锚网索动态平衡支护技术

摘 要：原有的沿空巷道支护技术已经无法正常满足矿山安全生产的需要，不仅在支护效率方面偏低，而且带来了一系列不必要的经济损失。本文所研究的锚索网动态平衡支护技术能够很好地提高巷道支护系统的支护效率，同时平衡支护技术中的非对称支护布置也能很好加强沿空侧的支护。

关键词：沿空巷道支护技术；锚索网动态平衡支护技术；支护效率

中图分类号：TD35文献标识码： A

平衡支护技术是近年新提出的新支护理念，是在预应力支护与高强锚杆的基础上发展起来的，其特点突出、适应性强，符合我国煤矿现有的采矿条件及技术水平，在我国深部矿井及各类困难条件下的巷道应用效果显著。平衡支护技术是指通过平衡巷道变形和围岩应力来控制巷道开挖后的原岩应力与位移，达到使支护结构与巷道位移及应力在合理范围内协同变化的方法与手段。本文将以郭屯煤矿为例对锚网索动态平衡支护技术进行研究与探讨。

1工程概况

郭屯井田位于巨野煤田中北部，山东省郓城县境内。井田北邻郓城县城，地理坐标为东经115°50′～116°0′0″，北纬35°27′00″～35°34′30″。井田西距菏泽市约60km，东距济宁市约75km。矿井地处郓城县境内，井田中部距郓城县城约10km，京九铁路从井田西部4km处通过。矿井设计生产能力为240万t/a。本井田为全隐蔽型井田，新生界地层厚，采用立井开拓方式。设计3个井筒，主井深度853m，副井深度883m，风井深度778m。是鲁西南地区较深的矿井之一。

2平衡支护技术概述

2.1岩体与支护结构共同承载的基本支护理念

平衡支护是在预应力支护技术及高强预应力锚杆基础上发展起来的新型巷道支护结构。其对于地下硐室周围岩体的加固，是通过在岩体中钻孔并对孔中锚固的锚杆或锚索施加预应力，让锚杆或锚索与支护岩体一起承载并起到稳定岩体的作用。平衡支护是一种高效、经济、安全的巷道支护手段，在巷道支护中越来越显出其突出的优点。

2.2主控支护

主控支护即在岩体开挖早期就进行锚杆安装并预紧，安装后对围岩提供显著的轴向和横向的支护阻力，避免岩体松动和塑性松动圈的增大，并恢复开挖岩体表面的平衡受力状态，见图1~2。

图1 锚杆预应力加固岩体示意图 图2 无预应力锚杆巷道顶板分次破坏模型

3锚杆的选择

所谓预应力让压锚杆的让压作用，就是在维持原有预应力锚[1]杆高安装应力的基础上，让压构件使巷道掘进初期的弹性变形得到一定的释放，从而大大提高了锚杆的抗变形能力，并减少了应力变化对锚杆的冲击，避免了锚杆安装的早期过载或早期破坏。

4预应力鸟巢让压锚索辅助支护

锚索最早在欧美发达国家应用，早期主要应用于岩土边坡加固和预应力混凝土，90年代以来在我国矿山大量应用。目前我国的钢绞线标准大都执行欧洲标准和ASTM标准。虽然锚索具有很大的支护强度，但是钢绞线是用高碳钢盘条经冷拔成型，钢绞线的屈服强度达到1860MPa，是Q500锚杆杆体屈服强度的3.72倍，所以钢绞线虽然强度大幅度提高，但是其延伸率很低，延伸率只有3.5%，是锚杆延伸率的1/5。所以锚索在应用中如果遇到强矿压的作用，极易造成锚索的突然破断，因此采用防冲让压锚索是非常必要的。

