1、煤矿井下巷道锚杆支护技术分析摘要:随着我国经济的不断发展,能源需求越来越旺盛,对于煤炭的需求也是不断增加,由此,则带动着对于煤矿相关技术的大发展,而煤矿井下巷道锚杆支护技术就是其中较为重要的一项技术。本文从煤矿井下巷道锚杆支护的理论入手,简要探讨了此项技术的设计方法及原理,以期能为所需者提供借鉴。 关键词:煤矿井下巷道;锚杆支护;分析 中图分类号:X752 文献标识码:A 对于我国各地的煤矿而言,其主要是采取的井工开采,大多数而言的生产环境较为复杂,和其他的行业相比,有着较高的开采装备、技术、生产安全要求。开采煤矿时,大多数的都需要在井下开挖大量巷道,据有关专家推算,每年我国的大中型煤矿新掘进
2、巷道的总长就能够达数千公里,其中有超过 80%的是煤巷与半煤岩巷,如此巨大规模的地下工程在其他行业是不多见的。因此,保持巷道畅通和围岩稳定对煤矿建设与生产具有重要意义,巷道支护成本、速度、可靠性直接影响煤炭企业的经济效益与安全生产。此外,随着煤矿开采强度不断增加,开采技术出现巨大进步,巷道布置发展方向出现转变为:岩巷向煤巷发展、巷道拱形断面向矩形断面发展、岩石顶板煤巷向煤层顶板巷道和全煤巷道发展、巷道从小断面向大断面发展、巷道埋深从浅部向深部发展、单巷布置向多巷发展、简单地质条件巷道向复杂地质条件发展等。 一、锚杆支护理论 对于传统的锚杆支护,其理论上有诸如组合梁、悬吊、加固拱等,它们在实际的
3、生产生活中都发挥着巨大的作用,但是,其也有着不小的局限性。在井下实测、数值计算等基础上,针对复杂困难巷道条件,提出高预应力、强力支护理论,要点是:巷道围岩变形主要包括两部分:一是结构面离层、滑动、裂隙张开及新裂纹产生等扩容变形,属于不连续变形;二是围岩的弹性变形、峰值强度之前的塑性变形、锚固区整体变形,属于连续变形。由于结构面的强度一般比较低,因此开巷以后,不连续变形先于连续变形。合理的巷道支护型式是大幅度提高支护系统的初期支护刚度与强度,有效控制围岩不连续变形,保持围岩的完整性,同时支护系统应具有足够的延伸率,允许巷道围岩有较大的连续变形,使高应力得以释放。与传统的“先柔后刚、先让后抗”的支
4、护理念相比,深部及复杂困难巷道支护应该是“先刚后柔、先抗后让” ,最大限度地保持围岩完整性,尽量减少围岩强度的降低。 对于预应力锚杆支护,它发挥的主要功效在于控制锚固区围岩滑动、离层、产生新裂纹、裂隙张开等,从而达到让围岩受压的状态,更好的抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破坏,让围岩成为承载主体。锚固区内形成刚度较大的预应力承载结构,阻止锚固区外岩层产生离层,同时改善围岩深部的应力分布状态。锚杆预应力及其扩散对支护效果起着决定性作用。根据巷道条件确定合理的预应力,并使预应力实现有效扩散是支护设计的关键。单根锚杆预应力的作用范围是很有限的,必须通过托板、钢带和金属网等构件将锚杆预应力扩散到离锚杆更远
5、的围岩中。特别是对于巷道表面,即使施加很小的支护力,也会明显抑制围岩的变形与破坏,保持顶板的完整。锚杆托板、钢带与金属网等护表构件在预应力支护系统中发挥极其重要的作用。 对于预应力锚杆支护系统而言,其也是有着临界支护刚度,纵然锚固区不会有明显的离层和拉应力区所需支护提供刚度。如果支护刚度在临界支护刚度以下,则围岩将会长期在变形与不稳定的形态下;相反,支护系统刚度如果达到或超过临界支护刚度,围岩变形得到有效抑制,巷道处于长期稳定状态。支护刚度的关键影响因素是锚杆预应力,因此,存在锚杆临界预应力值。当锚杆预应力达到一定数值后,可以有效控制围岩变形与离层,而且锚杆受力变化不大。锚杆支护对巷道围岩石的
