1、专题部分第120页浅析有冲击矿压危险性巷道支护苏振国中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221116摘要：冲击矿压灾害大部分发生在巷道中。本文锚杆支护作为一种内在的支护形式, 有非常好的自身稳定性和柔性特征, 可以实现主动支护、早期承载, 可以达到很高的支护强度, 对冲击矿压巷道具有良好的适应性。本文就是通过研究冲击矿压发生的机理、特性及其对支护的要求来研究锚杆支护的作用机理。关键词：冲击矿压；锚杆支护；机理；吸能作用Abstract: Most of the rockburst disasters occurred in the roadway. This article bolt supp
2、ort as a built-in support in the form having very good stability and flexible features, and can achieve active suppor, early bearing, and can achieve very high supporting strength, with good rockburst tunnel adaptability. This article is by studying rock pressure in the mechanism, characteristics an
3、d support requirements to study the mechanism of action of the bolt support.Keywords: rockburst; bolt support; mechanism; energy absorption effect1巷道（锚杆）支护技术现状及展望1.1巷道（锚杆）支护技术现状我国煤矿巷道支护经历了木支护、砌暄支护、型钢支护到锚杆支护的漫长过程，锚杆支护技术经历了从低强度、高强度到高预应力、强力支护的发展过程。20 世纪90年代初期, 我国国有重点煤矿煤巷锚杆支护仅占3% 5% , 煤巷支护主要以棚式支护为主。目前,
4、有些矿区锚杆支护率已超过90%, 甚至达到100%，很多矿区锚杆支护率达到80%。我国煤矿已经形成了有中国特色的煤巷锚杆支护成套技术体系, 锚杆支护已经成为煤矿巷道首选的、安全高效的主要支护方式。它是我国继推行综合机械化采煤技术以来, 采掘技术的又一次革命。它深刻地改变了矿井的开拓部署与巷道布置方式, 对我国高产高效矿井建设、煤炭产量与效益的大幅度提高及安全状况的改善起到不可替代的重要作用。目前, 锚杆支护技术已在国内外得到普遍应用, 是煤矿实现高产高效生产必不可少的关键技术之一。多年来国内外的实践经验表明, 锚杆支护是煤巷经济、有效的支护技术。与棚式支架支护相比, 锚杆支护显著提高了巷道支护
5、效果, 降低了巷道支护成本, 减轻了工人劳动强度， 改善了作业环境, 保证了安全生产, 为巷道快速掘进、采煤工作面的快速推进创造了良好条件。进入21 世纪以来, 随着综采放顶煤、厚煤层一次采全高开采技术的快速发展和大面积应用, 对煤巷锚杆支护技术提出更高的要求。综采放顶煤和一次采全高工作面一般要求回采巷道沿煤层底板布置, 巷道顶板为比较破碎的煤层, 有时甚至是全煤巷道。此外, 随着煤矿开采强度与产量的大幅度提高, 要求的巷道断面越来越大。为了减少煤炭损失, 沿空掘巷应用得越来越广。所有这些都使巷道支护难度支护的费用显著增加。近年来, 为了解决深部高地应力巷道、特大断面巷道、受强烈采动影响巷道、
