煤矿巷道影响锚杆支护质量的因素浅析

摘要: 锚喷支护是锚杆和喷射混凝土联合支护的一种支护方法, 它将锚杆和混凝土的作用有机的相结合,起到整体支护、保护和加固围岩、释放围岩变形等作用, 为煤矿巷道提供了有效地支护途径, 在实践中得以广泛的应用。文章结合实际针对相关问题进行了分析探讨, 并提出了相应的改良措施。

关键词: 锚喷支护；煤矿巷道; 锚杆； 改良措施

1 前言

目前, 锚喷技术在煤矿巷道支护中虽已广泛应用, 但在实际施工中由于多种因素, 锚喷支护质量受到严重不良影响。

锚喷支护首先在支护形式和理论有所突破, 将被动支护变为积极主动地支护方式, 有效地保持了围岩的稳定性和整体性; 其次, 锚喷支护可以最大化发挥围岩自身的支撑作用, 将围岩从荷载转化成为载体, 有效地抑制了围岩的位移和变形。最终使围岩、锚喷层和锚杆形成一个有机的整体, 在三者的共同作用下, 围岩岩体的整体性得以保持。

2 影响锚杆支护质量的因素

锚杆的支护作用主要是通过围岩的相互作用来实现的。其表现形式为: 径向和切向锚固力的作用,以此来提高围岩的稳定性。目前锚杆支护初始设计方法主要有: 工程类比法、理论计算方法和数值计算方法的结合。由于在支护设计理论研究方面还有许多的欠缺, 在我国目前主要是采用工程类比的方法进行锚杆的初始设计, 在定量设计方面突破不大。在测试技术和手段、支护材料、支护的可靠性等方面与国外发达国家仍然有很大的差距。

2. 1 锚杆材质对支护质量的影响。锚杆常用的金属材料多采用Q235(A3)圆钢作为锚杆杆体, 其屈服强度为240MPa。这种材料的力学性能直接影响着锚杆的强度和可延伸性等力学性能, 再加上加工工艺的局限性使其锚尾有效直径比锚杆实际公称直径小1.8 mm―2.1 mm, 截面面积减少20%―25%。大量研究表明, 锚尾的受力十分复杂, 不但承受轴向拉应力, 还要受到弯曲应力的作用, 工作条件恶劣, 受力大, 因此, 要求锚尾的螺纹强度有效截面直径不小于杆体的实际公称直径。采用高强度或者超高强度金属材料作为杆体材料, 可以大大提高锚杆的力学性能。比如采用16Mn钢并对其进行冷拉、滚丝处理, 或者选用20MnSi钢对其经特殊工艺热轧为左旋无纵筋螺纹钢锚杆, 可以使其屈服强度提高到650MPa, 这样会提高锚杆的适用范围。近年来, 各国正大力发展高强、超高强锚杆, 破断荷载一般为200kN ― 300kN。例如澳大利亚研究的HS1045高强度锚杆用钢等。

2. 2 锚固剂对支护质量的影响。锚固剂材料原先都是采用快硬水泥锚固剂, 这种锚固剂在使用过程中, 存在水灰比难于掌握、凝结时间长、施工难度大、人为因素影响波动大等缺陷。锚杆与围岩紧密接触, 可以使锚杆与岩体之间具备良好的传力性能。采用树脂锚固剂可以使杆体强度大大提高, 尾部螺纹强度基本上与杆体本身等强。

树脂锚固剂可以缩短固化时间, 安装后15min, 树脂固化程度就可以达到80%―90%。与传统锚固剂相比树脂锚固剂具有: 初锚力大、锚固可靠、超早强、微膨胀、承载快、便于操作等特性, 可以减少人为因素的影响, 达到最佳的锚固效果。近年来随着矿井开采深度的增加和地质条件的不断变化, 使树脂锚固剂的应用研究也进一步拓宽。

