软岩巷道锚网支护失效机理分析

种德雨,张 杨,刘建明,王贝贝

(中国矿业大学)

软岩巷道锚网支护失效机理分析

种德雨①,张 杨,刘建明,王贝贝

(中国矿业大学)

随着采深的增加,软岩巷道的支护问题日益突出。锚网支护在软岩巷道的支护中有着广泛的应用。在巷道支护实践中存在着锚网支护失效的现象,本文从理论上阐明锚网支护失效的原因,为软岩巷道的锚网支护提供理论指导。

软岩巷道;锚网支护;失效;机理;分析

煤巷支护是安全生产的保障。随着煤炭工业的发展,开采深度的增加,软岩巷道支护问题日趋突出。多年以来,巷道支护经历了多次变革,从架棚、砌碹到现在的锚杆锚网支护形式。锚网支护是一种主动的支护方式,相对于金属棚等被动支护更能有效地控制巷道的初期围岩变形,并充分利用预应力支护结构的柔性特点,在保证有效支护阻力的条件下高阻让压,使支护结构与岩体产生少量位移,释放掉部分能量,实现对外层结构的适应性让压,同时能够在大变形中保持整体稳定性,最大限度地调动和利用围岩自身的承载能力,具有适应性强,支护效果好,安全可靠,施工人员劳动强度减小,可卸载巷道部分压力及位移等优点,成为广泛应用的软岩巷道的支护形式。但是,在某些矿区也存在着锚网支护失效的现象,锚网支护失效往往是由于锚杆支护失效、支护参数设计、岩体结构、风化作用、金属网的规格、锚杆的施工质量等因素导致,也可能是多种因素综合作用的结果。

1 锚杆支护失效

1)锚杆支护参数设计不合理。锚网支护的关键是确定锚杆的支护参数。锚杆预拉力大小对顶板支护起着重要的作用,提高锚杆预拉力,建立整体顶板,可防止围岩离层、冒落。锚杆支护参数设计包括:锚杆种类、锚杆几何参数、锚杆力学参数、锚杆密度(锚杆间、排距)、锚杆安装角度、钻孔直径、孔深、锚固方式和锚固长度、锚杆预紧力矩或预紧力、锚杆锚固力拉拔试验结果。支护参数设计的合理性直接影响到锚杆支护的效果。支护参数设计可以采用工程类比法、数据模拟法进行支护设计,设计本身不可能将各种地质变化情况考虑在内,这就存在一定的局限性。在施工过程中,遇到特殊地质情况后,如果不及时修正支护参数设计,最终可能导致煤巷锚杆失效。

2)地质因素影响。当煤层掘进巷道遇到地质变化,如:松软岩层、断层、褶曲、无炭柱、冲刷带、顶板淋水增大、应力集中等情况,顶板多数较为破碎,且岩性松软、硬度降低,致使锚杆在岩体中的锚固距离内不能形成有效的锚固力,顶板来压后,煤巷锚杆失效造成顶板离层,导致顶板事故。

煤层节理、裂隙发育也是造成煤巷锚杆失效的原因之一。

3)煤巷锚杆支护材质的影响。支护材质质量的好坏直接影响到支护质量的优劣。支护材质包括的方面很多,其中锚杆杆体、锚固剂、锚杆托盘、螺母等是比较重要的几项,它们的规格、性能、强度与结构的匹配至关重要。煤巷锚杆支护用品的内在质量检测试验,必须由专门的质检部门负责对每批次支护用品的材质、物理化学性能、机械性能等行业标准、支护设计要求的有关指标进行检测试验,提出检测报告。

2 锚杆支护理念

目前,指导锚网支护的多种理论(悬吊、组合梁、组合拱及最大水平应力理论等)从不同的方面解释了锚杆的支护机理,并提出了各自的锚杆支护参数计算公式。根据某种支护原理计算出的锚杆支护参数是针对某一种理想的特定围岩岩性和岩体结构所采取的支护形式。在施工中支护的围岩岩性和岩体结构在不断变化,此时如果盲目强调其中的一种理论,计算出的数值就会与现场要求的支护参数产生极大的偏差,继而影响巷道的支护效果,即单一的支护理论存在一定的局限性、片面性。实践表明,在井下施工中,理论计算只能作为支护设计的主要参考依据,此外还要辅以工程类比、巷道动态观测参数,严密监控顶板的变化情况,及时汇总、分析,并根据现场情况及时调整支护参数,使巷道支护最大限度地贴近顶板支护实际要求,从而达到最佳的支护效果。

