渦北煤礦1.5Mta新井設(shè)計(jì)含5張CAD圖-采礦工程.zip

渦北煤礦1.5Mta新井設(shè)計(jì)含5張CAD圖-采礦工程.zip,煤礦,1.5,Mta,設(shè)計(jì),CAD,采礦工程 深部巷道錨桿支護(hù)技術(shù) 摘要：我國國有大中型煤礦開采深度每年約以8~12 m的速度向深部增加，一些老礦區(qū)和缺煤礦區(qū)相繼進(jìn)入深部開采階段。由于開采深度的加大，巖體應(yīng)力急劇增加，地溫升高，巷道圍巖破碎嚴(yán)重，塑性區(qū)、破碎區(qū)范圍很大，蠕變嚴(yán)重。采用工字鋼、架棚等被動支護(hù)技術(shù)已不能有效的控制巷道的變形，采用高強(qiáng)度全長樹脂錨固錨桿錨固力大、錨固及時(shí)，能主動地將支撐載荷作用到巷道周邊，對圍巖施加徑向力，加強(qiáng)巷道或硐室周邊圍巖穩(wěn)定性，充分發(fā)揮圍巖的自身承載能力，取得了良好的支護(hù)效果。利用MATLAB 7.1來進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)的分析和相關(guān)圖形的繪制。 關(guān)鍵詞：深部巷道；錨桿支護(hù)；圍巖應(yīng)力；MATLAB 7.1 1 引言 我國是世界產(chǎn)煤大國，同樣也是用煤大國。我國煤炭儲量大部分埋藏在深部，埋深大于600 m和1000 m 的儲量分別占到73.19 % 和53.17 %。而隨著開采深度的加大，巷道周邊圍巖應(yīng)力呈近似線性關(guān)系的增長，巷道圍巖變形少則幾百毫米，多達(dá)1.0~2.0 m。巷道在服務(wù)期間需要進(jìn)行不斷的維護(hù)與返修，特別是它們的兩類或三類的復(fù)合型，問題更為突出。嚴(yán)重時(shí)，在巷道掘進(jìn)或使用期間將會在巷道中引發(fā)煤與瓦斯突出，甚至巖爆等動力災(zāi)害，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)。這不但造成巷道支護(hù)成本高，而且造成煤炭資源開采的極端困難，嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)。在深部巷道中使用錨桿支護(hù)技術(shù)，錨桿通過徑向和切向錨固力的作用，對圍巖施加圍壓，將圍巖由單向、雙向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為雙向、三向受力狀態(tài)，提高圍巖的穩(wěn)定性。錨桿貫穿圍巖中的弱面，切向錨固力改善了圍巖的力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而有效地控制巷道變形。 Matlab是mathworks公司于1984年推出的一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件，它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號處理和圖形顯示于一體，可方便的進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和圖形繪制。 2 開采深度與巷道圍巖的變形關(guān)系 2.1中國的研究 開采深度對巷道圍巖的影響十分復(fù)雜，除與巷道的圍巖性質(zhì)密切相關(guān)外，如受采動影響的巷道，則與護(hù)巷方式和周圍采動狀況等也有密切關(guān)系。根據(jù)我國的研究成果，可得開采深度與巷道維護(hù)之間的一般關(guān)系如下： 1）巖體的原巖應(yīng)力即上覆巖層重量，是在巖體內(nèi)掘巷時(shí)巷道圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中和周邊位移的基本原因。因此，隨開采深度增加，必然會引起巷道圍巖變形和維護(hù)費(fèi)的顯著增長。 2）巷道的圍巖變形量或維護(hù)費(fèi)用隨采深的增加近似的呈線性關(guān)系關(guān)系增長。 3）巷道圍巖變形和維護(hù)費(fèi)用隨開采深度的增長的幅度，與巷道圍巖性質(zhì)有密切關(guān)系，圍巖愈松軟，巷道變形隨采深增長愈快，反之，圍巖愈穩(wěn)定，巷道變形隨采深增長愈慢。 4）巷道圍巖變形和維護(hù)費(fèi)用的增長率還與巷道所處位置及護(hù)巷方式有關(guān)，開采深度對卸壓內(nèi)的巷道影響最小，對位于煤體內(nèi)巷道及位于煤體-煤柱內(nèi)巷道的影響次之，對兩側(cè)均已采空的巷道影響最大。 2.2德國的研究 1）德國提出掘巷引起的圍巖移近量與開采深度和巷道底板巖層強(qiáng)度之間的關(guān)系為： （1） 式中 ——掘巷引起的圍巖變形量占巷道原始高度的百分率，%； ——巖層壓力，，Mpa； ——地板巖層的單軸抗壓強(qiáng)度，Mpa。 圖1 移近量與巖石壓力p(深度H)和底板巖層強(qiáng)度的關(guān)系 1-砂巖(=97 Mpa)；2-頁巖(45 Mpa)；3-軟巖(28 Mpa)；4-煤(14 Mpa) 利用該式計(jì)算結(jié)果如圖1所示，由此可見，掘巷引起的圍巖變形隨開采深度的增加而增長，其增長率與巷道圍巖性質(zhì)有關(guān)。開采深度每增加100 m，在煤層(=14 Mpa)中掘進(jìn)，圍巖移近量增加8.9%；在軟巖(=28 Mpa)中增加6.3%；在頁巖(=45 Mpa)中增加5%；在砂巖(=97 Mpa)增加3.4%。同時(shí)取=0，可以知道在掘巷過程中引起圍巖明顯變形的臨界深度，在煤層中為512 m，軟巖中為732 m，頁巖中為930 m，砂巖中為1360 m。 