煤矿矿井中巷道锚杆支护技术

时间:2022-06-25 09:34:28

煤矿矿井中巷道锚杆支护技术

[摘 要]煤矿巷道支护经历了木支护、砌碹支护、型钢支护到锚杆支护的漫长过程。实践证明,锚杆支护是巷道经济、有效的支护形式。煤矿安全生产需要可靠的巷道支护作保障。确保巷道支护的安全性、经济性、稳定性是创建安全高效矿井的前提条件。因此,分析研究锚杆支护技术具有重要的意义。

[关键词]巷道 锚杆 支护技术

中图分类号:U455.7+1 文献标识码:B 文章编号:1009-914X(2014)30-0047-01

1 锚杆支护原理

锚杆是一种安置于巷道围岩体内的杆状锚栓体系。运用锚杆支护的巷道,实际就是在巷道掘进后向围岩中打锚杆眼,随后将锚杆安装在锚杆孔内,对巷道进行加固,起维护巷道稳定性的作用。

我国锚杆支护技术经历了低强度锚杆―高强度锚杆―高预应力和强力锚杆支护的阶段。

(1)锚杆支护的主要作用在于控制锚固区围岩的分离层、滑动、裂纹张开、新裂隙产生等变形与破坏,尽可能使围岩处于受压状态,以限制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破坏的出现,最大程度地维持锚固区围岩的完整性,提高锚固区围岩的整体强度与稳定性。

(2)在锚固区形成刚度较大的次生承载结构,阻止锚固区外岩层离层,改善围岩深部的应力状态。

(3)锚杆支护的刚度十分重要,其中锚杆预应力起着决定性作用。根据巷道围岩条件确定合理的锚杆预应力是支护设计的关键。当然,较高的预应力要求锚杆拥有较高的强度。

(4)锚杆预应力的扩散对支护效果同样重要。单根锚杆预应力的作用范围很有限,必须通过托板、钢带(钢筋梯子梁)和金属网等构件将预应力扩散到离锚杆更远的围岩中。钢带、金属网等护表构件在预应力支护系统中发挥重要的作用。

(5)在复杂困难巷道中,采用高预应力、强力锚杆组合支护系统,同时要求支护系统有一定的延伸量。高预应力要求锚杆预应力达到杆体屈服强度的30%~50%;强力锚杆要求杆体有较大的破断强度。

(6)锚索的作用主要有两个方面:一是将锚杆形成的次生承载结构与深部围岩相连,提高次生承载结构的稳定性;二是锚索施加较大预紧力,挤压和压密岩层中的层理、节理裂隙等不连续面,增加不连续面之间的抗剪力,从而提高围岩的整体强度。

(7)锚杆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。造成人力、物力、财力的二次使用,间接提高锚杆支护成本。

2 锚杆支护组成及作用

锚杆支护由锚杆杆体、托板、螺母、锚固剂、钢带及金属网等构件组成,锚杆支护的作用是由这些构件共同完成的。

2.1 锚杆杆体的作用

对于锚杆杆体本身来说,由于杆体长度方向的尺寸远大于其他两个方向的尺寸,所以力学上属于杆件。这种构件主要可以提供两方面的作用,首先是抗拉,其次是抗剪。至于杆体的抗弯能力和抗压能力是微小的,可以忽略。

2.2 托板的作用

托板是锚杆的重要构件,对锚杆支护作用的发挥影响很大。托板的作用可分为两方面:通过给螺母施加一定的扭矩使托板压紧巷道表面,给锚杆提供预紧力,并使预紧力扩散到锚杆周围的煤岩体中,从而改善围岩应力状态,抑制围岩离层、结构面滑动和节理裂隙的张开,实现锚杆的主动、及时支护作用;围岩变形使载荷作用于托板上,通过托板将载荷传递到锚杆杆体,增大锚杆的工作阻力,充分发挥锚杆控制围岩变形的作用。

