【文章內(nèi)容簡介】 頂板的下沉量，并通過加大錨桿的間排距，減少錨桿用量，提高巷道掘進(jìn)速度。 作為采礦技術(shù)領(lǐng)先的國家，美國在礦井錨桿支護(hù)的應(yīng)用中緊緊把握了這一發(fā)展趨勢 。 20 世紀(jì) 70 年代，美國首次將漲殼式錨頭與樹脂錨固劑聯(lián)合使用，使得錨桿能夠?qū)崿F(xiàn)很高的預(yù)緊力，同時(shí)錨桿的直徑和強(qiáng)度有了進(jìn)一步提高（直徑達(dá)到 22~25mm，強(qiáng)度達(dá)到 517Mpa），錨桿的高預(yù)緊力可以達(dá)到桿體本身強(qiáng)度的 50%~75%，從而實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度、高預(yù)緊力、低錨桿間排距。 美國的高預(yù)緊力錨桿支護(hù)技術(shù)已取得顯著成效，并影響到很多國家，如英國研制成錨固能力達(dá) 500KN 的“大錨桿”，并在井下試驗(yàn)用 的間排距取代間距 的“ AT錨桿，取得成功。 這一技術(shù)思想近年也影響到我國，針對淮南新區(qū)特厚層復(fù)合頂板極易 離層的煤巷維護(hù)特點(diǎn)，中國礦業(yè)大學(xué)錨桿支護(hù)研究所充分強(qiáng)調(diào)和應(yīng)用了預(yù)應(yīng)力支護(hù)理念，利用高預(yù)應(yīng)力支護(hù)手段，在十分復(fù)雜的離層破碎型頂板下采用預(yù)緊力技術(shù)取得成功，最大限度地控制頂板初期變形，消除或大大減緩了頂板離層，大大提高了支護(hù)圍巖系統(tǒng)的安全可靠性和實(shí)際支護(hù)效果。我國不少礦區(qū)正在逐漸認(rèn)識和接受這一新的支護(hù)理念，出現(xiàn)不少解決復(fù)雜、困難條件下巷道支護(hù)的成功范例。 這些成功實(shí)例表明：高預(yù)緊力錨桿能夠很有效地控制層狀頂板離層，因而冒頂現(xiàn)象大大減少，安全狀況得到了根本性的轉(zhuǎn)變；同樣條件下錨桿的密度減小，間排距大大提高，同時(shí)錨 桿用量減少 20~30%；掘進(jìn)速度大大提高，支護(hù)效果明顯改善。 預(yù)緊力錨桿理論 巷道開挖后在圍巖很小變形時(shí)，脆性特征明顯的巖體就會出現(xiàn)開裂、離層、滑動、裂紋擴(kuò)展和松動等現(xiàn)象，使圍巖強(qiáng)度大大弱化，雖然在巷道開挖后一般會及時(shí)安裝錨桿，但普通錨桿未施加預(yù)緊力（或施加一定預(yù)緊力，但不足以抵抗圍巖離層、變形），這種錨桿仍然屬于被動支護(hù)。即使每一排使用盡量多的錨桿，間排距很小，但這種錨桿只能保證在錨固長度范圍離層變形后產(chǎn)生較大的支護(hù)抗力，但因頂板已發(fā)生離層，這種抗力無助于恢復(fù)或提高頂板總體的抗剪強(qiáng)度，因此，避免不了圍 巖在錨桿長度以外的頂板中發(fā)生離層，進(jìn)而導(dǎo)致垮落，實(shí)際上這種現(xiàn)象是經(jīng)常發(fā)生的。 預(yù)緊力的大小之所以對頂板穩(wěn)定性具有決定性的作用，是因?yàn)楫?dāng)預(yù)緊力增大到一定程度時(shí)，可以使頂板巖層處于橫向壓縮狀態(tài)，形成預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，通過建立頂板預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)可提高頂板整體的抗剪強(qiáng)度，使其不向縱深發(fā)展。這種錨桿，實(shí)現(xiàn)了真真意義上的“主動支護(hù)”。 錨桿預(yù)緊力值的選擇確定 錨桿預(yù)緊力設(shè)計(jì)的原則是控制圍巖不出現(xiàn)明顯的離層、滑動預(yù)拉應(yīng)力區(qū)。