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[摘 要]通过U型钢桁架锚索的共同作用，增强了巷道支护系统的强度，提高了巷道的支护效果，有利于实现在破碎围岩环境下的快速掘进，基本解决了深部大断面巷道支护难得问题。
[关键词]高预应力 U型钢 桁架锚索支护
中图分类号：U416.216+.1 文献标识码：U 文章编号：1009―914X（2013）25―0473―01
巷道开挖后，由于应力重新分布致使巷道周边出现应力集中，破坏围岩的稳定性，巷道变形失稳。在一定条件下，变形发展导致围岩破坏失稳，围岩破坏形态多种多样，而且在围岩的不同部位，不同破坏阶段，其破坏机理也不相同。
1、大断面巷道围岩塑性区演化规律
由于大断面巷道跨度大，顶板、两帮为松散围岩，加上该大断面巷道顶板为岩性较差的砂质泥岩，巷道开挖后，在无支护情况下，巷道围岩处在单向受力状态。整个巷道周边围岩出现大范围应力松弛带。顶底板中部首先发生拉破坏，接着顶底板中部进一步发生新的拉破坏，顶板两侧发生剪切破坏，最后两帮中部发生剪破坏。
2、锚杆（索）对大断面巷道控制存在的问题
但在对大断面巷道进行支护时，若采用金属支架支护，巷道掘出后较长时间内顶板难以稳定，变形量大，维护困难，且顶板成为载荷体传递到两帮，加剧两帮的变形与破坏；若只采用锚杆支护，虽然锚杆的刚度远大于顶板的刚度，可以提高围岩的抗剪和抗拉强度，但是顶板的变形和破坏一般超过了常规锚杆的锚固范围，容易造成锚杆和顶板一起离层的现象，由于锚杆锚固范围很小，无法将低位围岩的应力转移到围岩更深处，同时也无法将大断面巷道围岩顶板的拉应力抵消或降低。且从岩体力学、材料力学原理可知，钢材的延伸率远远大于岩石的延伸率，如果支护不及时或虽及时支护但初锚力低，锚杆就不能有效地阻止围岩的弱化、松动、位移，当围岩开裂位移达到一定程度后，锚杆才起到阻止裂纹扩展的作用。另外，等强全螺纹钢锚杆杆体是轧制的、螺母是铸造的，螺/母与螺杆间的摩擦力大、丝距大，常规采用风钻和扭矩扳手很难达到较高的初锚力，由于锁紧性较差，在放炮震动等因素影响下易松动，使初锚力丧失殆尽，而等巷道变形来压时才起作用，这样就造成了离层，靠铁丝网、钢带的托力托住破裂岩体发挥锚杆的吊挂作用，不但增加了网、带的费用，还要增加锚杆的支护密度，使巷道支护费用居高不下；若只采用单体锚索支护方式，由于锚索的内锚固点是在巷道正上方，在遇到复合泥岩顶板等这样软岩巷道时，可能会随着顶板垮落而失效。况且随着顶板变形，锚索的载荷成直线上升，容易拉断失效。
所以针对大断面巷道围岩的破坏特点，项目组提出高预应力U型钢桁架锚索支护技术，该技术正是针对大断面巷道顶板破坏现象而采取的有效的支护形式，它可以减小甚至消除顶板所受的拉压力，并有效控制顶板下沉。整个支护系统在随顶板下沉而出现较大变形时，仍能提供所需支护作用，因此，特别适用于变形较大的大断面巷道，也可用于锚杆或其它常规支护方法难以奏效的复杂地质条件和较弱破碎顶板的巷道或采场。
3、高预应力U型钢桁架锚索支护技术的研究
3.1 高预应力U型钢桁架锚索有许多优点：
（1）U型钢桁架内锚固点为巷道两肩窝深部岩体，十分可靠，而锚索内锚固点在巷道正上方，可能随顶板垮落而失效；
（2）U型钢桁架中拉紧的钢绞线与顶板形成线或面接触，作用范围大，松散破碎顶板受力状态好；而锚索与顶板围岩是点接触，外端顶煤易破碎，并导致锚索松动；
（3）钢绞线抗剪性能强，能缓解水平应力导致的顶板支护结构的剪切破坏；
