摘要：由于锚杆支护能够改变围岩的力学特性，获得良好的支护效果，带来传统支护方式无法比拟的技术经济效益，在国内外得到了快速发展及广泛的应用。锚杆支护的大量应用，使人们在锚杆的结构性能、锚固方式、支护设计方法等各方面积累了大量的实践经验。目前还没有普遍适用的锚固支护理论和设计方法，具体条件下巷道的锚固支护方案，必须进行专门的研究设计，围岩所处的应力场会因邻近岩体的力学性质变化以及采掘等人类生产活动的影响而变化，围岩地质力学特征会因时间、空间位置的变化而不同，掘进时要密切关注所揭露的未勘察到的新信息，并对巷道进行长期的稳定性监测，以便对支护设计进行必要的调整。
关键词：锚杆支护；围岩的力学特性；稳定性监测
1 前言
我国于20世纪50年代初首先在煤炭、冶金系统的地下工程领域试验锚杆支护技术，以后逐渐发展到铁道、水电、军工等系统，取得了很大成就，并积累了丰富的经验。锚杆支护的大量应用，使人们在锚杆的结构性能、锚固方式、支护设计方法等各方面积累了大量的实践经验
由于锚杆支护具有许多优越性，受到了国内外的普遍重视，并得到了快速发展和广泛应用，使之越来越成为占据主导地位的巷道围岩支护形式，尤其是在西方发达国家，普及应用率极高。但是，由于围岩条件复杂，有围岩稳定的Ⅰ、Ⅱ类巷道，也有围岩不稳定和极不稳定的Ⅳ、Ⅴ类巷道，尤其是回采巷道，不仅围岩的强度条件较差，还要受到采动的强烈影响，因此，围岩变形量和破裂范围往往都很大，且随着围岩各阶段变形、破坏的发生，锚固结构须具有相应的变形适应性并保持足够的承载能力以及对围岩变形的约束能力，以使围岩重新形成平衡状态，这给锚杆支护技术的推广应用造成了极大的困难。而且，现有锚杆支护理论存在一定的局限性，难以满足复杂条件下尤其是全煤及软岩条件下巷道围岩支护设计的要求。目前，人们认识到的锚杆作用机理主要有悬吊、楔固、组合梁、以及挤压加固等。前两种作用的实现有赖于锚杆有效长度范围内坚固稳定岩层的存在；第三种作用的实现须以连续性层状顶板为条件；而第四种功能，若运用传统锚杆支护方式，仅能在巷道为拱形断面的条件下才能得以较好发挥。
因此，目前还没有普遍适用的锚固支护理论和设计方法，具体条件下巷道的锚固支护方案，必须进行专门的研究设计。
2 围岩地质力学条件分析
2号煤层在井田内稳定可采。2号煤层位于二叠系下统山西组中下部，厚度0.85～2.80m，平均厚1.83m，一般含0～1层泥岩矸石，矸石厚度一般为0.2m左右，呈细条带状结构，玻璃光泽，亮煤为主，镜煤次之，光亮型，煤层稳定，结构简单。其直接顶板为砂质泥岩、砂岩，厚约2.0m左右，属半坚硬级岩石，老顶为深灰色粉砂岩及砂岩，厚约10.0m左右，岩石坚硬，顶板岩石硬度系数f为2～4.2，一般不易冒落；底板为灰黑色或深灰色泥岩和粉砂岩，属软级至半坚硬级岩石。由于埋藏较浅，裂隙发育，整体性差。
综合分析认为，2#煤层顶板属于3类，中等稳定顶板。
3 支护方案设计
3.1 顺槽锚固支护方案及参数
运输顺槽、回风顺槽：矩形断面，掘进断面4.2×2.4 =10.80m2，净断面4.0×2.3=9.20m2。
3.1.1 顺槽顶板支护参数确定
顶板支护形式：φ20左旋无筋螺纹钢锚杆 + 菱形金属网 + φ15.24锚索。
1）支护载荷
顶板载荷高度：
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式中，h——载荷高度，m
Σh——表面破裂层厚度，m
b——巷道跨度，m
k——两帮支撑削弱系数，
h0——巷道高度，m
顶板载荷集度q：
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式中，γ——顶板容重，KN/m3
2）顶板锚杆间、排距
顶板锚杆的间、排距为：
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式中：F——锚杆锚固力
K——安全系数
3）顶板锚杆锚固长度的确定
根据顶板岩层锚固条件，锚固长度最小为：
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4）顶板锚杆长度
根据载荷体的悬吊要求，跨度为4.2m的巷道顶板锚杆最小长度为：
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式中，.png)
——锚杆外露长度，m
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——载荷体高度，m
