對(duì)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的探討分析

摘要:本文就影響錨桿支護(hù)效果的因素和提高錨桿支護(hù)安全可靠性的措施作以分析，以便和同行交流學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞:煤巷 支護(hù) 技術(shù) 分析

0 引言

煤巷錨桿作為一項(xiàng)技術(shù)上先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上合理的巷道支護(hù)技術(shù)，因其具有支護(hù)效果好、支護(hù)成本低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低、作業(yè)環(huán)境好、安全可靠等優(yōu)越性，近年來(lái)在煤礦回采巷道支護(hù)中得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，帶來(lái)了巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，1995年國(guó)有重點(diǎn)煤礦當(dāng)年新掘煤巷中錨桿支護(hù)比重僅為15%左右，而且主要使用在圍巖條件比較簡(jiǎn)單的Ⅰ、Ⅱ類回采巷道;到2003年煤巷錨桿支護(hù)比重達(dá)到30%以上，其中國(guó)有礦井已達(dá)到50%以上，而且逐漸推廣應(yīng)用到圍巖條件復(fù)雜的Ⅲ、Ⅳ類巷道，使我國(guó)煤礦巷道支護(hù)技術(shù)發(fā)展到一個(gè)嶄新的階段。美國(guó)、澳大利亞等一些國(guó)家對(duì)錨桿支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了全面的研究，取得了良好的效果，但是，這些國(guó)家的開(kāi)采地質(zhì)條件相對(duì)較好，開(kāi)采深度小，與我國(guó)煤礦巷道條件有較大的區(qū)別。我國(guó)煤礦的軟巖地層分布十分廣泛，，已初步地將錨梁網(wǎng)、錨噴網(wǎng)、錨索等應(yīng)用到軟巖巷道支護(hù)中，但采準(zhǔn)巷道還要經(jīng)受采動(dòng)的頻繁影響，大部分巷道服務(wù)年限內(nèi)的圍巖變形量都很大，錨桿支護(hù)的安全可靠性仍是尚待解決的難題。因此，本文就影響錨桿支護(hù)效果的因素和提高錨桿支護(hù)安全可靠性的措施作以分析，以便和同行交流學(xué)習(xí)。

1 國(guó)內(nèi)錨桿支護(hù)理論的發(fā)展

錨桿支護(hù)技術(shù)在20世紀(jì)40年代美國(guó)、前蘇聯(lián)就已在井下巷道中使用。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，美國(guó)、澳大利亞等國(guó)錨桿支護(hù)使用很普遍。錨桿支護(hù)機(jī)理研究隨著錨桿支護(hù)實(shí)踐在不斷發(fā)展，在支護(hù)理論方面，目前，國(guó)內(nèi)較成熟的錨桿支護(hù)理論主要可歸納為4大類:

1.1 基于錨桿的懸吊作用而提出的懸吊理論，該理論認(rèn)為把由于開(kāi)挖、爆破等造成的松動(dòng)巖塊穩(wěn)固(懸吊)在穩(wěn)定巖層上，防止破碎巖塊的冒落，在堅(jiān)硬節(jié)理發(fā)育的巖塊處，錨桿通常起這種作用。

1.2 基于錨桿的擠壓作用提出的組合梁理論，其實(shí)質(zhì)是通過(guò)錨桿的徑向力作用將疊合梁的巖層擠緊，增大層間的摩擦力，同時(shí)錨桿的抗剪能力也阻止層間錯(cuò)動(dòng)，從而將疊合梁轉(zhuǎn)化為組合梁。

1.3 基于錨桿的加固作用提出的組合拱理論，該理論認(rèn)為錨桿能限制、約束圍巖土體變形，并向圍巖土體施加壓力，從而使處于二維應(yīng)力狀態(tài)的地層外表面巖土體保持三維應(yīng)力狀態(tài)，錨桿的組合拱作用機(jī)理是錨桿制約圍巖縱向和橫向變形的能力的組合。

1.4 國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)錨桿作用機(jī)理做了大量的深入研究與探討，綜合錨桿各方面的作用而提出的松動(dòng)圈支護(hù)理論、錨固體強(qiáng)度強(qiáng)化理論、典型類比分析法、錨注理論、最大水平應(yīng)力理論以及錨桿桁架支護(hù)理論等。

2 影響錨桿支護(hù)技術(shù)的因素

2.1 現(xiàn)有錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法的欠缺 目前煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)主要以工程類比法和理論分析法為主。采用工程類比的方法，憑經(jīng)驗(yàn)，缺乏科學(xué)的設(shè)計(jì)依據(jù)。采用理論分析法時(shí)，在井下工程實(shí)踐中，各種條件不斷發(fā)生變化，無(wú)論采用哪種設(shè)計(jì)方法，實(shí)際要求的支護(hù)參數(shù)不可避免地與計(jì)算的支護(hù)參數(shù)之間產(chǎn)生偏差，目前尚未形成綜合各種支護(hù)原理的錨桿支護(hù)參數(shù)計(jì)算方法。實(shí)際用于設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)參數(shù)是巷道周圍某幾個(gè)點(diǎn)(甚至僅一個(gè)點(diǎn))的綜合地質(zhì)技術(shù)資料的平均值，設(shè)計(jì)出的錨桿參數(shù)為整條巷道服務(wù)，導(dǎo)致巷道絕大部分區(qū)域設(shè)計(jì)的錨桿參數(shù)過(guò)高，又使巷道的某些局部地質(zhì)技術(shù)條件變化區(qū)域設(shè)計(jì)的錨桿支護(hù)參數(shù)不足，引發(fā)局部冒頂事故。