2. 3 锚杆锚固形式对支护质量的影响。在我国煤矿巷道锚喷支护所选用的锚杆直径大部分在14mm――20mm 之间, 钻孔直径在32mm ―42 mm 之间, 这时端锚锚杆的杆体与钻孔壁之间有15 mm 左右的空隙, 空隙使得锚杆切向锚固力得不到充分的发挥。在采用全锚锚杆时, 锚杆与钻孔壁之间的空隙被锚固剂所填充, 当围岩发生变形时, 全锚锚杆切向锚固力可以及时承载, 起到支护巷道的效果。全长锚杆不但比端锚锚杆锚固力大, 而且其径向锚固刚度也比端锚锚杆要大, 而端锚锚杆也只能在杆体的两端起到作用, 其径向锚固力也增长的很慢。现在大多数煤矿采用端锚锚杆锚固, 虽然端锚锚杆锚固操作简单, 经济实用, 但是端锚锚杆对于围岩松软、破碎、地应力大的巷道的支护有着其局限性, 只有采用全长锚固锚杆才能克服端锚锚杆的局限性。

全长锚固锚杆与端锚锚杆相比具有以下优势:全长锚固时, 锚杆及围岩的受力状态好, 实际锚固力大; 全长锚固可以使锚杆具有较高的锚固力和抗剪能力; 全长锚固能有效地提高锚杆支护系统的刚度,限制围岩变形的发生; 全长锚固可有效地约束顶板围岩的变形和位移。

2. 4“ 三径”匹配不合理对支护质量的影响。“三径”匹配不合理是指锚杆的直径、孔径、锚固剂直径三径匹配不合理。钻孔的直径与锚杆直径相差过大或者过小时锚杆的锚固力就会很小, 钻孔直径过大时, 锚杆不能有效地刺破树脂药卷和均匀地搅拌混合锚固剂; 过小时锚固剂得不到有效的空间, 只有达到合理的匹配后才能获得最大的锚固力。在保证能够顺利安装的条件下, 树脂药卷的直径应该尽量地增大, 使其能够充分固化, 使锚杆获得最大的锚固力。树脂药卷直径较大时可以减少树脂在孔中的原始长度, 当巷道高度较小时可以使锚杆安装时有足够的空间。由于“三径”匹配不合理使煤巷锚杆支护失效形式主要有: 锚杆与锚固剂同时沿着钻孔壁滑动; 锚杆可以从锚固剂中拔出; 锚固剂被剪切破坏。

2. 5 锚杆支护时间对支护质量的影响。煤矿巷道在开挖后, 围岩的受力状态发生了改变, 由原来的三向变为二向受力状态, 变形和位移开始加大。如果这时得不到及时支护, 就有可能对巷道的安全造成隐患, 准确把握支护时间, 对于巷道支护效果至关重要, 在工程实践中, 一般从放炮到锚杆的安装以不超过4h为宜, 在一些稳定性较差的岩层中, 支护应紧跟工作面, 以不超过2h为宜。

3 喷射混凝土对支护质量的影响

喷射混凝土在煤矿锚喷支护可以防止巷道壁面风化; 加固和改善围岩应力状态; 降低应力集中, 避免应力集中点的有害移动; 混凝土浆液嵌入裂缝, 增强松动岩块间粘结力; 防止危石或者锚杆间危石坠落; 可以使掘进工作面淋水集中, 便于处理。

3. 1 混凝土材料对支护质量的影响。锚喷用混凝土应当采用普通硅酸盐水泥, 这种水泥凝结硬度快, 保水性好, 早期强度增长快。可是火山灰质水泥、矿渣水泥的性质与它相反, 故不宜采用, 且标号以不低于400 号为宜。粗骨料石子使用前应进行筛选, 河卵粒径应不大于25mm, 碎石粒径应不大于20 mm, 级配适中, 应不含有杂质, 实验表明, 选用级配适当的小粒径碎石作为喷射混凝土骨料代替河砂, 可获得良好的喷射混凝土效果。速凝剂的掺量必须严格进行控制, 而且应在喷射前的最短时间内加入, 尽量做到随搅随喷, 否则,对速凝效果和混凝土质量都有不良影响。据实验资料表明, 掺速凝剂后, 混凝土的后期强度会有明显的降低, 与不掺速凝剂时对比, 强度降低20 % ~30%, 抗渗性和收缩性也会有所下降, 当速凝剂的用量大于7% 时, 会产生一种水泥的急凝现象, 会大大降低混凝土的强度。