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——深入稳定结构中的最小长度，m。
5）顶板锚索参数的确定
顶板载荷Q=h×b×γ=156 KN
锚索密度n=0.8Q/T=0.85（根/m）
依据以上分析结合巷道断面参数，顶板锚固参数确定为：
顶板锚杆：
锚杆规格：φ20×2200，
最小锚固长度：0.9m，
间距：1.0m，
排距：1.0m，
设计锚固力：100KN/根，
预紧力：50KN/根（扭矩190N·m），
顶板锚杆托盘：150mm×150mm×10mm高强度钢托盘；
顶板锚索：
锚索规格：φ15.24×5400，
锚固长度：1.2m，
间距：1.6m，排距：2.0m，
设计锚固力：150KN/根，
预紧力：100KN/根，
顶板锚索托盘：200mm×200mm×15mm。
3.1.2 顺槽两帮支护参数确定
①巷帮所需的锚固强度为：
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其中，q为两帮可承载锚固体所受载荷集度：
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b′为巷道等效跨度：
b′=4.2+2×2.4tg30°≈6.98（m）
两帮可承载锚固体厚度：
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②锚杆布置密度为：
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若排距取1.0m，则间距可取为1.1m。
粘锚力积聚段长度：
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锚固端锚杆影响区未重叠区厚度为：
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锚尾端锚杆影响区未重叠区厚度为：
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③锚杆长度为：
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=0.38+0.5+0.5+0.2+0.1=1.7（m）
④锚固长度为：
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此种条件下，两帮锚固参数可确定为：
锚杆规格：φ20×1800；
锚杆间距：1.1 m；
锚杆排距：1.0 m；
锚固长度：0.9 m；
设计锚固力：80KN/根；
预紧力：30KN/根（扭矩115N·m），
巷帮采用150mm×150mm×10mm高强度钢托盘。
综合以上分析，巷道锚固参数满足要求
3质量保证及稳定性监测
施工须严格按照设计要求进行组织实施，并对顶板锚杆、两帮锚杆按5%的比例进行拉拔力抽检、锚索按10%的比例进行抽检。抽检时为了尽量减少锚固破坏，拉拔力达到设计锚固强度的90%即停止，并认为锚固质量合格。有不合格现象时，要在相邻的位置补打相同规格的锚杆、锚索。
为了确保锚杆、锚索支护有效，应密切注意巷道围岩稳定性条件的变化，无法直观判断时，应对巷道顶底板岩性进行打眼取芯探测或钻孔窥视探测，也可每隔一定距离（如500m）对巷道顶底板岩性进行钻孔取芯探测或钻孔窥视探测，顶底板岩层稳定性条件发生变化时，应及时调整锚杆、锚索支护参数，确保巷道的稳定性。
4 结论
以上根据原有地质力学资料结合钻孔窥视信息，对山西晋煤集团晋圣三沟鑫都煤业有限公司2#煤层主要巷道围岩特性进行了分析，提出了适宜的锚固支护原理，确定了锚固支护方案及参数。
巷道稳定性状况受内、外两方面因素的影响，即围岩自身力学特性和围岩所处的力学环境。由于这两方面的因素都与时间、空间有关，如围岩自身力学性质会因流变、风化、水蚀等现象的发生而变化；围岩所处的应力场会因邻近岩体的力学性质变化以及采掘等人类生产活动的影响而变化；围岩地质力学特征会因时间、空间位置的变化而不同。因此，现在处于稳定状态的巷道围岩经过较长时间的变化之后有可能发生不稳定现象，而且，施工前进行的勘察、测试难以全面准确地反映不同区域的地质力学条件。掘进时要密切关注所揭露的未勘察到的新信息，并对巷道进行长期的稳定性监测，以便对支护设计进行必要的调整。
论文作者:王建志,孟兆彬
论文发表刊物:《基层建设》2019年第28期
论文发表时间:2020/1/16
标签：锚固论文; 围岩论文; 顶板论文; 巷道论文; 锚杆论文; 力学论文; 载荷论文; 《基层建设》2019年第28期论文;