（4）随围岩变形易形成闭锁结构，支护结构不易失效；而锚索随顶板变形，载荷直线上升，易拉断失效；
（5）U型钢桁架施加的水平预拉力在巷道顶板内产生一对对称弯矩，平衡顶板弯曲而产生的拉应力区，减少顶板破坏，大大改善了顶板的稳定性。
3.2 U型钢桁架锚索的作用机理研究
由大断面巷道围岩破坏研究可以知道，在大断面顶部最易出现拉应力，并在围岩自重作用下因径向受拉而出现冒顶塌落，巷道顶底板容易出现拉裂破坏，且拉裂是沿结构面发生的，加上顶板存在着拉应力，以及巷道拐角处集中剪应力的作用，围岩断裂往往在顶板中部和两顶角部发生。在其他支护方式支护大断面巷道围岩不是很理想的情况下，提出了高预应力桁架锚索支护技术。
高预应力U型钢桁架锚索是在桁架锚杆基础上发展起来的一种有效控制大断面顶板的方法，由于采用了预应力技术，因此可以有效地控制围岩的塑性变形，并与围岩组成承载体系，起到加固围岩的作用。桁架锚索是将处于受压状态的巷，用高预应力对拉并锁紧两根钢绞线，横锚索张紧而产生的拉紧力与斜锚索锚固后产生的预紧力形成的合力F作用在顶板岩层上，使顶板周边附近的岩体受压，改善顶板的应力状态，强化低位岩体的力学性能，从而改善了顶板可能出现拉应力的不利局面。同时，两角预应力锚索顶部产生水平分力H和垂直分力B，挤压顶板岩石，增大岩块间摩擦阻力，可阻止顶板下沉；垂直分力B则为两帮深处煤岩所承担：随着顶板的少量下沉，使托板继续受到较大的拉应力，并且持续增加，托板受到的拉应力越大，作用在顶板岩层的合力越大，因而使支架能更有效地阻止顶板下沉。图1所示为U型钢桁架锚索工作原理图。
图1 U型钢桁架锚索工作原理图
巷道顶板与U型钢桁架锚索之间存在作用力与反作用力相互制约的关系，一方面依靠横锚索施加的预紧力及斜锚索锚固的预紧力在顶板围岩中形成的挤压带，减小顶板内部及其表面的张应力，增加了顶板围岩的抗弯能力，因而提高了顶板承受上部岩层载荷的能力，并保持了自身的稳定；另一方面，当顶板弯曲变形和下沉时，通过顶板表面对桁架锚索的作用，使锚索受到更大的张拉力，此时横锚索与斜锚索的共同作用使顶板内部及其裂隙体中产生较大的挤压应力和摩擦力，减小甚至抵消巷道顶板可能产生的拉应力，以阻止顶板的进一步变曲和下沉，使顶板尽快趋于稳定。U型钢桁架锚索既具有锚索的悬吊优势，又兼备了桁架支护的特点，极大地改善了大断面巷道的顶板受力。
4、结语
通过对桁架锚索系统中的斜锚索进行了系统的理论研究，得出以下结论：
（1）U型钢桁架锚索系统中斜锚索存在横向抗力且锚索对顶板维护起到重要的水平预紧力的作用，而且斜锚索上的横向抗力的存在有利于顶板形成“拱梁”，证明了上小节提出的桁架锚索系统对于大断面巷道的顶板有“成拱”作用；
（2）应用弹性地基梁理论对斜锚索进行了力学分桁，推求了锚索横向抗力及横向位移。锚索的横向抗力公式及横向位移公式的求出，为桁架锚索系统的参数设计提供了理论依据。
（3）锚索长度的设计必须确保长度大于巷道两帮顶角处等效塑性区厚度，这是有效发挥锚索横向抗力的前提，但锚索与其所处的围岩应力场相比是“柔性”杆，靠近锚尾部位横向作用才显著，锚索过长对发挥锚索横向作用并无显著贡献，也是不经济的。因此，锚索长度存在最优值。
参考文献
[1] 牛宝林.桁架支护技术在新汶矿区软岩巷道中的应用 [J].煤炭科学技术，2006，34（9）：31～33
[2] 陈锡桃，王瑞涛，郭克宝.深厚表土层高应力厚煤层综放巷道桁架支护 [J].煤炭工程，2008，9：27～29
[3] 刘延生，赵景忠，杨家恩等.唐口矿大型硐室锚索桁架支护技术 [J].煤炭科学技术，2005，33（5）：12～15
