针对大断面巷道锚杆支护参数改进的研究

2016-08-07祖贺军

大科技 2016年1期

关键词：煤岩采区岩层

祖贺军

（河南理工大学 454010）

针对大断面巷道锚杆支护参数改进的研究

祖贺军

（河南理工大学 454010）

锚杆锚索支护技术取得了一定的进步，通常情况下锚杆锚索支护技术处在巷道下的技术已十分完善。解决好矿井开采的安全技术与扩大其开采范围的重要措施在于如何处置大断面、大跨度的支护问题。本文归纳出支护参数设计措施，其主要是针对大断面杆锚索。

耦合支护；顶板；锚杆支护；数值模拟

引言

矿井能够使产量与效率保持高水平的必要前提在于巷道支护有效而合理的保护，对于煤矿安全生产来讲，锚杆支护技术起到了举足轻重的作用。锚杆支护方式的大规模应用使煤矿企业在技术与经济上取得了极大的突破，而这主要源于锚杆支护方式的下列特点：费用少、率效高、支护效果佳，巷道支护以后的发展趋势必将是锚杆支护。

本文所采用的工程实例为南屯煤矿三采东区回采巷道支护，进一步分析了大断面、大跨道巷道锚杆支护。概括出的矩形巷道围岩塑性区的确定措施主要依据在于对锚杆（索）支护机理展开探讨，而这种针对大跨度巷道的锚杆设计方法立足于实际。

1 工程概况

现阶段对南屯煤矿开采水平保持在3上煤和3下煤服务的-350m主水平，为16上煤和17煤服务的-432m主水平，同时还包括5个铺助水平，即-290m、-440m、-260m、-670m、-537m。把厚、中煤层、矿井厚概括为12个采区，在1984年开始广泛应用综合机械开采技术，矿井对采区合并技术进行了完善与创新，主要是为了促进综采机械化生产技术的发展。十二、十一、十、九采区重组成为九采区，八、七、六采区重组为七采区；五、四、三采区合并为三采区；二、一采区重且为一采区。目前，一采区已开采结束且停止使用，而九采区与七采还在正常使用当中。

2 巷道不平衡受损机理

巷道工程不平衡状况的出现本身与地层压力的效应相一致，假设不同次数的应力量值远远大于一些围岩的强度极限或塑性极限或对围岩的塑性状态有明显的作用性，那么围岩将会出现明显的松碎和变形，破裂和破坏等情况，地层压力就会显现出来。地层压力效应直接影响着地下工程进展后的工作状况，围岩和二次应力发生的形变，所产生的强度是难以估计的。地层压力包括了膨胀压力和形变压力及松动压力等。地下工程不平衡受损的原因是这三种压力跟围岩之间形成的支护结构的结果，假设巷道工程得不到适时的支护。形变压力对围岩的作用力表现在其能够引起围岩的不平衡受损并演变为松动压力。

煤层地下工程包含的一些矿物质具有膨胀特性，而这些矿物质往往藏在巷道围岩中里面，像高岭石和伊利石及蒙脱石等。在动工时，岩体与水相遇但仍可探测到整体的膨胀变形及移动。在一定支护结构的压力下，膨胀变形将会产生另一种压力。出现这种情况的原因跟围岩的颗粒细有关，围岩的毛细管是互通并有着一定的吸水性，岩体的体积随即增大并移往地下工程内空的位置，造成支付结构的影响。

3 煤岩巷道工程支护原则

煤岩巷道支护以实际工程作为问题分析的支撑，并没有绝对的标准化支护。煤岩不论从宏观地质上分析还是从微观上分析，都有着极大的差别。因此，其所需要的支护对策也是有针对性选择的。煤岩工程与支护的稳定，必须对煤岩的形变力学有足够的把握，掌握煤岩工程变形的原因，才能针对性地实施科学的支护措施。

