采空区锚杆支护设计原理与分析

关键词：锚杆支护；煤巷；采空区

　　一、松软煤层巷道锚杆支护设计原理 

　　松软煤层巷道锚杆支护设计，采用的锚杆强化控制技术原理，包括巷道围岩应力场优化、破裂围岩体强度强化、锚杆支护承载性能强化和围岩承载结构强化。 

　　二、巷道围岩应力场优化原理 

　　开挖巷道造成应力的重新分布，在局部区域特别是在巷道周围形成了应力集中。在开采过程中还可能造成巷道围岩应力的叠加，使巷道承受更高的应力载荷作用，加剧巷道周围岩体的破坏。因此，从区域应力场的角度，合理设计开采布局，安排好采面的合理接续，尽量使巷道处于低应力场区域，避免高应力场的叠加破坏。在宏观区域应力场已确定的情况下，只有从巷道所处的周围岩层环境中去降低其应力强度，即从微观应力场的角度改善巷道周围岩层的应力强度，使巷道处于相对有利的维护环境。要达到这一效果，只能通过支护手段改善这个微观应力场。研究表明，巷道周围岩体相对破碎，采用超强锚杆通过施加高预应力及高刚度附件，最大程度的挤压紧固巷道围岩，消除围岩中的弱面和空隙，提高岩层的整体承载强度，形成具有一定强度和刚度的承载层，并使得上覆岩层的垂直应力向巷道两侧深部岩层转移，同时有效抵抗和平衡巷道周围水平高应力对围岩的剪切作用，有效改善巷道周边微观应力场，优化围岩浅部应力环境，促使围岩由两向应力状态向三向应力状态转化，这是巷道周边围岩微观应力场优化的最有效手段，而传统的U型棚支护、低预紧力的普通锚杆支护技术都无法达到这一效果。 

　　三、锚杆承载性能强化 

　　煤巷锚杆支护技术的发展已经不再单纯强调锚杆的强度，综合强化锚杆支护的承载特性是锚杆支护的发展方向，其本质是促使其锚杆支护特性曲线具有及时早强速增阻的特性。巷道围岩压力随围岩变形而急剧衰减，适当滞后支护可以释放一定的围岩压力，但支护的滞后常常产生松动变形。通过及时支护的高预拉力锚杆提供初期的支护阻力消除掘巷煤岩体松动变形，通过高刚度的护表材料及锚杆附件，促使锚杆在后续围岩变形过程中实现高增荷特性，很快达到高的工作载荷，限制后续的围岩变形，实现了及时、高初锚力、高增荷特性，进而达到高工作荷载，可以控制留巷巷道在掘进期间的变形。 

　　煤层巷道围岩强度一般都较低，开挖以后必然产生一定程度的破坏，浅部的围岩处于低围压破裂状态，承载能力很低，在根本上决定着巷道围岩的稳定性，只有对巷道周围低围压破裂岩石进行有效加固，才能提高巷道围岩的承载能力和稳定性。通常采用锚杆和注浆两种加固方式。在巷道周边低围压条件下，岩体强度随围压的逐步增大而呈急剧增长趋势，所以，要想提高破碎岩体的承载强度，就必须增大其围压，从岩层内部增大其承载能力。相对被动作用的U型棚支护，主动作用的锚杆支护就是早期快速增大围压的最有效方式。 

　　五、巷道围岩结构的强化 

　　（一）顶板的安全控制：通过高性能预拉力锚杆的高张拉力支护，完全克服松动岩体的自重，阻止了围岩的进一步松动，消除岩体松散变形，改善锚杆增阻性能，提高锚杆的支护能效；小孔径预拉力锚索则可以充分利用深部围岩的强度和稳定性，增大锚固范围，消弱层状顶板的剪切破坏作用，消除顶板的渐次离层和垮冒；利用巷道的特殊围岩结构和帮角稳定围岩区，采用小孔径预拉力钢绞线桁架系统强化顶板承载结构，确保顶板结构稳定。（二）关键承载区的加强：在高地应力区开挖巷道，在采动应力场、湿度应力场和岩体结构的共同作用下，围岩由整体性压缩向局部性扩张转化，直到新的动态平衡，这些局部性扩张转化的区域就是关键承载区，比如顶板的中部、不规则断面的高帮中上部位等。在这些关键承载区的动态变化过程中，巷道围岩力学行为和各个方面均表现出相应的特殊而复杂的特征。必须强化关键承载区的支护强度，促成支护围岩整体承载结构的形成或强化，以多层次的联合支护来实现支护体和围岩间的主动和动态的相互作用。 

　　六、锚杆支护关键技术手段 

　　（一）高性能超高强锚杆：采用IV级锚杆专用螺纹钢加工而成的高性能锚杆，抗破断强度更高，支护刚度更大，限制变形更加有力，针对巷道急剧膨胀扩容产生的高应力控制效果会更有效。 

　　（二）大托盘：锚杆采用新型大托盘（尺寸为200mm×200mm）、锚索采用400mm×400mm的大托盘，增大护表面积，减轻目前所用的普通小托盘与围岩局部小面积接触而产生的点载荷作用，防止围岩挤压破损，将对松散层裂破碎岩体起到较好的维护效果。 

　　（三）新型阻尼螺母：能提供较大扭矩，与高性能预拉力锚杆配套，提高锚杆安装过程的可靠性，保证支护系统整体安全可靠。 

　　结语：采用高性能超高强锚杆支护，成功地解决了采空区下巷道矿压大，变形严重和巷道维修工程量大的问题，同时减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率，为巷道快速掘进和快速回采提供了更好的条件。