巷道是否產(chǎn)生離層應(yīng)作為巷道穩(wěn)定性評判標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)踐證明，如果選擇合理的預(yù)緊力值，能夠?qū)崿F(xiàn)對離層與滑動的有 效控制。根據(jù)國外經(jīng)驗(yàn)和國內(nèi)部分礦區(qū)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合我國煤礦巷道條件與施工機(jī)具，一般可選擇錨桿預(yù)緊力為桿體屈服載荷的 30~50%。表 6 為不同材質(zhì)與規(guī)格的錨桿的預(yù)緊力參考值（按桿體屈服載荷的 50%考慮）。 表 6 不同材質(zhì)與規(guī)格錨桿的預(yù)緊力值 牌號 屈服強(qiáng)度 （ Mpa） 預(yù)緊力值（ KN） Ф 16mm Ф 18mm Ф 20mm Ф 22mm Ф 25mm Q235 240 BHRB335 335 BHRB400 400 BHRB500 500 BHRB600 600 提高錨桿預(yù)緊力的技術(shù)措施 目前。我國煤礦錨桿預(yù)緊力主要是通過錨桿機(jī)旋轉(zhuǎn)擰緊錨桿尾部螺母，壓緊托板實(shí)現(xiàn)的，而錨桿機(jī)不能提供較大的扭矩，從而導(dǎo)致錨桿預(yù)緊力偏低，一般預(yù)緊力矩為 100~150N178。 m，預(yù)緊力僅為 15~20KN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需要，且我國錨桿加工制造工藝粗糙，基本上沒有考慮 減少摩擦力問題，致使錨桿螺母與桿體之間的摩擦阻力偏大，也降低了錨桿的擰緊力矩，鑒于此，提出如下提高錨桿預(yù)緊力的技術(shù)措施。 （ 1）提高螺母預(yù)緊力矩 M 螺母預(yù)緊力矩是由錨桿安裝機(jī)的輸出扭矩的大小決定的，這是影響錨桿預(yù)緊力的關(guān)鍵因素。國外普遍采用錨桿臺車和掘錨機(jī)組，錨桿鉆機(jī)的輸出扭矩很大，國內(nèi)主要采用單體錨桿機(jī)輸出扭矩一般不超過 150 N178。 m。針對這種情況，開發(fā)出了扭矩放大器，該扭矩放大器與單體錨桿機(jī)相配合，可使錨桿機(jī)的輸出扭矩增大 ，有效地解決了扭矩不足的問題。 （ 2）采取綜合減摩措施 這些措施主要包 括：提高螺紋加工精度等級，采用油脂對螺紋部進(jìn)行潤滑，在螺母與托板之間加減摩墊片等，都可使螺母扭緊力矩得到顯著提高。國內(nèi)一些單位對此做了不少研究、試驗(yàn)，取得了明顯效果，我們可以學(xué)習(xí)借鑒。 第四章 錨桿支護(hù)參數(shù)選擇確定原則 在煤巷錨桿支護(hù)中，除了錨桿預(yù)緊力參數(shù)是最至關(guān)重要的因素外，錨桿支護(hù)參數(shù)還包括許多相關(guān)內(nèi)容：如錨桿的幾何參數(shù)（直徑、長度等）、錨桿力學(xué)參數(shù)（屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及延伸率等）、鉆孔與錨固參數(shù)、錨桿布置參數(shù)（茅桿間距、排距、安裝角度等）、組合構(gòu)件和網(wǎng)的參數(shù)、錨索參數(shù)等，這些參數(shù)的合理 確定，除了科學(xué)地設(shè)計(jì)、計(jì)算外，工程技術(shù)人員還必須具備比較豐富的錨桿支護(hù)理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，明確錨桿支護(hù)相關(guān)參數(shù)的確定原則，將這些原則與支護(hù)設(shè)計(jì)有機(jī)地結(jié)合在一起，才能最大限度地確保支護(hù)的成功。 