3 岩体结构

锚网支护的对象是围岩和各种弱面组成的工程岩体,岩体中的弱面主要有层理、节理、裂隙、构造滑面、软弱薄夹层等。这些弱面的共同作用决定岩体结构特性,而岩体结构决定了岩体的强度和在外力作用下的变形破坏方式。工程实践表明,各种构造弱面和软弱薄夹层对支护系统稳定性的影响比岩体本身影响更大。事实上,对各种弱面和软弱薄夹层的存在未能及时发现和采取针对性的加强支护措施,则是发生顶板事故的重要原因。

采用锚网支护弱面发育、破碎的围岩,关键是控制弱面,使被频繁切割、性状不规则的各岩块间相互紧密结合,始终保持弱面之间的摩擦阻力。

4 风化作用

煤巷锚网支护手段完善和支护强度的提高,使锚网巷道的服务年限大幅度延长,这为开拓、准备等服务年限较长的巷道布置给予了有力的技术支持,现已逐渐成为矿井设计的一个发展趋势。目前,煤巷锚网多采用金属网护帮、顶,用以阻止所支护岩石的脱落,并对围岩起到封闭作用,但对于长期服务的锚网巷道,随季节的更替,巷道内湿度会不断变化,加速了巷道围岩和支护材料的风化,逐渐腐蚀失效,表层围岩开始剥落。如果不采取措施,被破坏范围会不断扩大,进一步导致支护失效,并最终演变为顶板事故。解决这些问题的办法:

1)通过使用全长锚固排出锚杆孔中的空气,以阻止深部岩层的风化和锚杆腐蚀。

2)采用塑料锚网或对金属锚网巷道进行喷浆封闭,即可封闭水源、隔绝空气,防止岩层、支护材料进一步氧化破坏,同时提高了巷道围岩弱面的强度和变形模量,对支护体有一定的加固作用。

5 铺设金属网

金属网的主要作用:

1)能够有效控制锚杆之间非锚固岩层的变形,托住挤入巷道的岩石,防止碎裂岩体垮落。

2)将锚杆之间非锚固岩层载荷传递给锚杆。

3)金属网托住已碎裂的岩石,虽然巷道周边围岩已破裂,由于碎石的碎胀作用和传递力的媒介作用,使巷道深部岩体仍保持三向应力状态,大大提高岩体的残余强度。

高应力软岩巷道中顶部容易发生破碎,金属网的作用就是防止冒顶,所以考虑到金属网的规格足够网住可能破碎的石块,如果金属网被撕破,顶部冒落就会破坏组合拱的整体效果,也可能导致支护的失效。

6 锚杆的施工质量

锚杆支护的施工工艺较为繁琐,人为因素影响较多,如钻孔直径、锚固剂直径、锚杆直径三者之间的匹配,锚杆孔内粉末的处理情况,树脂药卷的搅拌时间,锚杆的安装角度,锚杆预紧力的大小,托盘与煤壁接触的紧密程度等。每道工艺过程的实施都对锚杆的支护质量有较大的影响,因此,众多的人为因素是造成锚杆失效的原因之一。

7 结束语

在软岩巷道支护问题中,锚网支护是一个复杂而又细致的工作,要综合考虑到各种影响因素,根据巷道的实际情况并结合理论知识,采取合理经济的支护方式,实现安全生产。

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Analysis of Bolt Mesh Support Failure in Soft Rock Roadway

Zhong De-yu,Zhang Yang,Liu Jian-ming,Wang Bei-bei

With the depth of mining deepened,the problem in support of soft rock roadway becomes increasingly prominent.The bolt mesh support plays a wide role in support of soft rock roadway.Because there are likely to be losing effectiveness phenomenon of boltmesh support in the practice of roadway suppert,the passage will clarify the factors of these losing effectiveness phenomenon academicly as follow in order to provide theoretical guide for boltmesh support in soft rock roadway.

Soft rock roadway;Bolt mesh support;Failure;Mechanism;Analysis

book=4,ebook=108

TD353.6

B

1672-0652(2010)04-0029-02

2010-02-24

种德雨 男 1987年出生 2007级中国矿业大学矿业工程学院在读本科生 徐州 221116