2.3 锚固剂的作用

锚固剂的主要作用是将钻孔孔壁岩石与杆体黏结在一起,使锚杆发挥支护作用。同时锚固剂也具有一定的抗剪与抗拉能力,与锚杆一起加固围岩。

2.4 钢带(钢筋梯子梁)的作用

(1)锚杆预紧力和工作阻力扩散作用。

(2)支护巷道表面和改善围岩应力状态作用。

(3)均衡锚杆受力和提高整体支护作用。钢带将数

2.5 网的作用

(1)维护锚杆之间的围岩,防止破碎岩块垮落。

(2)紧贴巷道表面,提供一定的支护力,一定程度上改善巷道表面岩层受力状况。

(3)网不仅能有效控制巷道浅部围岩的变形与破坏,而且对深部围岩也有良好的支护作用。

3 锚杆支护参数的确定方法

3.1 悬吊机制及围岩条件

在层状岩体中,锚杆将下部不稳定岩层悬吊在上方稳固的岩层上,锚杆承受的负荷为下部不稳定岩层的重量。典型情况是顶板上部1~1.8m处有一厚层坚固岩石,下部是比较完整的层状弱岩层。如没有上述坚固岩层,也可使用免压拱高或者破碎带高度以外的非破碎稳定带概念替代。

3.2 组合梁机制及围岩条件

组合梁理论认为,在层状岩层中,锚杆的作用是提供轴向和切向约束,阻止岩层产生离层和相对滑动,将若干薄岩层锚固成一个较厚的岩层,形成组合梁。与不锚固岩梁相比,组合梁的最大弯曲应变和应力都将大大减少,从而提高巷道顶板的稳定性。通过计算组合梁所必需的承载能力确定锚杆支护参数。

在没有坚硬厚层的薄装岩层中,通过锚杆的预拉应力,视为叠合梁的各薄层挤紧,提高自称能力。杆状体系受岩层错动趋势所产生的剪应力。

3.3 三铰拱机制及围岩条件

在被裂隙切割的块状围岩中,锚杆将危石悬吊,形成类似三铰拱的稳定结构,不但是岩石不会掉落,而且能承受在和的整体结构。

3.4 组合拱机制及围岩条件

运用点锚固形式的锚杆预拉应力可以形成一锚杆两端为顶点的压缩区。如把锚杆用适当的间距沿着拱形断面系统安装,可在巷道周边形成连续的均匀压缩带作为承载结构,同时将应力向两侧深部围岩传递。

4 锚杆支护设计方法

4.1 悬吊理论分析设计法

4.2 自然平衡拱理论分析设计法

自然平衡拱理论认为,巷道开掘后,围岩失去了层间联系。在上覆岩层压力作用下,浅部围岩发生破坏,而在深部一定范围内形成自然平衡拱。

4.3 组合梁理论分析设计方法

4.4 加固拱理论分析设计方法

加固拱理论认为,在锚杆锚固力作用下,每根锚杆周围形成一个两头带圆锥的筒状压缩区,各锚杆所形成的压缩区彼此联成一个一定厚度的加固拱(或均匀压缩带)。该拱(带)具有较大的承载能力和一定的可缩性,能够起到有效支护巷道的作用。

4.5 锚杆支护动态信息设计法

动态信息法具有两大特点:其一,设计不是一次完成的,而是一个动态过程;其二,设计充分利用每个过程中提供的信息,实时进行信息收集、信息分析与信息反馈。

动态信息设计方法包括5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。

5 锚杆支护的施工和检验

锚杆支护施工主要工序为,钻孔与安装锚杆。打孔时,孔位、孔深、角度必须符合设计要求。钻孔完成后进行锚杆的安装工作。

检验需满足以下条件:孔深度要与锚杆的长度配合适当;孔的直径与锚杆直径配合得当;安装托板要尽量将岩面找平;螺帽要使用扳手拧紧,使得杆体产生较大的预应力;锚杆质量检查。

综上所述,煤矿矿井支护有架棚、料石砌碹、锚杆等一系列的支护形式,架棚、料石砌碹等支护是被动支护,成本高、进度慢、消耗大、支护效果不好等因素,逐渐淘汰。锚杆支护实现安全、快速、经济等优点。在矿井支护中占据主导地位。

参考文献

[1] 张爱英,陈弦.煤巷锚杆支护参数设计与应用[J].煤矿支护,2009,(2).

[2] 周贤山,杨科,贝庆丰.深部煤巷锚杆支护可靠性研究[J].煤矿支护,2006,(4).

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