2）德國埃森采礦中心還對100條前進(jìn)式開采的采準(zhǔn)巷道進(jìn)行了系統(tǒng)觀測，得出巷道圍巖移近量占巷道原始的高度的百分率與開采深度關(guān)系式為： （2） 既開采深度每增加100 m，回采巷道圍巖移近量占原始高度的百分率增加6.6%，與上述統(tǒng)計(jì)值相似。礦井開采深度由300 m增加到800 m時(shí)，移近量要增加1000余mm，巷道從較易維護(hù)變?yōu)殡y以維護(hù)，可見開采深度對巷道礦壓顯現(xiàn)的影響之大。 2.3前蘇聯(lián)的研究 前蘇聯(lián)對礦井開采深度與巷道穩(wěn)定性的關(guān)系進(jìn)行過大量研究，認(rèn)為深部巷道礦壓顯現(xiàn)的一個(gè)主要特點(diǎn)是在巷道掘進(jìn)時(shí)就呈現(xiàn)圍巖強(qiáng)烈變形，且在掘進(jìn)后圍巖長期流變，使巷道支架承受很大壓力。淺部開采時(shí)表現(xiàn)不明顯的掘巷引起的圍巖變形，在深部開采時(shí)顯現(xiàn)十分強(qiáng)烈。根據(jù)在頓巴斯礦區(qū)進(jìn)行的大量巷道礦壓觀測，提出了深部巷道掘進(jìn)初期圍巖移近量的計(jì)算公式為： （3） （4） 式中 、——頂板、兩幫在掘進(jìn)后t時(shí)間內(nèi)的位移量，cm； ——時(shí)間，d； 、——頂板、兩幫作用在支架上的壓力，kN/m2； ——巖石容重，kN/m3； ——巷道所處的深度，m； ——巖石單軸抗壓強(qiáng)度，kPa； ——尋求常數(shù)時(shí)引入的單軸抗壓強(qiáng)度，3000kPa； ——巷道所處的深度，cm； ——巷道高度，cm。 由此可以看出隨著開采深度的增加，維護(hù)時(shí)間的增長，巷道變形將逐漸增加，維護(hù)也將越來越困難。前蘇聯(lián)學(xué)者舍斯勒夫斯基認(rèn)為，當(dāng)<0.3時(shí)，既開采深度相對比較小或圍巖強(qiáng)度相對比較大時(shí)，開采深度對巷道圍巖變形影響較小，反之，圍巖穩(wěn)定性系數(shù)愈大，開采深度對巷道圍巖變形的影響就也愈大。 3 深井巷道錨桿支護(hù)的關(guān)鍵理論與技術(shù) 3.1深井巷道錨桿支護(hù)理論基礎(chǔ) 傳統(tǒng)的懸吊、組合梁、組合拱等錨桿支護(hù)理論是根據(jù)處于彈性狀態(tài)的完整巖體提出的，而且只適用于特定的條件，對于圍巖處于峰后強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的破裂巖體。上述理論不能解釋錨桿支護(hù)的作用機(jī)理。近期國內(nèi)外一些學(xué)者研究了錨桿支護(hù)對巖石力學(xué)性質(zhì)的改善，但僅限于巖石處于峰前彈性狀態(tài)下對內(nèi)聚力C、內(nèi)摩擦角、彈性模量E的作用，未涉及巖石處于峰后的情況。圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論認(rèn)為： 1）巷道錨桿支護(hù)的實(shí)質(zhì)是錨桿和錨固區(qū)域的巖體相互作用形成統(tǒng)一的承載機(jī)構(gòu)。 2）巷道錨桿支護(hù)可提高錨固體的力學(xué)參數(shù)()改善被錨固巖體的力學(xué)性能。 3）巷道圍巖存在破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，錨桿錨固區(qū)的巖體則處于破碎區(qū)或處于上述2~3個(gè)區(qū)域中，相應(yīng)錨固區(qū)的巖石強(qiáng)度處于峰后強(qiáng)度或殘余強(qiáng)度。錨桿支護(hù)使巷道圍巖特別是處于峰后區(qū)圍巖強(qiáng)度得到強(qiáng)化，提高峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度。 4）煤巷錨桿支護(hù)可以改變圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，增加圍壓，從而提高圍巖的承載能力。 5）巷道圍巖錨固體強(qiáng)度提高以后，可減少巷道周圍破碎區(qū)、塑性區(qū)的范圍和巷道的表面位移，控制圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)的發(fā)展，從而有利于保持巷道圍巖的穩(wěn)定。 運(yùn)用極限平衡理論，在各向等壓的情況下，圓形巷道的塑性區(qū)半徑和周邊位移的計(jì)算式為： （5） （6） 式中 ——巷道周邊位移； ——塑性區(qū)半徑； ——原巖應(yīng)力； ——支護(hù)阻力； ——圓形巷道半徑； ——圍巖內(nèi)摩擦角； ——圍巖的粘聚力； ——剪切彈性模量。 由式5和式6可知，巷道的穩(wěn)定性和周邊位移主要取決于巖層的原巖應(yīng)力，反映巖石強(qiáng)度性質(zhì)的內(nèi)摩擦角和粘聚力。再因在給定巷道條件下，原巖應(yīng)力是定值，內(nèi)摩擦角和粘聚力愈小，也就是圍巖強(qiáng)度愈低，則周邊位移值顯著增大。 針對巷道圍巖中等穩(wěn)定的條件，根據(jù)理論研究、計(jì)算和相似材料模擬試驗(yàn)，得到了以下認(rèn)識； 1）錨固體破壞前后的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、錨固體極限強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度隨錨桿支護(hù)強(qiáng)度增加而提高，破壞后的較破壞前的提高更顯著，因此錨桿可以增強(qiáng)巷道圍巖的穩(wěn)定性，控制巷道的周邊位移。