破碎顶板条件下锚网支护作用分析

添加人：admin 发布时间：2015/11/6 8:43:25 来源：中国破碎机网

　　煤矿现代化2005破碎顶板条件下锚网支护作用分析兖州煤业股份公司技术中心张宗社条件下锚杆、锚索的作用提出了在破碎顶板条件下煤巷使用锚杆-锚索联合支护，并阐述了其作用原理。
　　煤巷锚杆支护具有支护性能好、工艺简单、节省材料、易于实现机械化、经济好等优点，特别是可以大大简化长壁工作面端头维护工艺，为提高工作面开机率，加快推进速度，实现高产高效创造了前所未有的有利条件，因而现已成为世界各国煤巷支护的主要形式。
　　在较坚硬顶板条件下锚网支护技术从理论到实践都已经成熟，但对破碎顶板的支护机理还未芫全清楚，从实践中常常出现由于支护设计不合理而产生巷道变形过大，甚至出现较大面积冒顶现象，因而有必要对此问题进行深入研究。
　　1破碎顶板条件下锚杆支护作用原理锚杆支护的作用原理视顶板条件和采用的支护方式的不同而有所不同。在破碎顶板条件下弟体锚杆的悬吊作用已不明显，锚杆的约束与抗剪作用增强，一方面可以控制岩层变形、离层的发展，另一方面可以使岩体处于三向应力状态，从而提高岩体的抗剪破坏的强度和承载能力。锚杆的这些作用在某种意义上都不是支护作用，因为锚杆的约束力仅仅是锚固岩体中的内力，锚杆对锚固端外围的岩体没有支承和约束作用，锚杆本身不是直接的支护体，而真正起支护作用的是顶板自身，锚杆是通过其加固或增强作用提高锚固范围内岩体的强度和承载能力，从而保持顶板自身的稳定。因此，锚杆与被锚固的岩层共同组成了支护体，锚杆在支护体中起增强作用，提高支护体的支护强度。
　　对锚固岩层作为支护体（或称锚固体）的承载变形特性进行分析，可以得到模型化的顶板承载能力特性曲线，如圄1所示。比较无支护顶板与锚固岩层顶板的承载能力廉明锚杆的整体作用使顶板岩层提高了承载能力，并使顶板岩层由脆性破坏的支护体（或刚性支护体）变为了允许顶板产生很大变形的柔性支护体。显然，锚杆的支护作用是指顶板锚杆整体所起到的作用效果，而不是单体锚杆所起到的作用。但是，锚杆的支护作用产生于单体锚杆的约束和抗剪作用，即单体锚杆的加固增强作用。
　　对于锚杆的支护作用机理，普遍的共识是通过锚杆的加固作用提高顶板的强度从而提高岩层的承载能力。这种认识实际上是人们对单体锚杆在锚固岩层中所起作用的一种认识，也表明了单体锚杆的作用与锚固体支护作用的一种关系，即锚杆的作用相当于提高支护体的“材质”。如同金属支架一样，通过改变支架金属材料的性质可以达到提高支架支护强度的目的。
　　提高支护体的“材质”是提高支护体承载能力的一种有效途径，但是，还有一种更为有效的途径是改变支护体的结构。比如，使用相同的金属材料，拱形支架比梯形支架的承载能力高很多，可缩性支架就比刚性支架适应更广的顶板条件。
　　在软弱顶板条件下，锚杆的作用可以认为是成拱作用，而且这种作用比锚杆的增强作用对支护体的影响更大，其依据可以从以下分析中得到：（1）无支护的顶板岩层在产生较小变形时其承载能力急剧降低并失稳冒落，这是由于顶板破坏产生岩块不能相互作用形成拱结构所造成的；）―个耦合的巷道顶板体锚固系统的作用效果就是体现在能使处于软弱破碎条件下的巷道锚固范围的破裂结构从趋势上向准芫整结构和芫整结构转化，其具体的表现形式是破裂结构岩体内的结构面在锚杆（或锚索）的作用下，碎裂结构岩体力学性质的结构效应由显著向消失转化，碎裂结构岩体残余强度和弹性模量由低向高转化，这样的结果是破碎结构岩体的结构面作用逐渐减弱甚至消失，即围岩体力学介质由离散碎裂向连续转化。由于上述的锚固结构的转化效应，使得巷道锚固范围内的碎裂结构岩体具有了一定的芫整性特点，从而增强了其在工程力作用下抵御变形和破坏的能力。）锚固体不仅具有较大的承载能力，而且允许产生较大整体弯曲变形。部分观测显示锚固端下沉量比锚固范围内的离层量大一倍左右。因此，可以认为，只有压力拱结构才有可能产生这样大的变形。
　　2破碎顶板条件下锚杆、锚索作用分析2.1锚杆的合理布置形式锚固体是否具有较大的承载能力和变形能力，除了顶板岩层的力学性质是决定因素外，关键是锚杆的成拱作用大小。
　　锚固系统形成锚固平衡拱的关键是通过锚杆的作用保持了锚固顶板的整体性，岩石松动是造成锚固平衡拱破坏的直接原因。
