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　　前言：隨著采掘機(jī)械化水平的不斷提高，采掘巷道斷面的不斷加大，更需要改善和簡化巷道與端頭的支護(hù)工藝。在實踐中，錨噴支護(hù)在巖巷中實現(xiàn)了懸吊組合梁和楔固機(jī)理，有效地加固頂板巖層，保持了巷道頂板的完整性，使頂板處于良好的受力狀態(tài)，有效控制了頂板的自由變形。錨桿支護(hù)是一種常用的能夠與圍巖共同變形的柔性支護(hù)，對圍巖過度變形有良好的控制作用，在煤礦巷道支護(hù)中的應(yīng)用幾乎達(dá)到了100%?，F(xiàn)實中，往往由于多種客觀因素的影響，大多數(shù)的礦井都不能根據(jù)不同類別的巷道特征，及時選用相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)與工藝，以致于影響巷道的服務(wù)周期、安全性和經(jīng)濟(jì)性。因此對錨桿支護(hù)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化研究，改進(jìn)錨桿的支護(hù)參數(shù)設(shè)計以實現(xiàn)錨桿支護(hù)優(yōu)化，是十分重要的和必要的。

 

 

　　所謂錨桿的參數(shù)優(yōu)化是指在保證圍巖穩(wěn)定的前提下，錨桿的加固能力和圍巖的自承能力均得到充分發(fā)揮，實現(xiàn)錨桿-圍巖共同承載，不僅獲得良好的加固效果，而且節(jié)省錨桿量，降低支護(hù)材料消耗和支護(hù)成本。研究認(rèn)為通過理論推算，在圍巖松動圈理論和錨桿支護(hù)機(jī)理基礎(chǔ)上，通過巷道頂板的松動范圍觀測和試驗錨桿的承載力監(jiān)測，可以方便計算巷道錨桿的長度和準(zhǔn)確確定錨桿載荷，設(shè)計錨桿參數(shù)。求出需要的支護(hù)載荷及巷道變形的范圍或塑性圈半徑，進(jìn)而可能設(shè)計出合理的錨桿參數(shù)，再通過錨桿承載力監(jiān)測對錨桿參數(shù)作進(jìn)一步修改，最終可實現(xiàn)錨桿參數(shù)的優(yōu)化。

 

　　巷道開挖后，圍巖應(yīng)力重新分布，當(dāng)二次應(yīng)力達(dá)到一定值時，巷道圍巖體產(chǎn)生彈塑性變形，并形成三區(qū)（松動圈，塑性區(qū)，彈性區(qū)）。把巷道斷面按外接圓等效為圓形，根據(jù)巖體力學(xué)中的彈塑性理論，利用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，按平面應(yīng)變進(jìn)行求解可得到軸對稱圓形巷道周邊的位移公式。巷道周邊位移影響圍巖支護(hù)反力，圍巖支護(hù)反力由錨桿提供?？梢钥闯鲥^桿的錨固力是隨著巷道圍巖的變形的變化而變化的，隨著巷道圍巖變形的增大，需要錨桿提供的反力越小。因為圍巖變形釋放掉部分彈性能，減小了所需支護(hù)反力。如果控制圍巖體未完全破裂前，錨桿支護(hù)發(fā)揮作用，限制圍巖進(jìn)一步變形，將保持圍巖體的平衡穩(wěn)定，這樣，便實現(xiàn)錨桿與圍巖共同承載的目的。通過巷道周邊位移監(jiān)測，進(jìn)而可設(shè)計出可能合理的錨桿支護(hù)參數(shù)。

 

　　巖體抗壓強度、材料特性、引發(fā)應(yīng)力的大小和分布，以及巷道的允許變形程度和服務(wù)年限，巷道尺寸和形狀等條件，都決定于錨桿支護(hù)系統(tǒng)的合理設(shè)計問題。對此，支護(hù)設(shè)計要以“新奧法”的施工思想為指導(dǎo)，并根據(jù)施工地質(zhì)條件不同，來選擇不同的支護(hù)參數(shù)。簡而言之，錨桿支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計和支護(hù)參數(shù)的確定，主要也就是指錨桿類型、間排距、長度、直徑、錨固力。只有合理確定錨桿支護(hù)參數(shù)，才能獲得錨桿支護(hù)在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的最佳效果。

 

