摘要：本文論述了復(fù)合頂板錨桿支護(hù)的疊加支護(hù)方法。
在礦井建設(shè)中，錨桿支護(hù)被廣泛應(yīng)用，其優(yōu)越性有目共睹，但在煤層埋深較大的礦井建設(shè)過程中，對于多分層、低強(qiáng)度復(fù)合頂板的錨桿支護(hù)一直是施工的難題。根據(jù)頂板巖性、分層等參數(shù)曾多次變換頂板錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方案，每種設(shè)計(jì)方案又經(jīng)多次優(yōu)化、改進(jìn)，但都未能達(dá)到預(yù)期的支護(hù)效果。錨桿支護(hù)的巷道頂板隨時(shí)間的推移，先是局部巷道頂板失穩(wěn)，然后是一段巷道頂板失穩(wěn)，最后大面積巷道頂板失穩(wěn)，巷道先是打點(diǎn)柱，然后分段架棚。最后巷道內(nèi)大面積架棚，而且在回采前、回采中還要翻修，以保證回采的要求，給國家和企業(yè)造成大量人力、物力、財(cái)力的損失。因此解決復(fù)合頂板的錨桿支護(hù)問題是刻不容緩的。
1巷道頂板破壞機(jī)理
1.1巷道頂板破壞的一般過程
頂板受壓變形－巖石局部屈服變形－節(jié)理弱面發(fā)生破壞－頂板較低層位發(fā)生彎曲變形(伴有局部巖塊脫落)－巖層發(fā)生拉伸或局部剪切破壞－巷道頂板變形破壞。
1.2塑性破壞機(jī)理
(1)巷道圍巖在高地應(yīng)力作用下，發(fā)生應(yīng)力擴(kuò)容變形而破壞。
(2)巷道圍巖中含有膨脹性軟巖，吸水發(fā)生膨脹變形而使圍巖發(fā)生破壞。
(3)錨固平衡拱內(nèi)巖石由彈性體轉(zhuǎn)變?yōu)槠茐乃蓜芋w，使錨桿喪失加強(qiáng)錨固平衡拱的約束離層和抗剪切兩個(gè)基本作用，導(dǎo)致圍巖破壞。
(4)巷道開挖后，巷道圍巖是先由壓應(yīng)力引起的擠壓破壞。隨著擠壓破壞向圍巖深處發(fā)展引起巖石裂隙擴(kuò)張和體積膨脹，造成巷道周邊巖層彎曲，而產(chǎn)生彎曲拉應(yīng)力，導(dǎo)致頂板巖層破壞。
我們一般認(rèn)為，巷道頂板是由于開挖后失去支承而出現(xiàn)彎曲下沉，在頂板中產(chǎn)生彎曲拉應(yīng)力，且?guī)r石抗拉強(qiáng)度很低，所以造成頂板拉伸破壞。但實(shí)際上，圍巖先是受壓而進(jìn)入塑性破壞，其后因破壞巖石的碎脹性，而產(chǎn)生巖石彎曲下沉破壞。
1.3結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理
(1)巷道開挖后，巖層抗水平應(yīng)力的截面減少，在水平應(yīng)力作用下煤層沿水平層理面向巷道擠入，致使巷道幫頂受水平應(yīng)力作用而破壞。
(2)圍巖中節(jié)理構(gòu)造面的存在對圍巖的承載能力及其穩(wěn)定性影響很大。尤其是節(jié)理面與最大主應(yīng)力方向斜交時(shí)，巖體最容易沿節(jié)理弱面破壞而失穩(wěn)。
(3)巷道開挖后，圍巖受力狀態(tài)由三軸應(yīng)力變?yōu)閱屋S壓應(yīng)力狀態(tài)，由于巖石單軸抗壓強(qiáng)度低，致使圍巖產(chǎn)生塑性破壞或沿節(jié)理弱面破壞。巖層受壓破壞的結(jié)果產(chǎn)生側(cè)向變形和彎曲。破壞區(qū)域越大、彎曲變形越大，由此造成巷道周邊原處于壓縮塑性狀態(tài)(未破斷)的巖石轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢炱茐摹?/div>
隨著錨固巖體的變形、離層和彎曲，巷道中部的錨桿始終受力，若錨桿的長度、剛性越大，會使之受力越大，錨桿受力即可達(dá)到強(qiáng)度極限而破壞，則巖層發(fā)生破壞。
2疊加支護(hù)理論