見表1、表2。 表1 不同錨桿支護(hù)強(qiáng)度下錨固體破壞前C、值 錨桿支護(hù)強(qiáng)度/(Mpa) 0 0.06 0.08 0.11 0.14 0.17 0.22 等效內(nèi)聚力C/(Mpa) 0.347 0.357 0.363 0.368 0.383 0.377 0.387 等效內(nèi)摩擦角/(°) 31.51 31.53 33.51 35.37 37.14 38.80 40.40 表2 不同錨桿支護(hù)強(qiáng)度下錨固體破壞后C*、值 錨桿支護(hù)強(qiáng)度/(Mpa) 0 0.06 0.08 0.11 0.14 0.17 0.22 等效內(nèi)聚力C/(Mpa) 0.0168 0.0182 0.0183 0.0184 0.0186 0.0194 0.021 等效內(nèi)摩擦角/(°) 31.51 31.53 33.51 35.37 37.24 40.40 40.40 2）破裂巖體中布置的錨桿強(qiáng)化了巖體的和，的強(qiáng)化大于的強(qiáng)化，與的強(qiáng)化比值為1.06~1.13，這對破裂巖體的穩(wěn)定十分有利。 3）破裂巖體的和隨的增加而不斷強(qiáng)化，達(dá)到一定程度就能保持圍巖的穩(wěn)定，見圖2。這就是錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)、支護(hù)參數(shù)研究的基本依據(jù)。 3.2深部巷道錨桿支護(hù)作用機(jī)理 1）錨桿錨固力 錨桿安設(shè)在巖體內(nèi)部，它的受力以及它作用于圍巖的力同框式支架相比要復(fù)雜得多。國標(biāo)GBJ86-85將錨固力定義為錨桿對于圍巖的約束力。在實(shí)際應(yīng)用中，大都以抗拔力為錨固力，這給檢驗(yàn)錨桿安設(shè)質(zhì)量提供了簡便的抗拔試驗(yàn)方法，但國內(nèi)外許多學(xué)者紛紛撰文指出了抗拔力與錨固力的區(qū)別，所以有必要進(jìn)一步分析和明確錨固力的定義。 圖2 錨固體應(yīng)力應(yīng)變曲線 注：曲線上數(shù)字為錨桿支護(hù)強(qiáng)度/Mpa 圖3 錨桿約束圍巖的力 根據(jù)錨桿對圍巖的穩(wěn)定作用劃分和定義錨固力。圖3表示錨桿作用于圍巖的兩個(gè)方向的力，徑向錨固力和切向錨固力，徑向錨固力含托錨力和粘錨力。 （1）托錨力：托板阻止圍巖向巷道內(nèi)位移，對圍巖施加徑向支護(hù)力，使圍巖由平面應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為三向應(yīng)力狀態(tài)，提高了圍巖的強(qiáng)度。這種來自托板使圍巖穩(wěn)定的力稱為托錨力。 （2）粘錨力：粘結(jié)劑將圍巖與錨桿粘結(jié)成整體，由于圍巖深部與淺部變形的差異，錨桿便通過粘結(jié)劑對圍巖施加粘結(jié)力來抑制圍巖變形，這種力對穩(wěn)定圍巖起著重要作用，稱為粘錨力。由作用力和反作用力關(guān)系可知，粘錨力就是錨桿體內(nèi)的軸力，但軸力沿桿體不是均布的，為了粘錨力的定量化，可將桿體中性點(diǎn)處的軸力值作為粘錨力的大小。 （3）切向錨固力：圍巖體的變形大多是從巖體中的弱面開始的，在圍壓的作用下，圍巖沿著弱面滑動或張開，最終導(dǎo)致巷道斷面的收縮。由于錨桿體貫穿弱面，它限制圍巖沿弱面的滑動和張開，這種限制力稱為切向錨固力。盡管桿體所能提供的切向錨固力同弱面的強(qiáng)度相比是較小的，但切向錨固力的存在可使弱面不致因某個(gè)薄弱環(huán)節(jié)的突然破壞而影響原有承載力的充分發(fā)展。 2）徑向錨固力的作用機(jī)理 如圖4所示，圖中a為完全失去粘結(jié)力的巖體，僅以巖塊之間的擠壓形成拱的作用，維持原來的形狀而沒有冒落；d為保持原來的強(qiáng)度和彈性模量的巖體；b為巖石強(qiáng)度已顯著降低，處于圍巖峰后特性區(qū)域的巖體，c為介于b與d之間的巖體，其狀態(tài)可能發(fā)展為b，也可能保持為d。在巖層內(nèi)開掘巷道以后，圍巖會出現(xiàn)如圖4的強(qiáng)度分布，強(qiáng)度分布將隨時(shí)間而變化，如能及時(shí)支護(hù)，不僅能保持d的狀態(tài)，防止巷道表面掩飾剝落，還可做到b那樣良好的狀態(tài)，防止內(nèi)部圍巖強(qiáng)度的惡化。所以要發(fā)揮錨桿的作用，必須掌握圍巖強(qiáng)度惡化的發(fā)展，及正確選擇阻止強(qiáng)度惡化發(fā)展的支護(hù)方式和支護(hù)阻力。實(shí)踐表明，只要及時(shí)安裝錨桿，即使錨固力不大，也能大幅度降低圍巖強(qiáng)度的惡化。 如圖5，當(dāng)圍壓為零時(shí)，殘余強(qiáng)度接近于零，當(dāng)圍壓為1 Mpa時(shí)，殘余強(qiáng)度約為9 Mpa。隨著圍壓的增高，巖石的應(yīng)變軟化程度逐步降低，殘余強(qiáng)度逐步增大。尤其是當(dāng)圍壓在零到1 Mpa范圍內(nèi)變化時(shí)，殘余強(qiáng)度表現(xiàn)出對圍壓很強(qiáng)的敏感性，即圍壓稍微增大，殘余強(qiáng)度增長很快。