全长锚固锚杆与小孔高强度钢筋网支护技术，使支护体系与软弱岩层形成的组合梁具有更大的刚度和抗弯强度，阻止围岩变形扩展[1-6]。

2全长锚固锚杆对围岩的控制机理

预应力全长树脂锚固是锚杆实现强初撑、急增阻、高阻力的重要技术。在围岩变形损伤过程中, 全长锚固锚杆刚度大、增阻快, 对围岩变形具有较高的径向力, 以及限制围岩节理弱面沿切向方向张开的作用力, 使围岩的自承能力得到显著提高, 可有效地控制巷道围岩的变形和破坏。

　2.1巷道岩体变形损伤过程中锚固力的变化规律

锚杆锚固力是峰后围岩剪胀变形与围岩相互作用的结果。随着巷道围岩的变形和损伤, 锚杆锚固力呈现增长、稳定、衰减、丧失的过程。

(1) 巷道刚开挖时, 围岩首先从表面位移, 逐渐向岩体深处扩展。随着锚杆锚固体(围岩表面至锚头之间的岩体) 的碎胀变形, 全长锚固锚杆与围岩的相互作用关系为: 开始时, 尾部杆体载荷首先增长, 随着围岩位移向深处扩展, 锚杆头部载荷也迅速增长, 杆体最大轴力点由杆体尾部转移到杆体中部。在锚固体碎胀变形作用下, 锚杆增阻速度较快, 可达2 kN/ mm , 很快达到较高的径向锚固力, 对锚固岩体施加围压, 使围岩的自承能力得到显著提高, 有效地控制了掘进巷道引起的围岩变形。

（2）掘进巷道时期锚固力较高, 且呈现良好状态。在掘进巷道影响趋向稳定后, 锚杆最大轴力达到峰值, 通常接近杆体的屈服强度, 锚杆载荷呈现较平稳的波动状态 。此时, 锚固体内已经破裂的岩块互相挤压咬合, 锚固体对深处岩体的位移起到挡固作用, 保持稳定结构, 抑制了围岩流变。

(3) 回采影响时期, 巷道围岩变形都会急剧增长, 并迅速向锚固体深处的岩体扩展。锚固体不仅本身继续碎胀变形, 而且出现较大的整体位移, 在超过全锚锚杆支护体系极限位移量的情况下, 锚杆的锁紧作用才会明显丧失, 表现为锚杆锚固力随围岩变形和锚固体损伤的加剧而开始衰减。预应力全长树脂锚杆对锚固体和岩体深处的碎胀变形具有较强的控制和适应能力。

2.2全长锚固锚杆对围岩变形的径向锚固力

端锚锚杆仅锚头与孔底岩体固结在一起, 中部杆体与孔壁岩体不相接触, 主要依靠托板阻止围岩径向位移, 对围岩施加径向支护力, 即托锚力。端锚锚杆托锚力在围岩变形损伤过程中很易丧失。全锚锚杆将围岩与锚杆粘结成整体, 除托锚力外, 锚杆通过粘结剂, 使锚杆与围岩产生剪切作用, 抑制围岩变形, 这种粘锚力对稳定围岩起着重要作用。岩体节理、层理等弱面的碎裂和扩张是巷道围岩大变形的主要力学特性。锚杆的锚固刚度对控制岩体弱面的扩展具有重要作用。凡岩层的弱面发生扩张时, 锚杆都会受到张拉, 对围岩产生作用力,阻止弱面继续扩展。如为端锚锚杆, 则整根锚杆杆体产生均匀拉伸; 如为全锚锚杆, 则主要集中在弱面附近、粘结剂破坏段的杆体产生拉伸。根据拉压杆件变形的虎克定律, 在弹性范围内, 杆件的轴向力p 与杆件伸长量l 、约束杆件长度L 、杆件截面积F、弹性模量E 之间的关系为P = EFl/ L即在杆件伸长量l 一定的情况下, 约束杆件长度L 越小, 轴向力(约束力) P 越大。全长树脂锚固锚杆因岩层弱面扩展而拉伸时, 树脂粘结剂的破裂长度, 即约束杆件长度L 为30 mm 左右。全长树脂锚固锚杆提供的阻止岩层弱面扩展的刚度通常比端锚锚杆大4 倍。