錨桿幾何參數(shù) （ 1）錨桿直徑 錨桿桿體直徑已形成基本系列，包括 16 mm、 18 mm、 20 mm、 22 mm、 25mm，錨桿直徑的選取從技術(shù)上主要考慮一下三方面因素： ①錨固效果。研究結(jié)果表明，對于螺紋鋼錨桿，鉆孔直徑和桿體直徑之差應(yīng)控制在 4~10mm 之間，才能保證錨固效果， 6~8mm 最佳。 ②錨桿預(yù)緊力。選擇錨桿直徑 時(shí)，應(yīng)結(jié)合巷道圍巖具體條件，支護(hù)要求的預(yù)緊力大小確定，要求預(yù)拉越大，錨桿的直徑應(yīng)越大。 ③錨桿強(qiáng)度。在桿體材質(zhì)相同的情況下，直徑越大，強(qiáng)度越高。錨桿直徑對巷道圍巖變形有明顯影響，對圍巖破碎、應(yīng)力大的巷道，應(yīng)選用直徑大的錨桿，相反，對于圍巖比較完整，變形量較小的巷道選用直徑較小的錨桿。 （ 2）錨桿長度 錨桿長度現(xiàn)已形成基本系列，包括 、 、 、 、 、 、錨桿長度的選擇從技術(shù)上應(yīng)考慮一下因素。 ①保證錨固區(qū)內(nèi)形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)。錨桿長度應(yīng)保證錨固區(qū)內(nèi)形成一個(gè)穩(wěn)定的 承載結(jié)構(gòu)，具有足夠的承載能力。錨桿長度太短，錨固區(qū)厚度過小，不能保證頂板穩(wěn)定，但錨桿長度增加到一定值后，再加長錨桿對錨固體承載已無明顯影響，因此，錨桿長度有一個(gè)合理的取值范圍。 ②與錨桿預(yù)緊力、直徑、強(qiáng)度相匹配。直徑小、強(qiáng)度低、預(yù)緊力低的錨桿，錨桿長度不宜過大，在預(yù)緊力一定的情況下，錨桿越長，預(yù)緊力的作用越不明顯，主動支護(hù)性越差，錨桿越長，施加的預(yù)緊力應(yīng)越大。反過來，通過提高預(yù)緊力，可適當(dāng)減小錨桿長度。 ③滿足井下施工要求。過長的錨桿不能在斷面較小的巷道應(yīng)用，否則會影響施工速度，甚至無法施工。 錨桿力學(xué) 參數(shù) 錨桿力學(xué)參數(shù)包括桿體的屈服強(qiáng)度、破斷強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和延伸率等。傳統(tǒng)的錨桿桿體材料主要是 Q235 圓鋼和 20MnSi建筑螺紋鋼。 Q235 圓鋼的屈服強(qiáng)度僅為 240MPa，抗拉強(qiáng)度為 380 Mpa； 20MnSi建筑螺紋鋼屈服強(qiáng)度為 335 Mpa，抗拉強(qiáng)度為 490 Mpa，均屬低強(qiáng)度錨桿。為滿足巷道支護(hù)要求，又開發(fā)了錨桿專用螺紋鋼，并形成系列，屈服強(qiáng)度分別達(dá)到 400 Mpa、 500 Mpa、 600 MPa以上，最大抗拉強(qiáng)度達(dá)到 800 Mpa，真正實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度。錨桿力學(xué)參數(shù)選取應(yīng)遵循以下原則： （ 1）優(yōu)先選擇高強(qiáng) 度錨桿。 一般條件下，應(yīng)優(yōu)先選擇高強(qiáng)度錨桿，以提高支護(hù)效果，保證巷道安全。提高錨桿強(qiáng)度可有效減小巷道圍巖變形，控制圍巖破壞范圍。 （ 2）與錨桿預(yù)緊力相匹配。 單純強(qiáng)調(diào)提高錨桿強(qiáng)度，而忽視預(yù)緊力作用，不能充分體現(xiàn)高強(qiáng)錨桿的作用，結(jié)合控制圍巖離層、滑動等所需要的預(yù)緊力，確定合理的錨桿強(qiáng)度，不僅能顯著提高支護(hù)效率，而且能降低錨桿支護(hù)密度，有利于提高掘進(jìn)速度。 （ 3）因地制宜。 對于圍巖穩(wěn)定，地質(zhì)構(gòu)造簡單，地應(yīng)力小的巷道，在滿足支護(hù)要求的前提下，可選用強(qiáng)度較低的錨桿，以降低支護(hù)成本。 錨固參數(shù)的選擇確定 錨固參數(shù)包括 錨固劑的型號、規(guī)格、尺寸、錨固長度等。這里不對錨固劑的型號、規(guī)格、尺寸進(jìn)行論述，只強(qiáng)調(diào)錨固劑直徑應(yīng)與鉆孔直徑相匹配的問題，比較合理的錨固劑直徑是比鉆孔直徑小 3~5mm，如 28mm 的鉆孔直徑，使用 23mm 直徑的錨固劑； 30mm 的鉆孔直徑，使用 25mm 直徑的錨固劑等。 錨桿錨固長度主要分為端部錨固、加長錨固和全長錨固。端部錨固：錨桿錨固長度不大于 500mm 或不大于鉆孔長度的 1/3；全長錨固：錨桿錨固長度不小于鉆孔長度的 90%；加長錨固：介于端部錨固和全長錨固之間。三種錨固長度各有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件： （ 1）端部 錨固錨桿。 對于端部錨固錨桿，錨桿拉力除錨固端外，沿長度方向是均勻分布的，在錨固范圍內(nèi)，任何部位巖層的離層都均勻地分散到整個(gè)桿體的強(qiáng)度上，導(dǎo)致桿體受力對圍巖變形和離層不敏感。由于錨桿與鉆孔之間有較大空隙，所以錨桿抗剪能力只有在巖層發(fā)生較大錯(cuò)動后才能發(fā)揮出來，為了提高端部錨固的剛度，應(yīng)施加較大的預(yù)緊力。端部錨固成本較低，易于安裝，施工速度快，適用于圍巖比較完整、穩(wěn)定、壓力小的巷道。 （ 2）全長錨固錨桿。 錨固劑將錨桿桿體與鉆孔孔壁粘結(jié)在一起，使錨桿隨著巖層移動承受拉力，當(dāng)巖層發(fā)生錯(cuò)動時(shí)，與桿體共同起抗剪作用。全長錨固錨桿應(yīng)力、應(yīng)變沿錨桿長度方向分布極不均勻，離層和滑動大的部位錨桿受力很大，桿體受力對圍巖變形和離層很敏感，能及時(shí)抑制圍巖離層和滑動。全長錨固成本較高，安裝速度相對較慢，適合圍巖破碎、結(jié)構(gòu)面發(fā)育、壓力大的巷道。 （ 3）加長錨固錨桿。 加長錨固兼有端錨和全錨的特點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用，支護(hù)成本和安裝速度介于兩者之間，一般條件下應(yīng)優(yōu)先選用這種錨固方式。 上述錨固長度的選取是在一般情況下需要遵循的原則，必須強(qiáng)調(diào)的是，錨固方式的選取必須充分考慮預(yù)緊力的影 響。試驗(yàn)證明，在考慮預(yù)緊力的條件下，全長錨固與加長錨固的效果均比端部錨固差。其原因是全長錨固和加長錨固預(yù)緊力的擴(kuò)散效果不如端部錨固。因此要提高全長錨固與加長錨固的預(yù)緊力擴(kuò)散效果，有效途徑是先施加預(yù)緊力錨固劑后固化。方法是超快速固化與慢速固化錨固劑搭配使用，即端部使用超快速固化錨固劑，后面使用慢速固化錨固劑，當(dāng)端部超快速固化錨固劑固化后，即施加預(yù)緊力，之后慢速固化劑再固化。國外采用端部機(jī)械化錨固與慢速固化錨固劑相結(jié)合的方法，既能達(dá)到對圍巖施加預(yù)緊力，又能保證全長錨固，支護(hù)效果非常好。 錨桿布置參數(shù) 錨桿布 置參數(shù)主要包括錨桿支護(hù)密度（間排距）和安裝角度。 （ 1）錨桿支護(hù)密度 錨桿支護(hù)密度涉及兩個(gè)參數(shù)：錨桿間距與排距，通過研究不同錨桿間距的預(yù)應(yīng)力場分布，得到如下結(jié)論： ①在一定預(yù)應(yīng)力條件下，錨桿間距過大，單根錨桿形成的壓應(yīng)力區(qū)彼此獨(dú)立，錨桿之間出現(xiàn)較大范圍的近零應(yīng)力區(qū)，不能形成整體支護(hù)結(jié)構(gòu)，主動支護(hù)效果較差。 ②隨著錨桿間距縮小，單根錨桿形成的壓應(yīng)力區(qū)逐漸靠近，相互疊加；錨桿之間的有效壓應(yīng)力區(qū)擴(kuò)大，并連成一片，形成整體支護(hù)結(jié)構(gòu)，錨桿預(yù)緊力擴(kuò)散到大部分錨固區(qū)域。 ③當(dāng)錨桿密度增加到一定程度，再增加支護(hù)密度，對有效 壓應(yīng)力區(qū)擴(kuò)大，錨桿預(yù)緊力的擴(kuò)散作用變得不明顯，支護(hù)密度有一個(gè)合理的值。 根據(jù)以上研究分析，結(jié)合大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定錨桿支護(hù)密度應(yīng)遵循以下原則： （ 1）低支護(hù)密度原則。應(yīng)在盡量提高單根錨桿的預(yù)緊力、強(qiáng)度與剛度的前提下，在保證支護(hù)效果與安全的條件下，降低支護(hù)密度。如美國錨桿間排距一般為 179。 ，澳大利亞錨桿間排距一般在 左右，降低支護(hù)密度，可降低巷道支護(hù)綜合成本，明顯提高成巷速度。 （ 2）支護(hù)密度與錨桿預(yù)緊力、強(qiáng)度、長度、相匹配的原則。實(shí)踐證明，通過提高錨桿預(yù)緊力、直徑、強(qiáng)度，可以增大錨桿間排距。 通過大幅度提高錨桿預(yù)緊力，不僅能夠顯著減小圍巖變形，保證圍巖的完整性和穩(wěn)定性，而且可以顯著降低支護(hù)密度。 （ 3）支護(hù)密度與組合構(gòu)件相匹配的原則。結(jié)合構(gòu)件（鋼帶、網(wǎng)）在預(yù)應(yīng)力支護(hù)系統(tǒng)中起著不可忽視的作用。通過選擇表面積大、強(qiáng)度和剛度高的組合構(gòu)件，可擴(kuò)大錨桿作用范圍，適當(dāng)減小支護(hù)密度。 （ 2）錨桿角度 錨桿角度主要指頂板靠近兩幫傾斜錨桿的角度。理論研究和實(shí)踐表明，傳統(tǒng)的將傾斜錨桿布置成與垂線成 20176。 ~30176。角的方式并不能阻止頂板整體切落，傾斜錨桿與鋼帶構(gòu)成的兜狀結(jié)構(gòu)也不能有效防止頂板冒落。相反，過大的角度會削弱 錨桿群對頂板的整體支護(hù)作用，這是因?yàn)椋? ①當(dāng)頂板角錨桿垂直布置時(shí)，角錨桿與中部錨桿形成的有效壓應(yīng)力區(qū)相互連接與疊加，在頂板形成厚度較大，分布比較均勻的壓應(yīng)力區(qū)，覆蓋了錨固區(qū)的大多數(shù)面積，錨桿預(yù)緊力擴(kuò)散與疊加效果最好。 ②隨著頂板錨桿角度增加，角錨桿形成的有效壓應(yīng)力區(qū)與中部錨桿形成的有效壓應(yīng)力區(qū)逐漸分離，疊加區(qū)域越來越小。當(dāng)頂板角錨桿角度達(dá)到 15176。，兩個(gè)壓應(yīng)力區(qū)明顯分離，繼續(xù)加大角度，則分離更遠(yuǎn)，成為彼此獨(dú)立的支護(hù)單元，錨桿群的整體支護(hù)作用受到嚴(yán)重影響。 ③頂板角錨桿角度越大，錨桿預(yù)緊力形成的壓應(yīng)力區(qū)越小，而 且，較高的壓應(yīng)力主要集中在錨桿尾部附近，在錨桿中部與端部壓應(yīng)力則較小，這不利于錨桿支護(hù)作用的充分發(fā)揮。 根據(jù)以上原因，對于預(yù)應(yīng)力支護(hù)系統(tǒng)，頂板角錨桿最好垂直布置，如考慮施工需要一定的角度，最大角度不應(yīng)超過 10176。 錨桿組合構(gòu)件與網(wǎng)的參數(shù) （ 1）組合構(gòu)件參數(shù) 組合構(gòu)件有鋼帶、鋼筋托梁、鋼梁等。組合構(gòu)件在錨桿支護(hù)系統(tǒng)中起