低圍壓下，殘余強(qiáng)度所以對圍壓具有強(qiáng)敏感性，是由于巖石的破裂面較粗糙，破裂后巖石繼續(xù)承載時(shí)，巖石變形主要表現(xiàn)為沿破裂面滑動和將破裂面的凸起啃斷兩種形式，當(dāng)圍壓為零時(shí)，巖石變形完全表現(xiàn)為沿破裂面滑動，當(dāng)圍壓由零逐漸增長時(shí)，巖石變形形式由沿破裂面滑動逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷⑵屏衙娴耐蛊鹂袛?，巖石的殘余強(qiáng)度迅速提高。圍巖峰后的這種特征對于研究巷道支護(hù)具有重要意義。 圖4 巷道圍巖破碎情況 圖5 殘余強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系 對于具有護(hù)表構(gòu)件的錨桿支護(hù)，徑向錨固力可以均布到錨固區(qū)域的單位面積巖體，若錨桿錨固力p為100 kN，則錨固巖體中單位面積巖體的圍壓增量為： （7） 式中 ——錨桿布置間排距，取e=t=0.7 m。 則=0.2 Mpa，在低圍壓情況下0.2 Mpa的圍壓增量約可使圍巖的殘余強(qiáng)度提高1~4 Mpa。 3）切向錨固力的作用機(jī)理 （1）切向錨固力對單節(jié)理面的加固作用 錨桿對圍巖弱面抗剪強(qiáng)度的作用表現(xiàn)為：由于節(jié)理面兩壁的相對位移導(dǎo)致錨桿軸向拉力(Tb)增長，而軸向力相對節(jié)理面提供附加力；Tb的平行節(jié)理面分量，將作為節(jié)理面抗剪能力的組成部分；粘結(jié)式錨桿桿體本身的抗剪能力限制節(jié)理面的相對滑動。 圖6 粘結(jié)式錨桿應(yīng)力分布圖 a-巖石錨桿；b-桿體拉應(yīng)力；c-膠結(jié)面剪應(yīng)力；d-桿體剪應(yīng)力；e-膠結(jié)面法向應(yīng)力 穿過節(jié)理面的錨桿在節(jié)理面附近的巖體內(nèi)應(yīng)力分布如圖6所示。葛修潤提出加錨節(jié)理面抗剪剛度公式為： （9） 式中 ——節(jié)理面本身的抗剪強(qiáng)度； ——由桿體的“銷釘”作用引起的換算抗剪剛度； ——由桿體軸向力相對節(jié)理面的法向分量引起的換算抗剪強(qiáng)度； ——由桿體軸向力相對節(jié)理面的切向分量引起的換算抗剪強(qiáng)度。 它們分別用下式求得： （10） （11） （12） （13） 式中 ——錨桿軸向應(yīng)力(以拉應(yīng)力為正)； ——錨桿橫截面上的平均剪應(yīng)力； ——節(jié)理面平均法向應(yīng)力； ——節(jié)理面粘結(jié)力； ——節(jié)理面摩擦角； ——錨桿安裝角，系節(jié)理面剪切位移方向與同一側(cè)錨桿的夾角； ——錨桿橫截面與單根錨桿穿過的節(jié)理面面積比。 由式9可知錨桿使節(jié)理面抗剪剛度提高量為： （14） （2）切向錨固力對圍巖的加固作用 圍巖體中存在大量不規(guī)則弱面，巖體強(qiáng)度往往取決于弱面的性質(zhì)。巷道開掘后，錨桿經(jīng)常滯后支設(shè)，在錨桿支設(shè)前，又會產(chǎn)生裂紋、裂隙等新生的弱面。因此，錨桿通常都穿過大量不規(guī)則的弱面。錨桿與弱面的夾角為0~，取其平均值，按式14求在的平均值 = （15） 按式15，可計(jì)算錨桿對節(jié)理抗剪強(qiáng)度的提高量，若錨桿破壞服從最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，取桿體抗拉強(qiáng)度為400 Mpa，為200 Mpa，為1/2000，為17°，則 =0.044+0.167=0.211 Mpa 即巷道圍巖錨桿加固以后，圍巖弱面的平均抗剪強(qiáng)度約可提高0.211 Mpa。 3.3深部巷道錨桿支護(hù)技術(shù) 1）采用大直徑、高強(qiáng)度、大延伸量錨桿 錨桿的強(qiáng)度直接影響其錨固范圍內(nèi)圍巖強(qiáng)度的強(qiáng)化和錨桿對巷道圍巖的支護(hù)阻力，從而影響錨桿群作用范圍內(nèi)圍巖的承載能力和錨桿的支護(hù)效果。 （1）增加錨桿的桿體直徑和采用高強(qiáng)度鋼筋 我國以往錨桿的普通圓鋼錨桿的桿體直徑一般為14 mm、16 mm、18 mm，材質(zhì)為Q235，其屈服強(qiáng)度為240 Mpa，破斷力均在100 kN以下。國外使用的錨桿桿體屈服強(qiáng)度為400~600 MPa，甚至更高，破斷力一般為200~300 kN，甚至更大。如美國高強(qiáng)度螺紋鋼桿體的屈服強(qiáng)度為414~689 MPa，拉斷強(qiáng)度為621~862 MPa；英國高強(qiáng)度螺紋鋼桿體的屈服強(qiáng)度為640~720 MPa；澳大利亞的mm高強(qiáng)度錨桿破斷力達(dá)到240 kN；mm的超高強(qiáng)度錨桿破斷力達(dá)到340 kN。為了達(dá)到和超過國外錨桿桿體材料水平，滿足我國深井巷道支護(hù)的要求，開發(fā)出錨桿專用鋼材配方，其中BHRB500，BHRB600型號的鋼材可用于生產(chǎn)強(qiáng)力錨桿。這2種鋼材的公稱直徑均為22~25 mm，屈服強(qiáng)度分別為500、600 MPa，抗拉強(qiáng)度分別為670、800 MPa，伸長率均為18%。對于mm的BHRB600型鋼筋，屈服力達(dá)228.1kN，破斷力達(dá)304.1 kN。分別是同直徑建筑螺紋鋼的1.79和1.63倍；是同直徑圓鋼的2.50和2.11倍。 （2）錨桿尾部螺紋熱處理或桿體整體調(diào)質(zhì)處理是一種提高錨桿桿體強(qiáng)度而成本較低的方法。 