摘要：巷道支護穩(wěn)定性影響因素、支護機理及支護參數(shù)選擇與確定原則等。
在煤礦井下巷道的支護過程中，其方法對掘進速度、支護材料消耗、支護成本和采面的端頭支護等都有直接的影響。隨著采掘機械化水平的不斷提高，采準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工藝。在實踐中，錨噴支護在巖巷中表征著良好的力學特征，實現(xiàn)了懸吊組合梁和楔固機理，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?，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，及時選用相應的支護參數(shù)與工藝，以致于影響巷道的服務周期、安全性和經(jīng)濟性。因此，在巷道的支護過程中，很有必要進一步研究合理的支護參數(shù)，以正確指導巷道的合理設(shè)計與施工，保障巷道的穩(wěn)定性和合理的施工成本。
一、巷道地質(zhì)概況
在我們單位及周圍礦井中，不少支護巷道都處在泥巖層中或邊緣處。這些層位的泥巖特性為：呈灰黑色，節(jié)理發(fā)育，層理不清，性脆致密，呈塊狀，具鮞粒結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性差，吸水易變軟和膨脹。巷道圍巖巖性較差，且受到淋水的作用，從而巖體局部較軟，承載能力較低。它對巷道的后期穩(wěn)定性造成了極大的影響，屬于穩(wěn)定性較差或不穩(wěn)定巷道。這種條件下，如采用剛性金屬支架支護，其成本高，施工難度也大，且承載能力不足以抵抗回采引起動壓的互動作用，所以應考慮采用主動支護方式，并選用合理的錨噴聯(lián)合支護結(jié)構(gòu)和參數(shù)，以充分調(diào)動圍巖本身作為支護結(jié)構(gòu)的組成部分，共同來承受動壓的作用，實現(xiàn)穩(wěn)定支護。
二、支護基本機理
巷道支護參數(shù)的合理性，與確定參數(shù)的理論依據(jù)有關(guān)，同時還與巷道的穩(wěn)定性有關(guān)。通過工程測試可知，作為“新奧法”的核心內(nèi)容，是確定巷道支護形式、參數(shù)、時間的一個重要依據(jù)。對于錨桿支護系統(tǒng)，其理論基礎(chǔ)可參照“圍巖松動圈巷道支護理論”進行。因為該理論在處理采動巷道支護時有兩個設(shè)計思想：一是未受采動影響時，以最小松動圈LPO為依據(jù)進行支護設(shè)計，支護體在受采動影響維護正常，可用液壓或摩擦支柱超前維護；二是以采動影響期間的最大松動圈LPd為依據(jù)，所設(shè)計的支護體在采動支承壓力作用期間也能實現(xiàn)正常維護。
影響巖巷穩(wěn)定性的主要因素有：巖性或巖層層位構(gòu)造應力、圍繞裂隙發(fā)育程度和動壓等。根據(jù)其理論，對巖石巷道圍巖松動深度范圍進行實測和支護現(xiàn)狀分析，并可采用“BA-Ⅱ型圍巖松動圈測試儀”進行松動圈測試。通過對某巷道的實測，其原巖整體性好，波速較高(均大于3.5×103m/s)。經(jīng)受采動壓力影響后的圍巖，其松動圈內(nèi)的巖體裂隙發(fā)育顯著，整體性明顯較差，波速較低，松動圈大部分達到1.0m甚至1.6m以上，且有因孔深不足而未測出其實際松動范圍，可能會更大。所以，這種巷道被劃分為不穩(wěn)定巷道。
三、支護參數(shù)選擇與確定原則
巖體抗壓強度、材料特性、引發(fā)應力的大小和分布，以及巷道的允許變形程度和服務年限，巷道尺寸和形狀等條件，都決定于錨桿支護系統(tǒng)的合理設(shè)計問題。對此，支護設(shè)計要以“新奧法”的施工思想為指導，并根據(jù)施工地質(zhì)條件不同，來選擇不同的支護參數(shù)。簡而言之，錨桿支護系統(tǒng)設(shè)計和支護參數(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參數(shù)，才能獲得錨桿支護在技術(shù)和經(jīng)濟上的最佳效果。針對談到的此例地質(zhì)情況，在巷道支護參數(shù)具體設(shè)計時，可采用理論公式計算結(jié)合工程類比法來確定之。
1）斷面形狀確定。采用離散元數(shù)值分析法，對巷道礦壓顯現(xiàn)特征進行數(shù)值模擬分析得出的結(jié)論：在巷道頂部基本形成一個近似半園形的卸載松動區(qū)，根據(jù)錨桿支護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)適應圍巖變形的平衡拱這一原理，巷道斷面選用直墻半園拱形斷面時為最好。這樣再根據(jù)設(shè)備布置、生產(chǎn)能力和通風要求，確定錨網(wǎng)支護條件下巷道斷面具體尺寸。
2）錨桿長度。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）。
?、貺2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）。
?、阱^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時，支護的重點應放在頂部，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。
3）錨桿間排距。在一般情況下，錨桿支護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）½，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，所以適當加大組合拱厚度，降低應力集中值，這樣可減少錨桿間排距。
4）錨桿直徑。對各種錨桿的錨固力，須與桿體本身的抗拉強度相適應，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）½，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。
在本例計算中，d=14.2mm。由于這類巷道變形較大，很多錨桿錨固力低，并易失效，可將其錨固力提高到60kN，此時d=d+2=16.2mm，可取d=16mm。
5）錨桿類型。為了節(jié)約材質(zhì)，并增強錨桿絲頭強度，可用滾絲方式加工的等強度錨桿，并與之匹配采用Φ16mm的加厚螺母來進行外端托盤加固。
四、結(jié)論
由于不穩(wěn)定巷道經(jīng)掘進后的應力重新分布，其壓力穩(wěn)定、采動影響等不同階段，必須經(jīng)礦壓觀測，依此判斷巷道穩(wěn)定性，確保巷道各變形量滿足設(shè)計。主要為以下幾點：
?、傧锏绹鷰r表面位移觀測。
②頂板離層觀測。
③錨桿受力狀況觀測。
?、芩蓜尤y試。
經(jīng)合理的支護參數(shù)技術(shù)研究，分析不穩(wěn)定巷道的破壞機理和確定松動范圍為依據(jù)，可對不穩(wěn)定巷道采用以錨噴支護方式為主設(shè)計支護體系，設(shè)計不穩(wěn)定巷道的合理支護結(jié)構(gòu)。在錨噴支護的基礎(chǔ)上，可采用內(nèi)注漿錨桿進行注漿加固，保證施工后靜壓下的穩(wěn)定，不需返修，兩幫及頂?shù)滓平坎怀^一定值。在動壓作用下，也能保證巷道的局部穩(wěn)定，其兩幫及頂?shù)滓平恳膊怀瑯恕?/div>
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