随着建材行业的快速发展, 一些水泥厂相继研制出来了超早强水泥、煤矸石速凝早强水泥和喷射水泥, 并在井下做了喷射混凝土支护工业性实验, 显示出了速凝、快硬、早强、高强和微膨胀等优良技术性能。

3. 2 混凝土喷射过厚对支护质量的影响。混凝土喷层的作用主要体现在2个方面, 一是起着参与并形成组合拱结构的作用, 为了起到这个作用, 必须是混凝土喷层与围岩紧密结合并伴随着围岩的变形而不发生离层的现象, 所以喷层并不是越厚越好, 随着混凝土喷层厚度的增加, 其刚度也随之增加, 这就使得喷层与围岩容易发生离层现象, 从而最终导致巷道的破坏。二是起到保护巷道不被侵蚀的作用。在工程实践中, 一般巷道混凝土喷层以80mm―― 120 mm 为宜; 对于稳定的巷道, 也可在30mm――50mm 之间; 对于喷层厚度在50mm――100mm以上时, 应该分层喷射, 以达到喷射效果, 并可降低成本。

3. 3 喷射混凝土工艺对支护质量的影响在实际操作中, 由于工作风压、喷头与受喷面的距离、喷射方向等混凝土喷射工艺的问题导致混凝土回弹率高, 目前回弹率一般在30%, 一些矿井甚至高达40%――50% , 严重影响支护质量、成本和劳动效率。

实践表明, 正确的控制喷射风压对于减少回弹率、保证混凝土的质量和降低喷射作业时的粉尘飞扬都有良好的效果。中国建筑科学院曾用下式计算风压:

空载压力= 输料管长度(m) x 0.013 x 105 Pa。

工作压力= 1 + 输料管长度(m) x 0. 013 x 105 Pa。

调节喷头至喷面的距离, 可以保证喷射混凝土的回弹率最小, 并获得较高的喷体强度。距离一般掌握在0. 8m―1. 2m 为宜。喷头喷射方向与受喷面垂直时回弹率最小, 除了喷岩帮侧墙下部时, 喷头的喷射角可下俯100°―150°外, 其余情况始终要与喷射方向垂直。

4 煤矿锚喷支护中应该采取的措施

通过分析锚喷支护中存在的问题, 提出了解决这些问题的一些措施, 为锚喷支护的改进与完善提供借鉴。主要途径如下:

a. 完善锚喷支护的监测工作。锚喷支护是一种隐蔽性很强的工程, 只有完善锚喷支护的监测工作才能确保巷道的安全可靠性。由于理论和技术条件的限制, 锚喷支护技术必然存在支护不足区域, 只有采用各种监测方法, 及时地发现问题, 才能最大限度地控制事故的发生。

b. 选择合理的锚喷支护结构。由于井下地质条件复杂, 岩体结构多变, 在应用锚喷支护技术时必须根据具体情况分析, 因地制宜, 制定合理的锚喷支护结构。开发推广适用性强的锚喷联合支护形式, 如锚喷网支护、锚喷网加型钢联合支护等。

c. 进一步研究锚喷支护机理, 完善支护工艺。研究高强度喷射混凝土及高强度的锚杆、锚索等支护材料, 以解决深部巷道锚喷支护问题。

d. 建立一套合理的锚杆支护设计方法。随着新奥法、收敛约束法在国际上的流行, 美国、澳大利亚等国采用了“地质力学评估- 计算机数值模拟进行初始设计- 现场施工、监测- 信息反馈、修改完善设计“的设计方法。

e. 煤层巷道中采用锚杆与锚索联合支护进行补强。由于煤矿综放面回采巷道断面大, 围岩松软变形大, 采用单一的锚杆支护已难以适应。在煤层巷道中采用锚杆与锚索联合支护, 变得越来越普遍。锚杆与锚索联合支护既能最大限度地发挥锚杆和锚索各自的支护性能, 又能根据其各自的支护特性, 联合取得最大的支护效果。

参考文献

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