錨尾加工后，錨尾的實(shí)際直徑較桿體直徑要減少25%左右，其承載能力將減小25%~35%，使用中錨桿常在此處發(fā)生拉斷破壞，致使桿體的強(qiáng)度和塑性不能充分發(fā)揮，造成鋼材浪費(fèi)。如果對錨桿尾部螺紋進(jìn)行熱處理或?qū)U體進(jìn)行整體調(diào)質(zhì)處理，將會大大提高錨桿的強(qiáng)度。據(jù)邢臺礦務(wù)局核算，經(jīng)過熱處理的高強(qiáng)度錨桿，與同一直徑的普通錨桿相比，成本僅增加16%~35%，而極限承載能力提高65%~100%。熱處理使錨桿錨尾段的硬度和強(qiáng)度高于桿體，以保證錨桿在拉力作用后的斷裂位置在錨桿桿體而不在錨尾，從而充分利用首先屈服的桿體的較大塑性變形以適應(yīng)巷道圍巖較大變形的要求，并提高錨桿的整體強(qiáng)度。 （3）增加錨桿的延伸量 為了改變普通圓鋼錨桿延伸量較小、不能適應(yīng)巷道圍巖較大變形的缺點(diǎn)，為達(dá)到提高錨桿錨尾的拉斷力和充分發(fā)揮桿體材料的強(qiáng)度性能的目的，中國礦業(yè)大學(xué)研制了結(jié)構(gòu)簡單、加工方便的桿體可延伸增強(qiáng)錨桿。該錨桿的材料為含碳、磷、硫較低、延伸率較大的圓鋼，通過對錨桿的錨尾進(jìn)行強(qiáng)化熱處理而制成。桿體可延伸錨桿與同直徑、同材質(zhì)的普通圓鋼錨桿相比，其對巷道圍巖的支護(hù)阻力可提高34%~40%，適應(yīng)圍巖的變形量可增大500%以上。 阻止深部巷道圍巖發(fā)生較大變形既不經(jīng)濟(jì)也不合理。高強(qiáng)度錨桿支護(hù)可提供較大的支護(hù)阻力，控制圍巖塑性區(qū)及破碎區(qū)發(fā)展、降低塑性區(qū)流變速度， 提高支護(hù)阻力可以大大減小同巖變形；大延伸量錨桿支護(hù)允許圍巖有一定變形，降低圍巖應(yīng)力、減少錨桿載荷防止錨桿破斷，改善巷道維護(hù)狀況。因此必需研制大直徑、高強(qiáng)度、具有較高延伸率的錨桿來解決深部巷道支護(hù)問題，以滿足生產(chǎn)的要求。 2）增大錨桿預(yù)緊力 錨桿的作用是加固圍巖，改變巖體內(nèi)摩擦角和粘聚力等力學(xué)參數(shù)，提高圍巖的整體強(qiáng)度，阻止圍巖水平和垂直位移，所以，錨桿在安裝時(shí)給于巖體足夠的正壓力是相當(dāng)重要的。 錨桿的初錨力是由預(yù)緊力矩產(chǎn)生的，它們之間存在以下簡單的關(guān)系： （16） 式中 ——錨桿軸向拉力，N； ——螺母所受扭矩，； ——錨桿直徑，m； ——與錨桿螺紋形式、接觸面、材料、導(dǎo)程等有關(guān)系數(shù)，一般情況下： =0.35~0.42 由式16可知，錨桿的軸向拉力與錨桿的預(yù)緊力呈線性關(guān)系，錨桿的預(yù)緊力越大，軸向拉力也越大。 3）提高錨桿錨固力 在目前巷道支護(hù)中采用錨桿支護(hù)時(shí)，廣泛采用的錨固形式主要有兩種基本類型：一是端部錨固型，如倒楔式錨桿、楔縫式錨桿等；二是全長錨固型，如水泥砂漿錨桿、管縫式錨桿及目前廣泛使用的全長樹脂錨桿等。這兩種錨固形式都有各自的特點(diǎn)。全長錨固使錨固范圍內(nèi)的巖體的整體性得到加強(qiáng)，能有效地約束巷道圍巖的變形和位移，并有效地提高錨桿支護(hù)系統(tǒng)的剛度；而端部錨固則具有經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行、工藝簡單等特點(diǎn)。 錨桿的錨固形式為端部錨固，此時(shí)錨桿除兩端與巖體固緊外，其余部分基本上可視為與巖體呈脫離狀態(tài)。錨桿的錨固形式為全長錨固，此時(shí)錨桿全長均與巖體發(fā)生作用，即錨桿有效長度均對錨孔孔壁施加摩擦力并具有剪切強(qiáng)度，它不僅提供了支護(hù)反力，而且還提高了錨固范圍內(nèi)巖體的值。 由于全長錨固錨桿實(shí)現(xiàn)了全長錨固，當(dāng)圍巖發(fā)生微小不協(xié)調(diào)變形時(shí)，錨桿即可達(dá)到工作錨固力，及時(shí)提供約束力，限制圍巖的進(jìn)一步變形破壞。與此相反，端部錨固和加長錨固錨桿就必須是在圍巖不協(xié)調(diào)變形發(fā)展到一定程度后，才能達(dá)到工作錨固力，在時(shí)間上要落后于全長錨固錨桿，特別是端部錨固錨桿在圍巖不協(xié)調(diào)變形量很大的情況下才能達(dá)到工作錨固力，而此時(shí)圍巖的整體性已遭到了破壞，不能很好地發(fā)揮圍巖的自承能力，沒有達(dá)到加固圍巖、提高其自承能力、實(shí)現(xiàn)圍巖自穩(wěn)、控制變形的目的。 此外，端頭錨固時(shí)錨桿的工作阻力只作用在兩端，錨桿托盤的受力較大，極易引起孔口破裂、巖層被“壓酥”而破壞，產(chǎn)生卸載，使錨桿的支護(hù)阻力進(jìn)一步降低，因而失去或減小錨桿對圍巖的控制能力；而全長錨固錨桿的工作阻力在錨桿中部最大，孔口較小，因而對孔附近頂板的穩(wěn)定有利，如圖7。 錨固劑將桿體與圍巖粘結(jié)在一起，在圍巖深部與淺部不一致的變形過程中，錨固劑將圍巖變形傳遞給桿體，同時(shí)將桿體對圍巖變形的約束傳遞該圍巖，錨固劑在錨桿與圍巖相互作用過程中具有重要作用。樹脂錨固劑抗侵蝕性能、耐疲勞穩(wěn)定性、支護(hù)安全性能都優(yōu)于鋼絲繩水泥砂漿錨桿、管縫式錨桿和倒楔式等。因此在深井巷道中大都使用樹脂錨固劑。 理論分析和實(shí)踐都說明，如果一次支護(hù)由足夠的初撐力和支護(hù)阻力，有良好的讓壓性能和適當(dāng)?shù)淖寜合薅?，最好一次及時(shí)完成全部支護(hù)，全長樹脂錨固錨桿錨固力大，并且錨固及時(shí)，深部巷道高應(yīng)力、破壞速度快，應(yīng)大力使用全長樹脂錨固錨桿。 