在深井高應(yīng)力作用下的巷道中推行錨桿支護(hù)已有很長的時(shí)間，也曾多次修改支護(hù)參數(shù)，但只是從單層錨桿作用的角度來不斷提高支護(hù)體強(qiáng)度，前面的理論分析和實(shí)踐證明，這無法阻止巷道頂板的破壞。那么，錨桿支護(hù)的設(shè)計(jì)就不應(yīng)單純從提高支護(hù)體強(qiáng)度的角度來考慮，而應(yīng)從對破壞巖石的加固、阻止圍巖繼續(xù)松動和提高松動體自穩(wěn)性的角度來考慮，既要突出錨桿支護(hù)的優(yōu)越性，又能使復(fù)合頂板的支護(hù)效果得以保證，從而產(chǎn)生了本文所要闡述的疊加支護(hù)理論。
2.1短錨桿形成承載基礎(chǔ)
既然錨桿支護(hù)無法阻止圍巖的松動，那么也無需特別提高頂板支護(hù)體強(qiáng)度，只需把短錨桿的延展性、高抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度的優(yōu)越性發(fā)揮出來。短錨桿錨固厚度小，錨固體擴(kuò)容變形量相對較小，擴(kuò)容應(yīng)力也較小，利用全長錨固等強(qiáng)螺紋鋼錨桿支護(hù)?？蓾M足復(fù)合頂板底層錨固體的擴(kuò)容變形和擴(kuò)容應(yīng)力，形成初期支護(hù)階段的頂板擠壓加固拱平衡狀態(tài)。形成強(qiáng)度很高的次生承載圈(層)。
2.2長錨桿增強(qiáng)破壞松動體塑性強(qiáng)度
(1)利用鋼絞線錨桿的可延展性，適應(yīng)圍巖破壞的擴(kuò)容變形量，保持破壞巖體的承載強(qiáng)度，使次生承載層在破壞前后始終保持良好的塑性及強(qiáng)度。
(2)利用鋼絞線錨桿的長度和強(qiáng)度，進(jìn)一步強(qiáng)化次生承載層的抗變形能力。長錨桿與短錨桿相間布置，且布置在最容易彎曲破壞的巷道頂板中部，克服因頂板中部應(yīng)力最大、變形量最大引起的剛性較大的短錨桿即刻達(dá)到最大應(yīng)力而破壞的缺陷。增強(qiáng)了頂板次生承載層的抗壓強(qiáng)度和塑性變形能力，形成塑性強(qiáng)、承載能力大的不均勻?qū)ΨQ承載體，提高了破壞巖體的自穩(wěn)能力。
2.3錨索減小巷道跨度，繼續(xù)強(qiáng)化承載體
(I)利用鋼絞線錨索對巖體擠壓加固作用，使錨索之間相互促進(jìn)、相互補(bǔ)強(qiáng)，而且與短錨桿、長錨桿所加固的承載體相互補(bǔ)強(qiáng)。錨索有很好的延展性和抗拉強(qiáng)度，使錨索形成的錨固巖體在巷道頂板中部形成一條強(qiáng)度大、塑性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的承載體。
(2)錨索錨固點(diǎn)處在松動圈之外，增加了頂板承載體的穩(wěn)定性。
(3)錨索布置在兩排錨桿之間，增加了支護(hù)的密度，錨索與長錨桿相同的高延展性、高強(qiáng)度，進(jìn)一步提高了承載體的強(qiáng)度、塑性和抗彎曲破壞能力。提高了承載體的自穩(wěn)能力。
實(shí)踐證明，這種疊加支護(hù)技術(shù)充分發(fā)揮了錨桿支護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，充分利用了錨桿的長度、韌性、剛度等屬性。錨桿之間互相補(bǔ)充、互相強(qiáng)化。剛?cè)岵?jì)，形成了高強(qiáng)度、高彈性的穩(wěn)定承載體。基本解決了復(fù)合頂板的強(qiáng)度低、擴(kuò)容變形量大、擴(kuò)容應(yīng)力大、穩(wěn)定性差等支護(hù)難題。
另外，這種疊加支護(hù)技術(shù)施工時(shí)，只要一級支護(hù)的短錨桿施工完即可繼續(xù)掘進(jìn)，主要工序作業(yè)時(shí)間縮短，平行作業(yè)工序個(gè)數(shù)增加，加快了掘進(jìn)速度。
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