4 锚杆（索）支护设计理论和方法

悬吊理论显示把锚杆支护应用到巷道顶板不强的岩层悬吊上，使岩层得以稳定。

4.1 巷道支护机理分析

根据目前的锚杆支护理论，对锚杆支护起到支撑的理论包括悬吊理论和组合梁理论及加固拱理论。现在柠条塔煤矿面临的状况是锚杆支护的稳定和扩容工作。

由围岩现存的破坏变形情况可得知锚杆支护的稳定和扩容情况，包括：

（1）巷道围岩破坏变形规律的不同时段表现存在明显差异。所以锚杆支护的受力情况要受巷道的影响。

（2）锚杆最初用于对破碎岩块的掉落造成阻力，使表面围岩得以稳定，使岩层弯曲及压曲得以平衡。锚杆安装的及时能够对支护结构起到较好的作用。

（3）时间越长，巷道围岩的平衡受损表现得越明显。如果锚杆装进稳定岩层，那么岩层和稳定层紧靠在一起，有效地加强了巷道的稳定性。由于锚杆提供切向和径向力量，岩层的扩容和离层及滑动得到了很好的控制，因而其承载能力也得到了相应的提高。

（4）锚杆未进入稳定岩层时，将在破坏区内形成次生承载层，它有助于上部完整岩层的巩固和稳定，同时，围岩深部应力将趋于内移及均匀。

（5）次生承载层厚度的因素并不是唯一和静止的。如果比巷道尺寸小，那么就要跟压曲及弯曲的不平衡性相联系。

（6）钢带和钢筋托梁的使用是对锚杆间的破碎岩块进行加固的。锚固区岩层的扩容和离层，其受力情况不断加大，对锚杆间围岩的扩容和离层形成一定的阻力，不断加大次生承载层的承载力和厚度。

4.2 煤矿巷道顶板锚杆作用机理

从组合梁理论中可以得知，顶板岩层如果有不同的分层，顶板锚杆负责加大不同岩层的锚固力，使摩擦增大，从而减轻岩石沿层面滑动，使各岩层的分离现象得以控制；另外，锚杆杆体有效防止岩层间的水平滑动，把巷道顶板中的薄岩层锁紧，形成一个较厚的岩层体，叫做组合梁。

依据该理论进行顶部锚杆计算，梁的载荷如下：

p0=γ1gH

式中：W01——巷道顶部的宽度，m；

H——锚杆加固长度，m。

岩梁安全工作的条件为：

锚杆长度最小应为l=h2+3p0锚杆外露长度。

式中：3p0是巷道顶部锚杆加固范围内薄弱岩体的抗拉强度，MPa。

4.3 煤矿巷道锚杆支护组合拱（压缩拱）理论

根据组合拱理论可知，拱形巷道围岩的破裂区的预应力锚杆，把压应力集中在杆体两端，形成圆锥形。假设巷道四周安装的锚杆群，并且锚杆的间距小到一定的范围，压应力圆锥体形成交错，岩体中将会出现一种均匀的压缩带，这种压缩带也称为承压拱。承压拱的承受能力足以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载。承压拱的受力处于三向应力状态，三向应力状态是一种均匀的应力状态，这样围岩强度得到一定的加强，同时支撑能力也得到有效的巩固。

4.4 构造应力作用理论

澳大利亚学者盖尔（W.J.Gale）提出的最大水平应力理论也就是构造应力作用的理论。矿井岩层的水平应力一般比垂直应力大，水平应力有着明确的方向性，水平应力的最大与最小差额一般为1.5～2.5倍。水平应力跟巷道顶底板的稳定性密切相关，其特征表现如下：

（1）顶底板稳定性最好的是的跟最大水平应力平行的巷道，其受水平应力作用最小；

（2）顶底板变形破坏偏向巷道某一帮的是跟最大水平应力呈锐角相交的巷道；

（3）顶底板稳定性最差的要数跟最大水平应力垂直的巷道。