圖7 全長錨固和端頭錨固錨桿的軸向受力 1-端頭錨固錨桿；2-全長錨固錨桿 4）改善錨索性能 現(xiàn)用的小孔徑樹脂錨固預(yù)應(yīng)力錨索材料主要包括索體、錨具和托板，索體材料一般采用鋼絞線。小孔徑樹脂錨固錨索應(yīng)用初期，由于沒有煤礦專用錨索鋼絞線，只能選用建筑行業(yè)已有的鋼絞線規(guī)格。較為廣泛采用的鋼絞線由7根鋼絲組成，如圖8中(a)，為、 mm，拉斷載荷分別為260、353 kN，伸長率分別為3.5%，4.0%。在井下使用過程中，發(fā)現(xiàn)1×7結(jié)構(gòu)錨索有以下弊端：(1) 索體直徑偏小，與鉆孔直徑不匹配，孔徑差過大，明顯影響樹脂錨固力；(2) 索體破斷力小，在深井巷道中經(jīng)常出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象；(3) 索體延伸率低，不能適應(yīng)圍巖的大變形；(4) 索體強(qiáng)度低，施加的預(yù)應(yīng)力水平低，導(dǎo)致錨索預(yù)應(yīng)力作用范圍小，控制圍巖離層、滑動的作用差，當(dāng)錨索比較長時(shí)尤為如此。 煤炭科學(xué)研究總院北京開采研究所聯(lián)合有關(guān)單位，開發(fā)出大直徑、高噸位的強(qiáng)力錨索。一方面加大了錨索索體直徑，從增加到、、。不僅顯著地提高了索體的破斷力，而且使索體直徑與鉆孔直徑的配合更加合理；另一方面，改變了索體結(jié)構(gòu)，采用新型的l9根鋼絲代替了原來的7根鋼絲，如圖8中(b)，索體結(jié)構(gòu)更加合理，而且增加了索體的柔性和延伸率。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：1×19結(jié)構(gòu)的公稱直徑分別為18.0，20.0，22.0 mm，拉斷載荷分別為408，510，607 kN，伸長率均為7.0%。 mm的高強(qiáng)度、低松弛鋼絞線的破斷力超過600 kN，是 mm的鋼絞線破斷力的2.3倍；索體延伸率比 mm的鋼絞線提高一倍。 通過應(yīng)用新材質(zhì)、增大錨索直徑，提高錨索的延伸量和破斷載荷，使錨索適應(yīng)深部巷道圍巖大變形。 圖8 預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu) 5）加固幫、角關(guān)鍵部位 目前我國巷道支護(hù)重視頂板、忽視兩幫和底板，頂板錨桿支護(hù)強(qiáng)度較大、 兩幫支護(hù)強(qiáng)度較小、底板一般不支護(hù)，造成深部巷道兩幫及底角破碎區(qū)、塑性區(qū)很大，大范圍的破碎區(qū)圍巖發(fā)生碎漲變形，兩幫變形和底鼓十分嚴(yán)重。通過對兩幫及底角加強(qiáng)支護(hù)、注漿加固，提高兩幫及底角破碎區(qū)圍巖的殘余強(qiáng)度和錨桿錨固力，可有效阻止破碎區(qū)圍巖的碎漲變形，對深部圍巖起到支護(hù)作用，而且兩幫有效支撐頂板，阻止頂板下沉，保持圍巖穩(wěn)定，因此，控制兩幫下沉和底角破壞是深部巷道支護(hù)的關(guān)鍵。 6）完善錨桿支護(hù)監(jiān)測系統(tǒng) 錨桿支護(hù)是一種隱蔽性很強(qiáng)的工程，只有完善錨桿支護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)才能確保錨桿支護(hù)巷道的安全可靠性。有必要在深部巷道應(yīng)用非接觸、無損質(zhì)量的檢測儀器，儀器要具有快速、準(zhǔn)確、大面積測量的性能，以保證深部巷道的支護(hù)效果。 4 工程實(shí)例 4.1巷道地質(zhì)及生產(chǎn)條件 所研究的回采巷道位于-870 m水平。頂板是復(fù)合頂板，最大水平應(yīng)力達(dá)到38.13 MPa，煤層及頂板有中等和強(qiáng)烈沖擊傾向。巷道所在區(qū)域內(nèi)有五條較大斷層揭露，小構(gòu)造發(fā)育。-600 m以上為采空區(qū)，下部為未采區(qū)，頂?shù)装鍘r性柱狀圖如圖9，巷道力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表3。 表3 頂?shù)装鍘r石力學(xué)性質(zhì) 類別 抗拉強(qiáng)度/(MPa) 抗拉強(qiáng)度/(MPa) 粘聚力/(MPa) 內(nèi)摩擦角/(°) 抗彎強(qiáng)度 /(MPa) 彈性模量/(GPa) 泊松比 煤 1.2 23.5 2.6 25 2.11 0.25 頂板 砂巖 8.6 146.6 39.1 35 16.8 37.5 0.16 底板 砂巖 3.7 40.4 11.5 31 23.7 0.18 圖9 頂?shù)装鍘r柱柱狀圖 4.2地應(yīng)力測量 地應(yīng)力測試在直接頂砂巖中進(jìn)行，測試結(jié)果見表4。 4.3巷道圍巖穩(wěn)定性分類及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 按照我國煤礦緩傾斜、傾斜煤層回采行當(dāng)穩(wěn)定性分類方案進(jìn)行計(jì)算，回采巷道為極不穩(wěn)定的V類巷道。 