煤矿掘进巷道支护技术研究

2018-10-23李菁戈

机械管理开发 2018年10期

关键词：锚索预应力锚杆

李菁戈

（阳泉煤业集团有限责任公司，山西阳泉 045000）

引言

近年来，煤矿支护技术和设备发展迅速，各种支护技术和设备的应用水平也是参差不齐，所以应加强对煤矿支护新技术和新设备的研究，合理利用支护技术确保开采作业安全进行，并降低支护成本，提高企业的经济效益。

1 煤矿支护技术分析

1.1 棚式支护技术

棚式支护属于被动式支护的一种，采用的材料有木质材料、石质材料和金属材料的支架支护，其中木质材料适用于浅部围岩，适用范围有限，且要求支护断面的形状与围岩曲线一致才适用；而石质材料则比木质材料的抗压性能好、安全系数高、变形量小，但是支护成本较高，适用于服役年限较长的煤矿巷道；采用金属材料作支架支护曾经广泛地应用在煤矿支护中，可分为刚性支架支护和可缩性支架支护两种，但是由于其成本较高，受地质环境影响较大，且岩石表层和金属支架之间不能较好的连接，目前应用较少[1]。

1.2 砌碴支护技术

砌碴支护也属于被动支护方式的一种，主要分为混凝土砌块和现浇混凝土两种支护方式，这两种方式都可以在生产厂家进行批量化的生产，在煤矿现场可以进行机械化安装，所以安装使用较为方便，且具有较高的抗压性能和支护强度，但是此技术成本相对较高，适合岩层比较固定的煤矿巷道，而不适合大规模的推广使用。

1.3 锚杆支护技术

锚杆支护技术属于主动支护技术的一种，是目前应用频率最高的煤矿支护技术，其支护作用主要有以下几种：一是悬吊作用，就是将容易发生剥落的尾牙用锚杆悬挂在硬度较高的岩石上，利用锚杆的悬吊力来缓解一部分围岩的重力，从而起到支护作用；二是减跨作用，采用锚杆降低煤矿巷道压力拱的高度和跨度，增加其稳定性；三是组合梁作用，采用锚杆将组合板进行压紧，并将各层板梁结构组成一个整体，使板梁所承受的挤压力和拉伸力分散，从而提高板梁的抗弯强度和承载力；四是围岩补强加固作用，由于巷道不同深度的围岩所受的作用力是不同的，巷道附近的围岩受到两个方向的作用力，使得其抗压强度降低而容易变形，锚杆支护的作用就是将其保持在三向受力的状态下，起到加固作用，提高抗压强度[2]。

1.4 复合支护技术

所谓复合支护技术就是将两个或两个以上的支护技术联合使用的技术，在煤矿巷道的实际施工过程中，根据实际情况，选择不同的组合支护方式，进行优势互补，达到最佳支护效果。常用的复合支护技术有锚杆锚索支护技术，采用锚杆支护提高围岩的抗压能力和承载能力，而锚索则连接围岩与锚杆支护的承载层，增加了承受应力的岩体面积，使支护效果增加。

1.5 联合支护技术

与单独支护相比，联合支护如果运用得当可以取得更好的效果。经常使用的联合技术是锚杆锚索的联合支护技术。在联合支护技术中，锚杆支护主要是利用锚杆等构件对围岩进行一定程度上的支撑，来提高对围岩应力等的承受能力。而锚索的作用则是将围岩本身主要的承载层与由锚杆支护所衍生出的承载层相连接，借此增大了承受应力的岩体面积，使得支护效果更加明显。锚杆锚索联合支护技术可以较好地控制顶板，起到良好的支护作用。在支护的设计过程中，要结合实际情况和技术水平设计好相关参数，提高支护的效益。

2 现阶段井下支护的问题与研究

2.1 现阶段井下支护的问题

现阶段井下支护多以锚杆支护为主，此种支护基本以悬吊理论为基础，其主要是通过把巷道顶板较软的岩层悬吊于巷道顶板较稳定的岩层，来增强较软弱岩层实际的稳定性，进而来达到有效支护矿井巷道的目的，具体如图1所示，这种支护一般较适用于相对较薄的煤层支护，而对于特厚煤层而言，现有支护材料和工艺无法有效达到稳定基岩，大幅降低其支护有效性。

图1 悬吊理论支护示意图

把预应力锚杆装设于拱形巷道围岩或在破裂围岩整体出现位移使锚杆受到拉力作用时，便会有圆锥形分布压应力作用于锚杆体两端，若沿巷道四周来布设多个锚杆群，在锚杆间距很小的情况下，各锚杆产生的压力圆锥体便会出现交错重叠现象，这样便可很好地串联较松散、较破碎的围岩，形成一自承载能力相对较强的整体结构，此结构也就是人们通常所说的组合拱，如图2所示。该结构具有很强的支护能力，但也存在一些不足，比如缺少被加固岩体本身力学行为，同时不能起到深入连索围岩支护的作用[3]。