2.3全长锚固锚杆加固围岩的切向锚固力

切向锚固力对提高弱面的抗剪、抗拉强度具有重要作用。端锚锚杆由于锚杆孔与锚杆之间存在较大间隙, 当节理剪切错动时, 锚杆不能发挥作用;节理错动很大、抗剪能力已经丧失时, 锚杆才开始发挥作用。由于端锚锚杆的加固作用滞后于岩层节理的力学特性, 两者不相匹配, 易导致各个击破,锚杆难以发挥对节理的加固作用。全锚锚杆由于树脂粘结剂充满锚杆孔与锚杆之间的间隙, 当节理沿切向错动时, 锚杆立即发生作用, 节理达到抗剪强度时, 锚杆也达到最大抗剪能力。全锚锚杆的抗剪能力相当于节理抗剪强度和锚杆抗剪强度之和, 使锚固岩体的自承能力得到显著提高。

3全长锚固锚杆与锚杆组合梁支护理论

锚杆组合梁理论认为巷道顶板中存在着若干分层的层状顶板，可看作是由巷道两帮作为支点的一种梁，这种岩梁支承其上部的岩层载荷。使用锚杆将各层“装订”成一个整体的组合梁，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象。在上覆岩层荷载作用下，这种较厚的组合梁比单纯的叠合梁，其最大弯曲应变和应力将大大减小，挠度亦减小。而且各层间摩擦阻力愈大，整体强度愈大，补强效果愈好。全长锚固锚杆全长把各分层的层状顶板相互挤压在一起，锚固剂在全长范围与各层充分凝固，各层更为紧固，层间摩擦力大为增加，如同一整块板一样，端头锚固锚杆只有端部通过锚固剂与围岩紧固，没有锚固段各层间容易错动，当层间围岩变形到极限位置时，锚杆支护基本失效，组合梁将再次变为更多层间的叠合梁，梁的承载力大幅度减少而导致顶板下沉量继续扩大，因此，全长锚固锚杆与锚杆组合梁理论具有非常匹配的优点[7-8]。

4全长锚固锚杆与小孔高强度钢筋网支护体系

4.1巷道地质条件

-3111机巷为梯形巷道，煤层倾角22度，直接顶为泥岩、砂质泥岩顶部夹一层煤线，平均厚度约为2.02m，岩性较差，易垮落，属于软弱顶板。老顶为浅灰、灰色粉砂岩及浅灰色细-中粒砂岩，属于稳定岩层。

4.2全长锚固锚杆与小孔高强度钢筋网支护体系

(1)-3111机巷锚杆长度为2.3m，但由于施工条件限制，上帮两排锚杆基本铅锤方向施工，锚固位置不能在老顶中，该巷道直接顶与老顶有明显的煤层分界线，直接顶容易垮落，如果采用端锚，锚固区域刚好在煤线中，软弱直接顶无法悬吊于老顶中，而且原-4113机巷及31111机巷均采用端锚，但沿空护巷后，端锚基本失效，导致围岩移近量非常大，因此，在锚杆不加长的情况下，利用锚杆组合梁支护理论，必须提高组合梁的强度和刚度，阻止围岩变形扩展。

（2）拟定支护参数，根据-3111机巷顶板的现实条件，拟定采用全长锚固锚杆配小孔高强钢筋网作为顶板支护的主要手段。锚杆长度为2.3m，采用1支MSK2550锚固剂，2支MSZ2560锚固剂实现全长锚固，锚固时，顶端1支MSK2550锚固剂，后面2支MSZ2560锚固剂。小孔高强钢筋网采用直径10mm的钢条制作,孔中心距100mm，长边在顶板（即上方），短边在下方，锚杆托板采用边长为150mm的托板,间距800mm*950mm,托板全覆盖钢筋网孔。在打锚杆的钢筋孔刷成白色油漆，确保锚杆横竖成排成行。在支护时，可能由于顶板局部冒落造成钢筋网不接顶，必须先把背材置于钢筋网上接顶，在巷道顶板出现较大变化时，由于钢筋网刚度大，此时可以局部改变网的材料。锚杆托板肯定不能紧贴岩面，但钢筋网刚度大，托板紧贴钢筋网就符合要求，而且比紧贴岩面更具有支护作用，不会失效，见图1。

（2）小孔高强钢筋网自成前探梁临时支护，在焊接连接构件时，把两块钢筋网连接焊接，然后再切断钢管，并把钢筋网编号，确保现场钢管能对接。钢筋网自成为前探梁，在连接构件处打入楔子，类似于铰接顶梁打水平楔，钢筋网的刚度和强度完全能作为临时支护，优于点柱支护.见图2