4.4巷道支護(hù)設(shè)計(jì) 1）頂板全長樹脂錨固高強(qiáng)度錨桿 表4 地應(yīng)力測試結(jié)果 主應(yīng)力 數(shù)值/(MPa) 與東西方向夾角/(°) 與垂直方向夾角/(°) 與南北方向夾角/(°) 38.13 26.5 114.2 100.1 28.35 63.9 28.5 79.3 1.61 85.5 104.1 14.8 全長樹脂錨固高強(qiáng)度錨桿施工可靠，人為影響因素小，其錨固力分布于桿體全長，避免了端錨錨桿錨固力集中于周邊圍巖，使軟弱圍巖受集中力破壞而導(dǎo)致的錨孔失效；通過貫穿軟弱夾層，直接對其進(jìn)行加固，強(qiáng)化了頂板的穩(wěn)定性；加錨桿巖體及加錨桿弱面的力學(xué)性能也較裂隙巖體有很大提高，頂板圍巖的承載能力和抗變形性能達(dá)到顯著改善，同時(shí)結(jié)合W型鋼帶、菱形金屬網(wǎng)等輔助支護(hù)，能夠保證安全并顯著降低頂板下沉。應(yīng)用煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)專用軟件分析錨桿長度，不同計(jì)算方案的計(jì)算結(jié)果如圖10，在錨桿布置相同時(shí)，除底鼓量變化不大外，其它如錨桿長度對巷道變形量影響都較大。當(dāng)錨桿長度達(dá)到1.9 m后，圍巖移近量變化緩慢，再增加錨桿長度作用已不大，因此選擇頂錨桿長度2.2 m，幫錨桿長度2.0 m。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，目前廣泛采用的錨桿長度L與間距之比為： 錨桿長度為2.0 m，由上式得1.1<<1.4，取間排距800 mm。頂錨桿選取BHRB600，具體參數(shù)見表5。 表5 頂錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù) 類別 錨固方式 錨桿長度/(m) 桿體直徑/(mm) 間排距/(mm) 屈服強(qiáng)度 /(MPa) 抗拉強(qiáng)度/(MPa) 頂板 全長錨固 2.2 25 800 600 800 2）兩幫小孔徑加長樹脂錨固可伸長增強(qiáng)錨桿 兩幫松軟煤體表現(xiàn)出強(qiáng)烈的變形、大范圍松動、破壞，主要是掘巷后的高應(yīng)力作用，正常維護(hù)期間塑性流變的影響以及采動影響期的強(qiáng)烈動壓作用。合理的支護(hù)技術(shù)應(yīng)能有效控制圍巖松動變形、降低塑性流變速度、提供有效的側(cè)向支護(hù)阻力。采用大鉆孔時(shí)，軟弱煤層中錨桿錨固力低，樹脂層過厚，“三徑”匹配不合理，同時(shí)孔壁易松動破壞。普通端錨錨桿在軟弱煤體中錨固力僅有3~10 kN，而采用小孔徑加長樹脂錨固時(shí)，錨固力可達(dá)70~85 kN，可以大大強(qiáng)化錨固效果，見表6。 表6 幫錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù) 類別 錨固方式 錨桿長度/(m) 桿體直徑/(mm) 間排距 /(mm) 屈服力 /(kN) 破斷力 /(kN) 兩幫 加長錨固 2.0 16 800 60 89 圖10 錨桿長度與巷道表面位移關(guān)系曲線 1-頂板下沉；2-兩幫移近；3-底鼓 3）底角加強(qiáng)錨桿 底板軟弱煤巖體表現(xiàn)為強(qiáng)烈持續(xù)底鼓，抑制底鼓量主要通過加強(qiáng)幫角支護(hù)，在幫頂錨桿扇形布置的基礎(chǔ)上，于兩排錨桿之間兩底角處再加打一根錨桿，以強(qiáng)化底角支護(hù)結(jié)構(gòu)，錨桿形式及錨固方式與兩幫相同。巷道錨桿布置如圖11。 對比試驗(yàn)巷道的支護(hù)形式有兩種：第一種是棚式支護(hù)段，采用工字鋼剛性斜梯形支架，水泥背板。第二種是端部錨固錨桿加錨索支護(hù)，頂板錨桿為直徑16 mm，錨固長度500 mm，錨桿長2.2 m，屈服強(qiáng)度600 MPa，高強(qiáng)度錨索長5 m，直徑22 mm，拉斷載荷510 kN，垂直頂板，位于巷道頂板中部偏下。 4.5支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測 1）測站布置 回采巷道實(shí)驗(yàn)段全長250 m，工字鋼剛性斜梯形支護(hù)50 m，全長樹脂錨固錨桿支護(hù)150 m，端部錨固錨桿加錨索支護(hù)50 m。共安設(shè)測站9個(gè)，分別監(jiān)測巷道圍巖表面位移量、頂板離層值、頂板錨桿受力狀況。 圖11 巷道斷面錨桿布置 (1) 巷道圍巖位移量 從巷道掘出一年時(shí)間的觀測數(shù)據(jù)表明：采用高強(qiáng)度全錨錨桿組合支護(hù)明顯優(yōu)于金屬支架，端錨錨桿組合支護(hù)效果與全錨錨桿組合支護(hù)相近。三種支護(hù)方式的巷道頂?shù)装逑鄬σ平?、兩幫相對移近量以及它們的相對移近速度曲線分別見圖12、圖13、圖14和圖15。 圖12 巷道頂?shù)装逑鄬σ平壳€ 1-端錨固錨桿加高強(qiáng)度錨索；2-高強(qiáng)度全長錨固樹脂錨桿；3-棚式支護(hù) 圖13 巷道兩幫相對移近量曲線 1-端錨固錨桿加高強(qiáng)度錨索；2-高強(qiáng)度全長錨固樹脂錨桿；3-棚式支護(hù) 圖14 巷道頂?shù)装逑鄬σ平俣惹€ 1-端錨固錨桿加高強(qiáng)度錨索；2-高強(qiáng)度全長錨固樹脂錨桿；3-棚式支護(hù) 圖15 巷道兩幫相對移近速度曲線 1-端錨固錨桿加高強(qiáng)度錨索；2-高強(qiáng)度全長錨固樹脂錨桿；3-棚式支護(hù) 2）頂板巖層離層值 根據(jù)回采巷道復(fù)合頂板的特點(diǎn)，使用雙高度離層指示儀。深部基點(diǎn)深3.5 m，固定在穩(wěn)定的直接頂厚層砂巖內(nèi)，淺部基點(diǎn)深度1.0 m，固定在粉砂巖層上部，這樣就可以監(jiān)測粉砂巖以及上方0.4 m厚煤層的離層狀況。 