5锚网索动态平衡支护系统设计理念

目前，在我国巷道锚杆支护设计方面，常用的锚杆支护理论有：悬吊理论、组合梁理论、组合拱（压缩拱）理论、最大水平应力理论等。这些理论都是以一定的假说为基础，各自从不同的角度、不同的条件阐述了锚杆支护的作用机理。平衡支护系统中锚杆支护设计的关键问题在：（1）锚杆支护是一种主控支护系统第一时间支护，即在岩体开挖早期就进行锚杆安装，安装后即对围岩提供显著的轴向和横向的支护阻力，避免岩体松动和塑性松动圈的增大。第一时间施加合理的安装应力，即在锚杆安装时施加合理的安装应力以控制围岩的早期变形，提高巷道围岩的自体承载能力，抑制松动圈的进一步扩展。安装应力像液压支架的初撑力一样对顶板支护具有同样的重要性，安装应力在美国、澳大利亚等国的锚杆支护系统设计时是一个十分重要的指标。（2）合理的锚杆强度。合理的锚杆强度设计是支护成功的另一重要因素。目前我国支护难度较大的一些矿区一味追求高强度、大直径的锚杆，而由于没有充分考虑围岩和支护系统的作用关系，结果效果不明显。而在美国、澳大利亚等国，锚杆系统支护强度的设计和液压支架系统支护阻力一样，要根据围岩和支护系统间的关系找出合理的结合点，以求得经济有效的支护顶板。（3）锚杆支护系统与巷道围岩的耦合支护作用。锚杆与其锚固范围内的组合体构成一种锚固支护体，在锚杆的反向载荷与约束下，使塑性破坏后易于松动的煤岩体形成具有一定承载能力并可适应围岩变形的组合支护圈层，即锚岩支护体，从而提高了顶板的整体性。锚岩支护体在未达到塑性破坏之前保持岩体的结构，同时在锚杆的作用下相互挤压成以巷道两帮为基础的维持自身平衡，即锚岩承载组合体。锚索主要对锚杆组合体起悬吊作用，用锚索将预应力锚杆形成的锚固承载组合体固定在稳定老顶上，从而使顶板岩体的承载能力大幅度提高。

6动压沿空顺槽动态平衡支护

动压巷道泛指经受采动影响的井下巷道，其特点表现为：巷道所处的矿山压力稳定状态受到采动影响，打破了围岩原有稳定性，导致围岩应力再次或多次重新分布，原有的静压状态下的稳定平衡被打破，围岩发生显著变形、位移和压力增大，需要经过应力重新分布达到新的平衡后，巷道围岩才能重新稳定下来。如果巷道的支护不能适应采动影响带来的应力变化，或者没及时采取相应的加固补救措施，则巷道将受到不同程度的破坏，或断面变形，或围岩松动失稳，甚至片帮、冒顶，严重时将影响巷道的正常安全使用。该开采技术条件下巷道受力特点：（1）巷道围岩受力应力分布不均匀。（2）巷道围岩结构不均一，沿空侧为小煤柱。小煤柱的强度会大大低于实体侧煤体强度。（3）巷道周围压力显现不均衡。因小煤柱的强度低，动压作用下小煤柱的变形会更加显著。（4）托顶煤支护，顶煤在动压作用下容易发生离层。因此，对动压沿空顺槽的动态平衡支护设计应遵循以下原则：（1）使支护结构尽可能与巷道围岩应力相平衡。（2）使支护结构尽可能与巷道围岩结构相平衡，加强沿空侧的支护。（3）按照矿压显现规律设计支护参数，确保巷道支护结构与矿压显现相适应。（4）锚杆锚索要有一定的预应力，预应力控制松动圈扩展，拟制顶板离层，强化沿空侧煤柱，提高沿空侧煤柱的自身承载能力。

7结论

（1）平衡支护技术是指运用主控技术来平衡巷道变形和围岩应力之间的变化，使巷道位移和支护结构在限定的范围之内协调作用，以达到控制巷道围岩变形的目的。通过将锚杆锚索与其周围的围岩作为一个整体进行相关支护参数的优化，使得原来巷道围岩所处的应力状态由二维变为三维状态，从而极大的提高了巷道支护的科学性和有效性。

（2）动压巷道由于受到采动影响，使围岩原有的平衡遭到破坏，造成应力重新分布，巷道位移显著增大。针对这种情况本文提出动态平衡支护理论，该理论可以使支护构造与巷道围岩应力相平衡，通过支护构造的非对称性布置提高了沿空侧的支护效果，保证了巷道的稳定性。

参考文献

1.苏桂虎. 掘进工作面的特殊支护[J]，煤矿现代化, 2010，2(10): 43-47

2.宋振骐. 实用矿山压力控制[M]，徐州: 中国矿业大学出版社, 1988

3.李世平，吴振业,贺永年. 岩石力学简明教程[M]，北京: 煤炭工业出版社，1996

4.李西凤. 无煤柱开采[M]，北京: 煤炭工业出版社，1986