6、沿空留巷等复杂困难条件支护难题, 我国又开发出高预应力、强力锚杆与锚索支护技术, 真正实现了锚杆的主动、及时支护, 充分发挥了锚杆的支护作用。井下应用大幅度减少了巷道围岩变形与破坏, 巷道支护与安全状况发生了本质改变。同时, 实现了高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度的“ 三高一低” 的现代锚杆支护设计理念, 在保证支护效果的前提下, 显著提高了巷道掘进速度与工效。随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加大，浅部资源日益减少，国内外矿山都相继进入深部资源开采状态。随着开采深度的不断增加，工程灾害日趋增多，如矿井冲击地压、瓦斯爆炸、矿压显现加剧、巷道围岩大变形、流变、地温升高等，对深部资源的安全
7、高效开采造成了巨大威胁。因此，深部资源开采过程中所产生的岩石力学问题已成为国内外研究的焦点1根据目前资源开采状况，我国煤矿开采深度以每年8m12m 的速度增加，东部矿井正以每10 年100m250m 的速度发展11,17。近年己有一批矿山进入深部开采。随着煤矿巷道锚杆支护技术的快速发展, 其使用量越来越大, 应用范围也越来越广。1.2锚杆支护的展望煤矿锚杆支护机具行业随着煤炭需求量的增长、锚杆支护普及率的提升、煤炭开采难度的增加、煤矿安全成本投入增加，煤矿锚杆支护机具需求保守估计将保持年均20%以上的增长。根据行业统计2010年锚杆支护机具市场销量5亿元，预计2012年将达到7.2亿元，201
8、5年将达到12亿元以上规模。锚杆支护行业正处于快速发展的成长期，我国煤矿锚杆支护机具的种类更加多样化, 单体锚杆机将向着节约能源、减轻重量、进一步提高可靠性方向发展；锚杆钻车将迎来它的黄金发展期，一批机械化、自动化及智能化程度更高锚杆支护机具将会面世。2锚杆支护理论及常用锚杆形式2.1锚杆支护理论2.1.1悬吊理论悬吊理论存在明显的缺陷(1)锚杆受力只有当松散岩层或不稳定岩块完全与稳定岩层脱离的情况下才等于破碎岩层的重量，而这种条件在井下巷道中并不多见。(2)锚杆安设后，由于岩层变形和离层，会使锚杆受力很大，而远非破碎岩层重量。(3)当锚杆穿过破碎岩层时，锚杆提供的径向和切向约束会不同程度地改
9、善破碎岩层的整体强度，使其具有一定的承载能力。而悬吊理论没有考虑围岩的自承能力。(4)当围岩松软，巷道宽度较大时，锚杆很难锚固到上部稳定的岩层或自然平衡拱上。悬吊理论无法解释在这种条件下锚杆支护仍然有效的原因。总之，悬吊理论仅考虑了锚杆的被动抗拉作用，没有涉及对岩体抗剪能力及对破碎岩层整体强度的改变。因此，理论计算的锚杆载荷与实际出入比较大。2.1.2组合梁理论组合梁理论适用于层状岩层。对于端部锚固锚杆，其提供的轴向力将对岩层离层产生约束，并且增大了各岩层间的摩擦力，与锚杆杆体提供的抗剪力一同阻止岩层间产生相对滑动。对于全长锚固锚杆，锚杆和锚固剂共同作用，明显改善了锚杆受力状况，增加了控制顶板
10、离层和水平错动的能力，支护效果优于端部锚固锚杆。从岩层受力考虑，锚杆将各个岩层夹紧形成组合梁，如图所示。组合梁所受的最大拉应力与叠合梁所受的最大拉应力的比值为：组合梁的最大弯曲应变为组合梁厚度越大，梁的最大应变值越小。组合梁理论充分考虑了锚杆对离层及滑动的约束作用。 组合梁理论存在的明显缺陷：(1)组合梁有效组合厚度很难确定。它涉及影响锚杆支护的众多因素，目前还没有一种方法比较可靠地估计有效组合厚度。(2)没有考虑水平应力对组合梁强度、稳定性及锚杆载荷的作用。其实，在水平应力较大的巷道中，水平应力是顶底板破坏、失稳的主要原因。(3)只适用于层状顶板，而且仅考虑了锚杆对离层及滑动的约束作用，没有
11、涉及锚杆对岩体强度、变形模量及应力分布的影响。2.1.3加固拱（岩梁）理论试验表明，在软弱、松散、破碎的岩层中安装锚杆，也可以形成一个承载结构。只要锚杆间距足够小，各根锚杆形成的压应力圆锥体将相互重叠，就能在岩体中产生一个均匀压缩带（岩梁），它可以承受破坏区上部破碎岩石的载荷。加固拱（岩梁）内的岩体受径向和切向约束，处于三向应力状态，岩体承载能力得到提高。锚杆支护的作用是形成较大厚度和较大强度的加固拱（岩梁），拱（岩梁）的厚度越大，越有利于围岩的稳定。加固拱理论充分考虑了锚杆支护的整体作用，在软岩巷道中得到较为广泛的应用。但是这种理论同样存在一些明显的缺陷：(1)只是将各锚杆的支护作用简单相加