在金屬支架支護(hù)實(shí)驗(yàn)段內(nèi)，巷道頂板離層嚴(yán)重，部分棚子空頂、漏頂。在全長錨固錨桿實(shí)驗(yàn)段內(nèi)，巷道頂板完整，頂板離層指示儀顯示，巷道開挖28 d圍巖活動穩(wěn)定后，頂板巖層中煤層上部的中粒砂巖與煤層下部粉砂巖間的位移差值僅為9 mm。頂板離層曲線如圖16。 圖16 巷道頂板離層值曲線 3）頂板錨桿受力狀況 測力錨桿測試數(shù)據(jù)表明：高強(qiáng)度全長樹脂錨固錨桿受力狀況良好，錨桿強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求，軸向力變化曲線如圖17，但是，位于靠下幫的頂板錨桿在測力桿中部發(fā)生局部塑性變形，具體情況如圖18。 圖17 測力錨桿軸力變化曲線 1-08.01.16；2-08.02.02；3-08.02.19；4-08.03.08 圖18 靠下幫的頂板測力錨桿軸力變化曲線 1-08.01.16；2-08.02.02 4.6支護(hù)效果和經(jīng)濟(jì)效益分析 1）支護(hù)效果 在地質(zhì)條件無明顯變化的250 m試驗(yàn)巷道段內(nèi)，分別采用金屬支架、高強(qiáng)度全長樹脂錨固錨桿加高強(qiáng)度錨索支護(hù)、端部錨固錨桿加錨索支護(hù)。由以上分析可知，全長樹脂錨桿和端部錨固錨桿加錨索支護(hù)在控制巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥冃瘟糠矫嫘Ч笾孪嗤?，但控制巷道頂?shù)装逡平俣群蛢蓭鸵平俣确矫嫒L樹脂錨固效果明顯好與端部錨桿加錨索支護(hù)，也就是全長樹脂錨固錨固錨固及時(shí)，能夠把巷道圍巖破碎減小到最小，而端部錨桿加錨索必須滯后一段時(shí)間，待圍巖破碎后，加大了支護(hù)難度。巷道采用金屬支架時(shí)，由于不能控制頂板破碎，在頂板載荷長期作用下，支架產(chǎn)生顯著的變形和破壞，巷道經(jīng)常修復(fù)。全長樹脂錨固錨桿能有效地改善圍巖力學(xué)性質(zhì)，實(shí)測數(shù)據(jù)表明：全長樹脂錨固錨桿與金屬支架相比，巷道頂?shù)装迮c兩幫相對移近量均減小50%以上，在整個(gè)服務(wù)期間不需要翻修。 2）經(jīng)濟(jì)效益分析 全長樹脂錨固與金屬支架相比較，支護(hù)材料及維護(hù)費(fèi)用降低60%以上，見表7。此外，采用全長樹脂錨固錨桿時(shí)，巷道掘進(jìn)斷面小，施工工藝簡單，生產(chǎn)輔助費(fèi)用低，工作面上、下出口的維護(hù)狀況得到大大改善，為高產(chǎn)高效工作面的建設(shè)提供了基本保證。 表7 經(jīng)濟(jì)效益比較表 比較項(xiàng)目 金屬支架Ⅰ 錨桿支護(hù)Ⅱ Ⅱ/Ⅰ(%) 支護(hù)材料(元/m) 1775 960 54 維修費(fèi)(元/m) 750 15 2 小計(jì)(元/m) 2525 975 39 5 結(jié)論 通過以上工程實(shí)例的研究，我們知道在深井巷道中，由于圍巖應(yīng)力比較大，圍巖變形速度快，圍巖塑性區(qū)也相應(yīng)擴(kuò)大，采用架棚等傳統(tǒng)的被動方式已不能滿足深井巷道圍巖變形的要求。采用端錨錨桿加高強(qiáng)度錨索的支護(hù)方式，能有效地控制巷道變形及圍巖位移量，但由于端錨作用不及時(shí)，當(dāng)端錨起作用時(shí)，圍巖已經(jīng)破碎，加大了支護(hù)難度，而使用高強(qiáng)度全長樹脂錨固錨桿，錨固力大，錨固及時(shí)，能有效地控制巷道變形，且在使用期間一般不用維修，支護(hù)成本低，我國在深部巷道應(yīng)大力推廣高強(qiáng)度全長樹脂錨固錨桿技術(shù)。 參考文獻(xiàn) [1] 陸士良、湯雷、楊新安.《錨桿錨固力與錨固技術(shù)》.北京：煤炭工業(yè)出版社，1998 [2] 陳炎光、陸士良.《中國煤礦巷道圍巖控制》.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1994 [3] 侯朝炯、郭勵(lì)生、勾攀峰.《煤巷錨桿支護(hù)》.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1999 [4] 錢鳴高、石平五.《礦山壓力與巖層控制》.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003 [5] 袁和生.《煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)》.北京：煤炭工業(yè)出版社，1997 [6] 張興永.《MATLAB軟件與數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)》.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007 [7] 柏建彪、侯朝炯.深部巷道圍巖控制原理與應(yīng)用研究.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2006，第35卷 （第2期）：145-148 [8] 康紅普、王金華、林健.高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)及其在深部巷道中的應(yīng)用.煤炭學(xué)報(bào).2007， 第32卷（第12期）：1233-1238 [9] 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