（3）沿空护巷支护方式，巷旁墙体接顶于钢筋网，让钢筋网构件具有工字钢梁一样的支护效果，巷旁墙体就相当于梁的一条腿。沿空护巷巷旁墙体基础宽度0.7m，高度以轨面上0.6m为准，然后砌0.5m宽的墙体接顶。沿空护巷时，巷中不架设金属棚，沿空护巷滞后支护采用一梁二柱方式加强支护顶板，加强支护距离100m,然后撤除后面的工字钢和单体，循环进行加强支护。

图1   端部锚固锚杆与全长锚固锚杆支护图

图2 小孔高强钢筋网连接式样

5全长锚固锚杆与高强钢筋网组合梁支护设计计算

根据-3111机巷拟定的顶板支护参数，全长锚固锚杆长度为2.3m,高强钢筋网厚度为0.2m，故高全长锚固锚杆支护岩层整体梁的厚度为2.02m, 根据《材料力学》岩石梁断裂的极限跨距为lt=2h,q为集度载荷，又根据巷道松动圈计算-3111机巷顶压为175kN/m2，沿空护巷采动压力为705kN/m2, h为高强钢筋网与全长锚固锚杆支护岩层梁厚度。

当Rt为端部锚杆支护岩层承载力，查表取1.0MPa，在只考虑巷道松动圈压力时，顶板组合梁极限跨距lt=6.1m，说明端部锚杆支护在巷道掘进时是没有问题的，考虑沿空护巷采动压力影响时，顶板组合梁极限跨距lt=3.0m，巷道垮落可能性非常大。

当Rt为高强钢筋网承载力，查表取510MPa，h为高强钢筋网厚度，0.2 m，在只考虑巷道松动圈压力时，顶板组合梁极限跨距lt=12.4m，考虑沿空护巷采动压力影响时，顶板组合梁极限跨距lt=6.2m，该计算只取了钢筋网厚度，如果考虑高强钢筋网与锚杆组合支护岩层形成的组合梁，承载力更大，故采用该支护时，能抵御沿空护巷采动压力影响，巷道顶板破坏及下沉量将大幅度减少。因此，全长锚固锚杆与小孔高强度钢筋网支护，使支护体系与软弱岩层形成的组合梁具有更大的刚度和抗弯强度，阻止围岩变形扩展。

6结论

（1）提出了全长锚固锚杆与小孔高强度钢筋网支护技术，使支护体系与软弱岩层形成的组合梁具有更大的刚度和抗弯强度，阻止围岩变形扩展。

（2）全长锚固锚杆全长把各分层的层状顶板相互挤压在一起，锚固剂在全长范围与各层充分凝固，各层更为紧固，层间摩擦力大为增加，同时，高强钢筋网作为锚杆支护巷道质量较高的护表构件，与软弱岩层形成的组合梁，因此，全长锚固锚杆与锚杆组合梁理论具有非常匹配的优点。

（3）建立了全长锚固锚杆与小孔高强度钢筋网支护体系，通过理论计算和分析，该支护体系对沿空护巷具有明显作用，巷道顶板破坏及下沉量将大幅度减少，是软弱岩层巷道顶板支护的最佳选择。

（4）小孔高强钢筋网自成前探梁临时支护，钢筋网的刚度和强度完全能作为临时支护，让施工更安全可靠。

参考文献

[1]王友军 沈超 谢金洪，倾斜中厚煤层大断面拱形巷道沿空留巷矿压显现规律 四川省2017年度煤炭学术年会优秀论文集，2017；

[2]卓军 石永奎 沈蓥 ，急倾斜松软煤层巷道不等强耦合动态支护研究 四川省2018年度煤炭学术年会优秀论文集，2018；

[3]胡勇 金银财，大埋深破碎巷道掘进支护技术研究  四川省2017年度煤炭学术年会优秀论文集，2017；

[4]徐永圻，煤矿开采学（修订本），中国矿业大学出版社，1999；

[5]钱鸣高 刘听成，矿山压力及其控制（高等学校教学用书），煤炭工业出版社，1989；

[6]中国矿业学院等编. 井巷工程（高等学校教学用书） ，煤炭工业出版社1989；

[7]张荣立 何国纬 李铎 主编. 采矿工程设计手册（上册）， 煤炭工业出版社2004。

[8]陆士良 高阻力全长锚固锚杆围岩控制的机理和效果    煤炭科学技术 1999。

作者简介：谢金洪（1971年-），男，重庆合川人，高级工程师，1994年毕业于西安矿业学院，现在四川川煤华荣能源有限责任公司金刚煤矿从事生产技术管理工作。