12、，得出支护系统的整体承载结构，缺乏对锚固岩体力学特性及影响因素的深入研究。(2)加固拱厚度涉及很多因素，很难较准确的估计。2.1.4最大水平应力理论地应力测量结果表明，在很多情况下岩层中的水平应力大于垂直应力，而且水平应力具有明显的方向性（构造应力）；最大水平主应力明显高于最小水平主应力，这种趋势在浅部矿井尤为明显。水平应力对巷道围岩的稳定性有较大的影响，因此，水平应力的作用逐步得到人们的认识和重视。在最大水平应力作用下，顶底板岩层会发生剪切破坏，出现松动与错动，导致岩层膨胀、变形。锚杆的作用是抑制岩层沿锚杆轴向的膨胀和垂直于轴向的剪切错动，因此，要求锚杆强度大、刚度大、抗剪能力强，才能起到上
13、述两方面的约束作用。这也正是澳大利亚锚杆支护技术特别强调高强度、全长锚固的原因。2.1.5围岩松动圈支护理论巷道开挖后，当围岩应力超过围岩强度时将在围岩中产生新的裂纹，其分布区域类似圆形或椭圆形，称之为围岩松动圈。围岩一旦产生松动圈，围岩的最大变形载荷是松动圈产生过程中的碎胀变形，围岩破裂过程中的岩石碎胀变形是支护的对象。现有支护无法有效阻止围岩松动圈的产生与发展。围岩松动圈的厚度是围岩强度与围岩应力的函数，它是一个综合指标。围岩松动圈越大，碎胀变形越大，围岩变形量越大，巷道支护也越困难。 根据松动圈的大小，将围岩分为3种类型，并给出了相应的支护方式：小松动圈(厚度小于400mm)，锚杆支护作
14、用不明显，只需进行喷射混凝土支护。中松动圈(厚度在4001 500mm之间)，支护比较容易，采用悬吊理论设计锚杆参数，悬吊点在松动圈之外。大松动圈(厚度大于1 500mm)，锚杆的作用是给松动圈内破裂围岩提供约束力，使其恢复到接近原岩的强度并具有可缩性，采用加固拱理论设计锚杆支护参数。可见，松动圈支护理论确定了使用各种经典锚杆支护理论的适用条件和范围。2.1.6围岩强度强化理论侯朝炯等在已有研究成果的基础上，提出巷道锚杆支护围岩强度强化理论。该理论的要点为：锚杆支护的实质是锚杆与锚固区域的岩体相互作用组成锚固体，形成统一的承载结构；锚杆支护可提高锚固体的力学参数，包括锚固体破坏前与破坏后的力学
15、参数(弹性模量、黏聚力、内摩擦角等)，改善被锚岩体的力学性能；巷道围岩存在破碎区、塑性区、弹性区，锚杆锚固区域岩体的峰值强度、峰后强度及残余强度均能得到强化；锚杆支护可改变围岩的应力状态，增加围压，提高围岩的承载能力，改善巷道支护状况；围岩锚固体强度提高后，可减小巷道周围的破碎区、塑性区范围和巷道表面位移，控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而有利于巷道围岩的稳定。2.2常用锚杆形式锚杆是锚固在岩体内维护围岩稳定的杆状结构物。对地下工程的围岩以锚杆作为支护系统的主要构件，就形成锚杆支护系统。单体锚杆由锚头、杆体及托板组成。例如，对于以机械或化学方式锚固的端头锚固式锚杆，位于锚孔内部用于在锚杆和岩体
16、之间传递力的部分是内锚头，位于锚杆孔外部用于支承托板并产生锚杆预应力的部分是外锚头。托板的作用是将围岩压力转化为对锚杆的拉力。锚杆的杆体可用不同材料制造，用于承受张拉作用。按照锚杆与被支护岩体锚固方式可将其分为机械式、粘结式和摩擦式三类。根据锚固段位置与长度又可分为端头锚固与全长锚固两类。按照锚杆作用特点可将其分为主动式与被动式。主动式锚杆安装后施以预应力，使不同岩层间摩擦作用增大，同时将锚固范围内岩层夹紧，形成梁或拱形式的承载结构，可以提高巷道稳定性。被动式锚杆不对杆体施加预应力，只有在围岩开始变形后才开始起加固作用，按照锚杆工作特性可将其划分为刚性及可伸缩性锚杆。可伸缩性锚杆又可分为增阻性和恒阻性锚杆，其典型锚杆支护特性曲线，见图。按照杆体材料的不同可分为木锚杆、竹