图2 组合拱支护示意图

而对于一些常规支护工艺而言，其主要是借助组合梁理论来进行支护，这种支护主要是通过把层状巷道顶板岩层视作以巷道两帮为支点的叠合梁。并把锚杆装设于巷道层状顶板上，这样顶板便会从叠合梁进一步变换为组合梁，使顶板岩层实际承载能力增强。其局限性是在于巷道纵向有裂缝时梁的连续性问题和梁的抗弯强度问题。

2.2 针对问题的引深研究

对于松动圈而言，人们可根据围岩松动圈的大小，把围岩松动圈进一步细分为小松动圈稳定围岩Lp＝0～40 cm（喷射混凝土支护），中松动圈一般稳定围岩Lp＝40～150 cm（悬吊）以及大松动圈不稳定围岩Lp＞150 cm三个等级，在实际支护作业中，受岩石性质的影响以及地应力等多种因素的影响，依据支护经验，一般不建议在多项假设的情况下，通过计算的方法来获取围岩松动圈的值。

图3为煤矿巷道锚固前后的应力应变曲线图，对于以悬吊理论为基础的支护工艺基本只考虑到了拉伸这个要素，以锚固区内形成梁、层、拱的结构来应对煤岩应力的变化，其支护条件具有较高的局限性，无法满足煤矿安全高效的要求，所以改善锚固围岩力学性能和应力状态是当务之急。

图3 锚固前后应力应变曲线

2.3 现阶段锚杆支护弊端

现阶段普遍认为锚杆长度增加，有效压应力区范围扩大。而通过一些实验数据和现场支护情况可以得出随着锚杆长度的增加，不仅其中上部的压应力会减小，而且相邻两锚杆间中部围岩的压应力也会减小。随着锚杆长度的增加，预应力作用会逐渐不明显。同时锚杆间排距大小也对支撑产生的应力场有着不小的影响。对此，人们为得到更好的支护效果，大多都在想方设法地缩短锚杆长度与间排距，这些也一直让煤矿生产陷入“高投入、低效率”的泥潭而不能自拔。

3 高预应力强力支护技术

3.1 理论基础

通过科学、合理的布设锚杆，可有效控制锚固区围岩产生的滑动、离层变形以及围岩开裂等破坏，让围岩尽量为受压状态，以更好地抑制围岩产生的弯曲变形及破坏，确保锚固区围岩尽量完整。借助锚杆的有效支护作用，可在锚固区构建一具有较大刚度的承载结构，进一步改善围岩内部实际应力分布情况，以更好地阻止外岩层出现离层现象。锚杆支护系统具有足够延伸率，使围岩连续变形释放。综合理论分析、数值模拟以及日常井下试验，人们得出提升锚杆支护系统的实际支护刚度十分重要。

3.2 具体措施

依据实际支护经验，人们发现对于锚杆支护刚度的提升，可从下列两方面着手：第一，及时支护，并为锚杆施加足够大的高预应力，同时让这部分高预应力实现科学、合理的扩散；第二，增加锚固长度，最好进行全长锚固，提升锚杆对巷道围岩离层及错动的敏感性，以第一时间及时抑制巷道的各种变形。在锚杆支护作业中，锚杆预应力的大小会直接影响到实际支护效果，在进行锚杆支护设计作业时，应重点做好锚杆预应力的设计工作。同时预应力的扩散也十分重要，若用单根锚杆进行支护作业，其实际作用范围相对较小，在实际支护作业中，应借助托板以及钢带等部件，把锚杆支护的预应力扩散到支护区四周的围岩。对于深部巷道采用的高预应力强力锚杆支护作业而言，在实际施工中，应尽量通过一次支护来有效控制围岩变形，最好不要进行二次支护。

3.3 现场工业性试验

一矿81303回风巷进行了220 m区段试验，主要支护材料及工艺变更为，顶部由280型W钢带替220型，钢带上全部施工锚杆，锚杆屈服强度由400号、500号代替335号Φ20～Φ22 mm直径的左旋螺纹钢式锚杆，钢带与钢带进行空顶距施工，300×300×16高强度可调心托板配Φ17.8-1×7-1860 MPa或Φ21.6-1×7-1770MPa及相对锚具进行二三迈步施工，帮部采用150×150×10的高强度可调心托板配套锚杆，屈服强度由400号、500号代替335号Φ20～Φ22 mm直径的左旋螺纹钢式锚杆。该方案降低了原来排见锚索的高成本投入，经过五个月动压观测，发现巷道顶板及两帮变形得到了有效控制，巷道变形量比较之前相对减小，证实了新高强支护理论是煤矿安全高效的新理论、新基础。