　　为了避免锚固平衡拱中出现岩石松动，充分发锚固拱的承载能力和抗变形能力，使用合适的锚杆和支护方式是至关重要的。根据不同锚杆支护方式数值模型计算分析得到的锚固体变形特性曲线可知，采用不同锚杆支护方式的锚固体，其刚度不同；刚度越大，锚固体的承载能力越高，而且允许顶板变形量越大，因此其适应性越强。
　　比较不同锚杆支护方式的锚固体变形特性曲线可知，采煤矿现代化用全长锚固的锚梁网支护形式的锚固体刚度最大，换言之，这种支护形式最能充分发锚杆的约束和抗剪作用，防止岩石松动，保持锚固平衡拱的整体性和承载能力。因此，这种支护形式是软弱顶板锚杆支护的合理支护形式。
　　在锚杆布置方式上，不同的支护原理采用不同的锚杆布置方式。如按悬吊原理和组合梁原理，锚杆的布置均垂直于巷道顶板，这样可以充分发锚杆的悬吊作用和抗剪作用。按照锚固平衡拱支护原理，采用辐射状锚杆布置方式更有利于发锚杆成拱作用和顶板的稳定。
　　2.2软弱破碎顶板煤巷锚杆支护效果可以推断，由于巷道处于高应力的软弱破坏顶板的环境中，顶板强度低，丧失一般岩石具有的残余强度，锚杆对于提高软弱破碎岩体的承载能力的效果差。所以再通过缩小锚杆的排间距，加大锚杆的密度来改善顶板的变形破坏程度并不能得到明显的效果。
　　由以上分析可知，在高应力软弱破碎顶板条件下，即使采用支护效果最佳的全长锚固锚梁网支护形式仍然不能有效控制顶板大范围的变形破坏，不能保证巷道的安全使用。因此，除了采用全长锚固锚梁网支护形式外，还必须与其它的加强支护形式进行组合或联合支护才能保证巷道的安全使用。
　　2.3预应力锚索在破碎顶板条件下的作用当前煤巷（尤其是支护困难条件的巷道）锚杆与锚索联合支护的设计思想和支护方法存在着不协调的矛盾。就锚杆-锚索联合支护的设计思想而言，是以锚杆支护作为及时支护和加固巷道周围浅部顶板，提高顶板的承载能力和自稳性，同时，通过预应力锚索作用，一方面在锚杆支护的基础上进一步提高支护强度，控制顶板变形破坏，另一方面，当顶板的破坏松动范围超过锚杆的锚固范围时，通过锚索的悬吊作用，将顶板松动区岩石悬吊于在深部稳定的岩层，防止顶板失控冒落。
　　但在破碎顶板条件下，锚杆与锚索并不是按这种支护设计的目标而发其各自应有的作用，其主要的问题是锚索在需要其发悬吊支护作用之前已经产生破断，从而使锚索丧失保证巷道安全使用的作用和能力，所以必须研究锚杆与锚索联合作用。
　　3破碎顶板条件下煤巷锚杆-锚索联合支护为了说明锚杆-锚索联合支护的作用，根据锚杆支护的锚固平衡拱原理，将锚杆及其锚固范围内的顶板作为巷道的支护体（锚岩支护体），把锚索作为一种加强支护体（提供支承作用力），这样就可以通过分析顶板与支架（支护体）的相互作用关系，研究锚杆-锚索联合支护的作用原理。
　　在软弱破碎顶板条件下，巷道顶板的变形量很大，为了避免采用锚杆-锚索联合加固支护时因锚索延伸量超过极限而破断，可以采用类似于软岩支护中的二次支护方法及其作用原理进行锚索加强支护，如圄2所示。在巷道开挖初期，顶板自身的整体性好，通过锚杆的加固作用，锚岩支护体的承载能力较高顶板在一定变形范围内可以保持自身的稳定。随着顶板变形的增大，锚岩支护体的承载能力和自稳性降低，同时顶板集中应力移往深部顶板变形趋于平稳。在锚岩支护体失稳之前，再通过锚索的悬吊作用，保持锚岩支护体和顶板的稳定。
　　圄2为巷道顶板-支护相互作用原理圄，曲线ABED为锚岩支护体的特性曲线，锚索的特性曲线为曲线4，锚杆-锚索联合支护特性曲线为ABCD曲线。由该曲线可知，锚杆和锚索各自发了自身的优势。在巷道开挖支护初期，以锚杆的柔性支护为主，后期以锚索的悬吊作用为主。两者不是同时联合加强支护，而是相互取长补短，从而大大改善了锚杆支护的整体支护性能，达到控制顶板大变形的目的。因此，将此支护作用原理称之为锚杆-锚索支护作用的互补原理。
　　在实际工程中，锚杆-锚索联合支护是否能实现锚杆与锚索支护作用的互补性取决于采用的支护方法和合理的支护设计，它要求将锚岩支护体的特性与锚索的力学特性有机地结合一起进行总体的支护设计，而不是锚杆和锚索支护参数分别独立设计。由于采用不同的锚杆支护形式，锚岩支护体的承载特性有较大差异；同样，采用不同的锚索支护方式对顶板的适应性也不相同。因此，在支护设计中，应根据巷道顶板条件，采用合理的锚杆支护形式和参数，选择与之相匹配的锚索支护方法，这是锚杆-锚索联合支护的关键。
　　为了使锚索能适应顶板较大的变形而不发生破断，实现锚杆与锚索支护作用的互补性，除了必须了解锚索自身的力学特性（承载能力和延伸量），还要深入研究锚索适应顶板大变形的方法和手段。