如何依据岩体力学理论确定巷道锚杆支护参数

 

　　一、引言

 

　　锚杆支护在煤矿巷道的支护中，是一种应用形式最多的支护方式。应用锚杆支护，关键的一个问题就是如何选择锚杆支护的参数，如何达到既经济合理，又能取得较好的安全支护效果，这才是最根本的目的。运用围岩松动圈理论，以锚杆支护机理为基础，合理选择锚杆支护的参数，能够取得较好的支护效果。

 

　　二、围岩松动圈的理论概念

 

　　矿井下的岩体，在开挖前是处于原始的应力平衡状态，当开挖后这种平衡状态就会遭到破坏和打破，使得由单向应力状态变为双向应力状态，并且在巷道周围产生了应力集中。而巷道周边变为单向应力状态，其径向应力σr下降为零，切向应力σt集中。当围岩集中应力σt小于岩体强度时，围岩处于弹性变形状态；当围岩集中应力σt大于岩体强度时，围岩就会产生破裂松动，并由巷道周边开始向深部发展。这种破裂松动，深入围岩深部的距离称为围岩松动区的厚度，这个破裂区则称之为围岩松动圈。

 

　　三、围岩分类与松动圈的测定方法

 

　　围岩松动圈是由围岩应力和围岩强度所决定的，所以各煤矿的地质条件不同，其围岩松动圈的参数也不尽相同。确定围岩松动圈的最好办法，就是进行现场实测。我们可以采用围岩裂隙探测仪，根据声波波速和振幅，从而做出巷道围岩岩体声速振幅变化曲线，就很容易地确定了松动圈的范围。而对于采准巷道来说，测站间隔可达到50m以上，每个测站可设置几条测线，每个测线布置6～8个测孔即可。顶板测孔要垂直顶板层理方向，其它测孔可沿煤层倾斜方向布置。测孔长度，按煤层柱状图来确定，一般为2～3m，其钻孔钻好后用水将孔冲洗干净，并将探头插入钻孔，注水封闭后即可测试。

 

　　在实际操作过程中，可以根据围岩松动圈支护理论，并结合单位实测资料进行围岩详细分类。一般情况下，都将围岩分成三类，即稳定围岩(松动圈LP≤40cm)、中等稳定围岩(40cm＜LP≤150cm)和不稳定围岩(LP＞150cm)。按此分类，制定具体的支护方案与措施。

 

　　四、巷道锚杆支护机理

 

　　一般在现有的支护条件下，试图采用支护手段来阻止围岩的松动破坏而是不可能的。支护的的主要作用就是限制围岩松动圈形成过程中破碎力所造成的有害变形。锚杆支护要达到较好的支护效果，其布置及参数必须充分考虑到松动圈内岩体的变形及破坏情况。利用锚杆支护的作用，就是通过巷道周边的数根锚杆稳固，使岩体互相挤压，形成一个接近原岩强度的组合承载结构，这样既锚固围岩的表层和防止冒落，又可利用岩体本身强度实现稳定的支护效果。因此，锚杆支护参数的选择，必须适应围岩松动圈岩体的特性，这样才是确定松动圈参数与选择锚杆支护的基本依据。如此施工方能达到应有的效果和作用。

 

　　五、锚杆支护参数的合理选择

 

　　1、稳定围岩

 

　　由于松动圈围岩的自重有限，锚杆将不起较大的作用。因此，对于整体性好、耐风化的围岩可不进行支护，必要时可用单一的喷射混凝土来支护。这种工程实践表明，其混凝土的最大厚度以不超过20cm为宜。在节省材料的同时，也能起到稳定的支护作用。

 

　　2、中等稳定围岩

 

　　通过现场的理论和实践表明，这时围岩碎胀变形比较明显，其围岩的收敛变形将使巷道岩体表层产生裂缝或破坏，因而必须用锚杆来控制其变形。锚杆锚固端为松动圈以外的岩体，锚固端位于塑性区。所以采用悬吊理论来合理确定锚杆参数，使得锚杆能充分起到拉伸、挤压、加固作用，从而使松动圈内岩体保持稳定状态。

 

　　(1)锚杆长度确定。

 

　　L=LP+L1+L2

 

　　式中：L——锚杆长度m；

 

　　LP——围岩松动圈厚度，m；

 

　　L1——锚杆锚入松动圈以外稳定围岩的深度，可取0.2～0.3m；

 

　　L2——锚杆在巷道中外露长度，m。

 

　　(2)锚杆间排距确定。选取锚杆间排距相等时，则锚杆锚固力应满足以下条件：

 

　　Qmin≥LP·D2·γ

 

　　D≤[Qmin/(LP·γ)]1/2

 

　　式中：D——锚杆间排距，m；

 

　　Qmin——锚杆最小锚固力，kN；

 

　　γ——围岩的重力密度，kN/m3。

 

　　(3)锚杆直径确定。按照每根锚杆悬吊的岩石重量来计算锚杆直径。

 

　　D2·LP·γ≤πd2[σ]/4

 

　　d≥2D[(LP·γ)/(π[σ])]1/2

 

　　式中：d——锚杆直径，mm；

 

　　[σ]——锚杆体许用应力，N/mm2。

 

　　3、不稳定围岩

 

　　在岩石松动圈大于1.5m时，巷道围岩的收敛变形较大，这时支护除要有一定的支护强度外，还应具备一定的可缩性。从现场实践表明，此时可采用锚喷网支护结构，其锚杆参数选择原理与上述相同。如松动圈厚度较大，锚杆过长也安装不易，且承受较大的拉力，锚固效果可能不好。因此，在层状岩层结构下，选择较坚硬的岩层作为锚杆的锚固点，并在巷道表面布置金属网进行喷层处理，这样会取得理想的支护效果。

 

 

　　在巷道进行支护时，应根据围岩松动圈理论，并通过测定来确定围岩岩石的稳定性与硬度情况，从而科学合理地确定锚杆及其相应的支护形式。这样，既能在现有的支护投资条件下达到安全支护的目的，又能最大限度地节省支护材料。