6、弹性变形、峰值强度之前的塑性变形、锚固区整体变形等连续变形控制作用不明显,要求支护系统应具有足够的延伸率,使围岩的连续变形得以释放。对于深部及复杂困难巷道,应采用高预应力、强力锚杆组合支护,应尽量一次支护就能有效控制围岩变形与破坏,避免二次支护和巷道维修。 二、锚杆支护设计方法 1、动态信息设计法 我们依照煤矿巷道自身的特点,参考国外的先进技术,提出锚杆支护动态信息设计。此种方法有两大特点:设计是动态过程而非一次完成;设计充分用好每个信息,实时做好信息的收集、分析与反馈。此种设计可以分为五部分:巷道围岩地质力学评估、初始设计、井下监测、信息反馈与修正设计。我们围绕着岩地质力学评估包括围岩结构、
7、围岩强度、地应力、井下环境评价及锚固性能测试等内容,为初始设计提供可靠的基础参数;初始设计以数值计算方法为主,结合已有经验和实测数据确定出比较合理的初始设计,目前应用效果比较好的数值计算程序为有限差分软件 FLAC 和离散单元法软件 UDEC;将初始设计实施于井下,进行详细的围岩位移和锚杆受力监测;根据监测结果判断初始设计的合理性,必要时修正初始设计。正常施工后应进行日常监测,保证巷道安全。 图 1 典型回采巷道锚杆布置图 2、描杆支护形式和参数选择原则 对于不少井下巷道,其生产条件和地质条件都较为复杂,为此,为了能够更为有效地发挥锚杆支护功效,我们需要遵循以下原则:一次支护。对于锚杆支护,其
8、需要尽可能的在第一次支护时就可以有效的控制住围岩的变形,以免出现二次(多次)支护或者是巷道维修。同时,其还能够更好地实现矿井高效、安全生产。而对于回采巷道,加快推进采煤工作面,服务于回采顺槽需要在使用期内稳定;对于大巷和俐室等永久工程,更需要保持长期稳定,不能经常维修。另一方面,这是锚杆支护本身的作用原理决定的。巷道围岩一旦揭露立即进行锚杆支护效果最佳,而在已发生离层、破坏的围岩中安装锚杆,支护效果会受到显著影响;高预应力和预应力扩散原则。预应力是锚杆支护中的关键因素,是区别锚杆支护是被动支护还是主动支护的参数,只有高预应力的锚杆支护才是真正的主动支护,才能充分发挥锚杆支护的作用。一方面,要采
9、取有效措施给锚杆施加较大的预应力;另一方面,通过托板、钢带等构件实现锚杆预应力的扩散,扩大预应力的作用范围,提高锚固体的整体刚度与完整性;“三高一低”原则。即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。在提高锚杆强度、刚度,保证支护系统可靠性的条件下,降低支护密度,减少单位面积上锚杆数量,提高掘进速度;临界支护强度与刚度原则。锚杆支护系统存在临界支护强度与刚度,如果支护强度与刚度低于临界值,巷道将长期处于不稳定状态,围岩变形与破坏得不到有效控制。因此,设计锚杆支护系统的强度与刚度应大于临界值;相互匹配原则。锚杆各构件,包括托板、螺母、钢带等的参数与力学性能应相互匹配,锚杆与锚索的参数与力学性能应
10、相互匹配,以最大限度地发挥锚杆支护的整体支护作用;可操作性原则。提供的锚杆支护设计应具有可操作性,有利于井下施工管理和掘进速度的提高;在保证巷道支护效果和安全程度,技术上可行、施工上可操作的条件下,做到经济合理,有利于降低巷道支护综合成本。 三、结论 加强煤矿井下巷道锚杆支护技术的研究,对其功能的发挥和使用寿命的长短有着重要的影响。锚杆支护技术不仅保证煤矿井下巷道自身技术合理与安全,还减少了对施工周边环境的影响。施工过程中,一定要加强质量控制,做好监督与检测工作,同时,加强煤矿井下巷道理论研究,改进施工工艺与施工方法,发展施工监测技术,将是提高煤矿井下巷道施工水平的核心与关键。 参考文献: 1 康红普,王金华,林健.高预应力强力支护系统及其在深部巷道中的应用J.煤炭学报.2012(12) 2 康红普,姜铁明,高富强.预应力在锚杆支护中的作用J.煤炭学报.2011(07) 3 王金华.我国煤巷锚杆支护技术的新发展J.煤炭学报.2010(02)