作者简介
唐家雨，助理工程师，2010年7月毕业于安徽理工大学煤矿开采技术专业，现供职于国投新集能源股份有限公司新集一矿。
[关键词]高预应力 U型钢 桁架锚索支护
中图分类号：U416.216+.1 文献标识码：U 文章编号：1009―914X（2013）25―0473―01
巷道开挖后，由于应力重新分布致使巷道周边出现应力集中，破坏围岩的稳定性，巷道变形失稳。在一定条件下，变形发展导致围岩破坏失稳，围岩破坏形态多种多样，而且在围岩的不同部位，不同破坏阶段，其破坏机理也不相同。
1、大断面巷道围岩塑性区演化规律
由于大断面巷道跨度大，顶板、两帮为松散围岩，加上该大断面巷道顶板为岩性较差的砂质泥岩，巷道开挖后，在无支护情况下，巷道围岩处在单向受力状态。整个巷道周边围岩出现大范围应力松弛带。顶底板中部首先发生拉破坏，接着顶底板中部进一步发生新的拉破坏，顶板两侧发生剪切破坏，最后两帮中部发生剪破坏。
2、锚杆（索）对大断面巷道控制存在的问题
但在对大断面巷道进行支护时，若采用金属支架支护，巷道掘出后较长时间内顶板难以稳定，变形量大，维护困难，且顶板成为载荷体传递到两帮，加剧两帮的变形与破坏；若只采用锚杆支护，虽然锚杆的刚度远大于顶板的刚度，可以提高围岩的抗剪和抗拉强度，但是顶板的变形和破坏一般超过了常规锚杆的锚固范围，容易造成锚杆和顶板一起离层的现象，由于锚杆锚固范围很小，无法将低位围岩的应力转移到围岩更深处，同时也无法将大断面巷道围岩顶板的拉应力抵消或降低。且从岩体力学、材料力学原理可知，钢材的延伸率远远大于岩石的延伸率，如果支护不及时或虽及时支护但初锚力低，锚杆就不能有效地阻止围岩的弱化、松动、位移，当围岩开裂位移达到一定程度后，锚杆才起到阻止裂纹扩展的作用。另外，等强全螺纹钢锚杆杆体是轧制的、螺母是铸造的，螺/母与螺杆间的摩擦力大、丝距大，常规采用风钻和扭矩扳手很难达到较高的初锚力，由于锁紧性较差，在放炮震动等因素影响下易松动，使初锚力丧失殆尽，而等巷道变形来压时才起作用，这样就造成了离层，靠铁丝网、钢带的托力托住破裂岩体发挥锚杆的吊挂作用，不但增加了网、带的费用，还要增加锚杆的支护密度，使巷道支护费用居高不下；若只采用单体锚索支护方式，由于锚索的内锚固点是在巷道正上方，在遇到复合泥岩顶板等这样软岩巷道时，可能会随着顶板垮落而失效。况且随着顶板变形，锚索的载荷成直线上升，容易拉断失效。
所以针对大断面巷道围岩的破坏特点，项目组提出高预应力U型钢桁架锚索支护技术，该技术正是针对大断面巷道顶板破坏现象而采取的有效的支护形式，它可以减小甚至消除顶板所受的拉压力，并有效控制顶板下沉。整个支护系统在随顶板下沉而出现较大变形时，仍能提供所需支护作用，因此，特别适用于变形较大的大断面巷道，也可用于锚杆或其它常规支护方法难以奏效的复杂地质条件和较弱破碎顶板的巷道或采场。
3、高预应力U型钢桁架锚索支护技术的研究
3.1 高预应力U型钢桁架锚索有许多优点：
（1）U型钢桁架内锚固点为巷道两肩窝深部岩体，十分可靠，而锚索内锚固点在巷道正上方，可能随顶板垮落而失效；
（2）U型钢桁架中拉紧的钢绞线与顶板形成线或面接触，作用范围大，松散破碎顶板受力状态好；而锚索与顶板围岩是点接触，外端顶煤易破碎，并导致锚索松动；
（3）钢绞线抗剪性能强，能缓解水平应力导致的顶板支护结构的剪切破坏；
（4）随围岩变形易形成闭锁结构，支护结构不易失效；而锚索随顶板变形，载荷直线上升，易拉断失效；
（5）U型钢桁架施加的水平预拉力在巷道顶板内产生一对对称弯矩，平衡顶板弯曲而产生的拉应力区，减少顶板破坏，大大改善了顶板的稳定性。
