锚杆支护技术在“三软”煤层中的应用

摘要:本文介绍了锚杆支护的原理和软岩的性质,分析了“三软”煤层巷道的支护特点,重点论述锚杆支护技术在“三软”煤层中的应用。

关键词:三软煤层 锚杆支护 应用

随着开采深度增加,给支护带来了困难。对于软岩和三软回采巷道支护,问题则更加突出。锚杆支护不仅在硬岩中应用,软岩层也可以使用。由于锚杆支护较U型钢棚式支护具有明显加固围岩效果,在煤巷中得到越来越广泛的应用。当前我国在深井软岩层、构造带软岩层、第三纪软岩层中,广泛推广各种锚杆联合支护形式,维护巷道的稳定性。

1、锚杆支护原理

锚杆支护是由锚固在巷道四周钻孔内的系列杆体（木质体、金属件、钢筋混凝土件和聚合物件等）系统组成的,这些杆体配以支撑件和背板,靠它们的锚固力和向颜体稳定部分的悬吊作用,防止破碎岩石冒落。

(1)悬吊作用。锚杆能把巷道不稳定的直接顶板的岩层或可能冒落的岩层悬吊在冒落拱外的坚硬稳定的老顶岩层上。一般称为“钉钉子”和“串糖葫芦”。

(2)组合梁作用。在层状岩石的巷道顶板中锚杆打入围岩后,将薄弱岩层象“纳鞋底”一样铆合起来,成为一个整体,组成一个岩石板梁,从而提高了顶板岩层的强度和刚度,增加了抗弯性能,锚杆打多深,就等于砌了多厚的碹。

(3)挤压加固作用。锚杆打入围岩,将松散破碎的岩块穿连,挤压锚固在一起,可以平衡岩石内所产生的拉应力,阻止裂隙继续扩大,而且构成具有一定承载能力的挤压岩拱圈。

(4)加固拱作用。对于被纵横交错的弱面所切割的块状或破裂状围岩,如果及时用锚杆加固,就能提高岩体结构弱面的抗剪强度,在围岩周边一定厚度的范围内形成一个不仅能维持自身稳定,而且能防止其上部围岩松动和变形的加固拱,从而保持巷道的稳定。兰格通过光弹性试验,证实了加固拱的形成。在弹性体上安装具有预拉力的锚杆,一方面对围岩产生应力,增加岩体节理裂隙面的摩擦力,另一方面预张力将岩块夹持在一起,能防止岩块的相对转动滑移和裂隙的张开,保证了裂隙面间的挤压结合。因为在弹性体内便以锚杆的锚夹和拧紧部为顶点,形成算盘珠式分步的锥形体压缩带。如将锚杆以适当间距排距,使相邻锚杆的锥形体压缩带相重迭,便可形成连续压缩带,即岩石加固拱,它使巷道围岩由“载荷”变成了“承载结构”。

(5)围岩补强作用。巷道围岩深部的岩石处于三向受压状态。靠近巷道周边的岩石则处于二向受力状态,故易于破坏而丧失稳定,巷道周围安设锚杆后,有些岩石又部分地恢复了三向受力状态,增大了它本身的强度。另外,锚杆还可以增加岩层弱面的剪断阻力,使围岩不易破坏和失稳,这就是锚杆对围岩的补强作用。

(6)减小跨度作用。巷道顶板打了锚杆,相当于在该处打了点柱,减少了顶板跨度,从而增强了顶板岩石的稳定性。

以上几种作用原理不是孤立地显现的,实际上是共同作用,互相补充的。

2、软岩的特征

将一些松软、破碎、膨胀及风化的岩层称为松软岩层,简称为软岩,这类岩层具有松、软、胀的特征。软岩基本性质是:(1)岩体强度低。有软弱面,层面抗剪强度低。(2)水理性差。软化系统仅为0.2~0.5左右,浸入水中很快崩解,丧失承载能力,自由膨胀率可达20%以上。(3)有膨胀性。从周围空气中吸收水分,使岩体膨胀,个别岩石膨胀后为原体积的8~10倍。(4)岩体变形快。具有明显的蠕变特性,变形速度快,变形量大,围岩变形具有明显的时间效应。(5)易风化。对温度、湿度反应敏感,围岩岩体暴露后,在短时间内即失去稳定,呈强风化状态。(6)吸收性很大。从周围吸收水分的能力强,特别是粘土性岩石。

3、“三软”煤层巷道的支护特点

由于顶板岩石强度低、分层薄,在支护过程中,暴露部分容易破碎,形成大的网兜,在顶板垂直压力和水平应力的作用下,煤帮整体性易遭到破坏,巷道底板的煤层和强度较低的直接底在巷道支护过程中底臌现象严重。在“三软”煤层巷道的锚杆支护中,充分利用锚杆支护对锚固区内岩石的夹持和加筋作用,有效地改善围岩体的力学性能,提高岩体的内聚力、内磨擦角和岩石的残余强度。同时利用支护过程中顶板、两帮、底板的变形相互联系,相互影响的作用机理,通过锚杆支护把一定范围的帮、顶岩石连接形成一种承载和抗变形结构以达到控制巷道底臌,减少巷道围岩变形的目的。

4、锚杆支护技术在“三软”煤层中的应用

4.1 软岩支护原则

(1)及时封闭围岩,防止围岩风化和潮解;(2)及时采用锚杆支护,提高围岩自稳能力;(3)采用圆对棚、U36型钢封闭支护,并配合围岩注浆技术。

4.2 施工方法

(1)按照支护合理、经济可行的支护原则,选择复合支护型式。(2)支护强度和可缩量是软岩支护的2个最为重要的参数。(3)二次支护时机的选择很重要。(4)采用围岩注浆技术,能有效地改变围岩岩性,提高围岩自身承载能力。

4.3 应用效果

(1)安全可靠。采用U型棚可缩性支架支护,使煤岩体内的矿压得到了有效释放,u型棚之间通过连板构成一个整体,使支架支护的稳定性得到了明显增强。如果支架上方出现空顶或未支撑好,相邻支架通过前后连板使该处支架整体支护顶板,避免了倒架现象。

(2)改善作业环境,减轻劳动强度。采用u棚可缩性支架支护配合松帮卸压孔施工,比传统的工字钢棚支护减少了很多工序。如原来的工字钢棚支护,一般需维修3～5次,需拆卸工字钢棚梁并需打抬棚支护等;采用u型棚支护后,一般只需维修1次,免去了多次人工回柱、回梁、搬运等繁重的体力劳动。采用u型棚支护的巷道高度一般能达到2.4m,为工作面行人、运料创造了良好的作业条件。

(3)提高工效,降低费用。按照掘进巷道的生产费用评价使用锚杆支架的经济技术的优越性:它比棚式支架花钱少,重量轻75%-89%,由于支护的工作量和材料运输劳动量的减少,提高了巷道掘进速度,降低了单位电耗和折旧率。

5、结语

总之,锚杆支护技术应用于“三软”煤层巷道中,基本上满足了困难地质条件下支护的要求,使支护率达到85％以上,真正实现了“三软“煤层的支护,改善了矿井的作业环境,提高了支护的安装速度,减轻了工人的劳动强度,促进了矿井高产高效的发展。

参考文献

[1]侯朝炯,郭励生,勾攀峰等.煤巷锚杆支护[M].徐州:中国矿业大学出版社,1999.