　?。ㄒ唬嗝嫘螤畲_定。采用離散元數(shù)值分析法，對巷道礦壓顯現(xiàn)特征進(jìn)行數(shù)值模擬分析得出的結(jié)論：在巷道頂部基本形成一個卸載松動區(qū)，根據(jù)錨桿支護(hù)能使塑性破壞后松動的煤體形成具有一定承載能力，且在一定范圍內(nèi)適應(yīng)圍巖變形的平衡拱這一原理，巷道斷面選用直墻半圓拱形斷面時為最好。這樣再根據(jù)設(shè)備布置、生產(chǎn)能力和通風(fēng)要求，確定錨網(wǎng)支護(hù)條件下巷道斷面具體尺寸。

 

　?。ǘ╁^桿長度。錨桿安設(shè)在頂板中，被錨固的巖層不厚，上面并有老頂時，錨桿的長度只要使其錨固部分固定在老頂內(nèi)即可，也就說L≥200～300mm。按單體錨桿懸吊理論，計算錨桿長度如下：L=L2+m+L1，式中L2為錨桿頂部進(jìn)入老頂?shù)拈L度（mm）；m為錨固巖層厚度（mm）；L1為錨桿露出孔外長度（mm）。①L2長度：根據(jù)桿體設(shè)計抗拉強度等于錨固端部的粘結(jié)力這一等量關(guān)系（πd2σ拉/4=πdL2τ粘），推導(dǎo)出L2=dσ拉/4τ粘。此式中：d為錨桿直徑（mm）；σ拉為錨桿桿體材料設(shè)計抗拉強度（MPa）；σ粘為錨桿與砂槳的粘結(jié)強度（螺紋鋼時，取σ粘=5.0MPa）。②錨固巖層厚度（m）：按冒落拱高度的k倍計算，其公式為：m=kb，式中k為安全系數(shù)（取1.3～1.5）；b為自然冒落拱高（b=B/2F，cm）；B為巷道掘進(jìn)寬度（cm）；F為巖石堅固性系數(shù)。③錨桿露出孔外長度（L1）：L1=托板厚+螺帽厚+螺帽外露出長度。巷道全部在巖體中掘進(jìn)時，支護(hù)的重點應(yīng)放在頂部，即頂部錨桿錨固長0.7m，兩幫0.25m，這樣頂錨桿長2.2m，兩幫為1.8m。

 

　　（三）錨桿間排距。在一般情況下，錨桿支護(hù)的布置一般呈正方形，即錨桿間距等于錨桿排距。根據(jù)錨桿懸吊作用理論，公式為：a=0.887d（σ粘/kmγ）？，式中：γ為巖石密度（2.5kg/cm2）；k為安全系數(shù)（取2）；a為錨桿間距（mm）；m為錨固層厚（取1.1m）；d為錨桿直徑（mm）；σ拉為桿體材料設(shè)計抗拉強度（取38×103kg/cm2）。根據(jù)上例參數(shù)，計算得：a=b=1179mm?？紤]到此類巷道圍巖巖體強度低，且要受到動壓作用，所以適當(dāng)加大組合拱厚度，降低應(yīng)力集中值，這樣可減少錨桿間排距。

 

　?。ㄋ模╁^桿直徑。對各種錨桿的錨固力，須與桿體本身的抗拉強度相適應(yīng)，即錨桿的實際錨固力要大于或等于桿體抗拉極限，如此才能充分發(fā)揮錨桿材料的作用。所以，錨桿體的直徑可按桿體的抗拉力等于錨桿實際的錨固力的原則確定。計算公式為：P拉=（π/4）d2σ，由P拉=Q固，可得d=1.13（Q固/σ拉）？，式中P拉為錨桿桿體材料的抗拉力（kN）；σ拉為錨桿桿體材料的設(shè)計抗拉強度；Q固為錨桿的錨固力；d為錨桿的直徑。結(jié)語：總而言之，利用現(xiàn)場對錨桿支護(hù)進(jìn)行設(shè)計，解決了錨桿支護(hù)設(shè)計中圍巖參數(shù)取值不準(zhǔn)的問題，是一種很有前途的思路和方法。利用巖石力學(xué)原理計算出錨桿支護(hù)參數(shù)，再通過錨桿承載力監(jiān)測進(jìn)一步調(diào)整錨桿支護(hù)參數(shù)，可使錨桿參數(shù)更趨合理安全，即實現(xiàn)錨桿支護(hù)的參數(shù)優(yōu)化。對錨桿支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后，可降低了支護(hù)材料消耗，更好發(fā)揮錨桿的支護(hù)作用和圍巖自承能力，錨桿參數(shù)較以前更趨于合理，可以保證安全生產(chǎn)。