3.2 U型钢桁架锚索的作用机理研究
由大断面巷道围岩破坏研究可以知道，在大断面顶部最易出现拉应力，并在围岩自重作用下因径向受拉而出现冒顶塌落，巷道顶底板容易出现拉裂破坏，且拉裂是沿结构面发生的，加上顶板存在着拉应力，以及巷道拐角处集中剪应力的作用，围岩断裂往往在顶板中部和两顶角部发生。在其他支护方式支护大断面巷道围岩不是很理想的情况下，提出了高预应力桁架锚索支护技术。
高预应力U型钢桁架锚索是在桁架锚杆基础上发展起来的一种有效控制大断面顶板的方法，由于采用了预应力技术，因此可以有效地控制围岩的塑性变形，并与围岩组成承载体系，起到加固围岩的作用。桁架锚索是将处于受压状态的巷，用高预应力对拉并锁紧两根钢绞线，横锚索张紧而产生的拉紧力与斜锚索锚固后产生的预紧力形成的合力F作用在顶板岩层上，使顶板周边附近的岩体受压，改善顶板的应力状态，强化低位岩体的力学性能，从而改善了顶板可能出现拉应力的不利局面。同时，两角预应力锚索顶部产生水平分力H和垂直分力B，挤压顶板岩石，增大岩块间摩擦阻力，可阻止顶板下沉；垂直分力B则为两帮深处煤岩所承担：随着顶板的少量下沉，使托板继续受到较大的拉应力，并且持续增加，托板受到的拉应力越大，作用在顶板岩层的合力越大，因而使支架能更有效地阻止顶板下沉。图1所示为U型钢桁架锚索工作原理图。
图1 U型钢桁架锚索工作原理图
巷道顶板与U型钢桁架锚索之间存在作用力与反作用力相互制约的关系，一方面依靠横锚索施加的预紧力及斜锚索锚固的预紧力在顶板围岩中形成的挤压带，减小顶板内部及其表面的张应力，增加了顶板围岩的抗弯能力，因而提高了顶板承受上部岩层载荷的能力，并保持了自身的稳定；另一方面，当顶板弯曲变形和下沉时，通过顶板表面对桁架锚索的作用，使锚索受到更大的张拉力，此时横锚索与斜锚索的共同作用使顶板内部及其裂隙体中产生较大的挤压应力和摩擦力，减小甚至抵消巷道顶板可能产生的拉应力，以阻止顶板的进一步变曲和下沉，使顶板尽快趋于稳定。U型钢桁架锚索既具有锚索的悬吊优势，又兼备了桁架支护的特点，极大地改善了大断面巷道的顶板受力。
4、结语
通过对桁架锚索系统中的斜锚索进行了系统的理论研究，得出以下结论：
（1）U型钢桁架锚索系统中斜锚索存在横向抗力且锚索对顶板维护起到重要的水平预紧力的作用，而且斜锚索上的横向抗力的存在有利于顶板形成“拱梁”，证明了上小节提出的桁架锚索系统对于大断面巷道的顶板有“成拱”作用；
（2）应用弹性地基梁理论对斜锚索进行了力学分桁，推求了锚索横向抗力及横向位移。锚索的横向抗力公式及横向位移公式的求出，为桁架锚索系统的参数设计提供了理论依据。
（3）锚索长度的设计必须确保长度大于巷道两帮顶角处等效塑性区厚度，这是有效发挥锚索横向抗力的前提，但锚索与其所处的围岩应力场相比是“柔性”杆，靠近锚尾部位横向作用才显著，锚索过长对发挥锚索横向作用并无显著贡献，也是不经济的。因此，锚索长度存在最优值。
参考文献
[1] 牛宝林.桁架支护技术在新汶矿区软岩巷道中的应用 [J].煤炭科学技术，2006，34（9）：31～33
[2] 陈锡桃，王瑞涛，郭克宝.深厚表土层高应力厚煤层综放巷道桁架支护 [J].煤炭工程，2008，9：27～29
[3] 刘延生，赵景忠，杨家恩等.唐口矿大型硐室锚索桁架支护技术 [J].煤炭科学技术，2005，33（5）：12～15
作者简介
唐家雨，助理工程师，2010年7月毕业于安徽理工大学煤矿开采技术专业，现供职于国投新集能源股份有限公司新集一矿。