2.2 地質(zhì)條件預(yù)測(cè)不全面 煤礦巖體一個(gè)極其復(fù)雜的地質(zhì)體，在進(jìn)行巷道布置和支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，很多煤礦生產(chǎn)部門不充分了解圍巖各類地質(zhì)條件。在實(shí)際生產(chǎn)中，很少采取有效手段對(duì)圍巖強(qiáng)度、圍巖結(jié)構(gòu)、錨固性能進(jìn)行測(cè)試，支護(hù)設(shè)計(jì)理想化，各種弱面尤其是沿巷道走向方向的弱面，不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取針對(duì)性的加強(qiáng)支護(hù)措施，很容易發(fā)生頂板事故。

2.3 錨桿施工工程質(zhì)量不可靠 煤巷錨桿支護(hù)作業(yè)的工程質(zhì)量有一定的隱蔽性，頂板破壞失穩(wěn)一般無(wú)明顯預(yù)兆，一旦發(fā)生冒頂，規(guī)模經(jīng)常較大。另外在實(shí)踐中，由于受施工機(jī)具、安裝工藝、操作人員素質(zhì)等影響，高預(yù)拉力錨桿很難實(shí)現(xiàn)，不能預(yù)加錨桿足夠的初錨力。

3 提高錨桿支護(hù)安全可靠性的建議

3.1 科學(xué)的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 在借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)的具體情況，以地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值為基礎(chǔ)，總結(jié)研究出“地應(yīng)力學(xué)評(píng)估→初始支護(hù)設(shè)計(jì)→現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)→信息反饋及設(shè)計(jì)的修正完善”的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)方法的針對(duì)性強(qiáng)，可靠性高，可以預(yù)測(cè)巷道頂板圍巖的穩(wěn)定性，工程質(zhì)量易于保證，有利于科學(xué)化管理，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集工作。另外在進(jìn)行地應(yīng)力學(xué)評(píng)估時(shí)，生產(chǎn)部門應(yīng)運(yùn)用先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)，對(duì)地應(yīng)力大小、圍巖強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)、圍巖位移及破壞范圍進(jìn)行測(cè)試，弄清煤層圍巖體物理力學(xué)性質(zhì)，認(rèn)真分析井下生產(chǎn)地質(zhì)資料，為合理支護(hù)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

3.2 高強(qiáng)度、高預(yù)應(yīng)力組合式錨桿支護(hù)體系

3.2.1 開(kāi)發(fā)推廣等強(qiáng)錨桿。一般地螺紋鋼錨桿加工時(shí)采用先車后滾絲的工藝，螺紋處的桿體強(qiáng)度損失20%左右。當(dāng)巷道頂板受動(dòng)壓或沖擊地壓影響時(shí)，往往在螺紋部位突然斷裂而使錨桿體失效。因此，應(yīng)采取措施提高螺紋部位的強(qiáng)度，使錨桿在整體上具有等強(qiáng)性。

3.2.2 預(yù)應(yīng)力錨桿和錨索、桁架的組合支護(hù)。在高地應(yīng)力厚層復(fù)合頂板條件下控制巷道變形和防止頂板離層方面顯示出其巨大的優(yōu)越性，組合支護(hù)的關(guān)鍵是同步承載和剛度匹配問(wèn)題，按目前的技術(shù)水平，高性能錨桿預(yù)拉力僅不超過(guò)20～30kN，因而錨索和桁架的預(yù)拉力一般不應(yīng)超過(guò)60～80kN，才能形成同步承載。

3.2.3 可靠實(shí)用的礦壓監(jiān)測(cè)技術(shù) 錨桿支護(hù)屬于隱蔽性工程，設(shè)計(jì)不合理或者施工質(zhì)量不合要求，常常會(huì)造成頂板離層冒落。礦壓監(jiān)測(cè)是錨桿支護(hù)的一道重要的安全防線，支護(hù)參數(shù)是否合理，支護(hù)效果如何，全靠是常礦壓監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)資料。按照不同用途可分為3類:錨桿支護(hù)巷道安全監(jiān)測(cè)的內(nèi)容主要有兩方面:一是巷道圍巖位移量的監(jiān)測(cè)，例如LBY—3型頂板離層指示儀和多點(diǎn)位移計(jì);二是支護(hù)構(gòu)件(錨桿、錨索)受力的監(jiān)測(cè)，例如GYS—300型錨桿(索)測(cè)力計(jì)、CM—200型測(cè)力錨桿。三是用于監(jiān)測(cè)錨桿性能及安設(shè)質(zhì)量的錨桿拉力計(jì)，包括桿體性能質(zhì)量、錨固劑質(zhì)量和錨桿施工質(zhì)量。錨桿巷道的監(jiān)測(cè)與錨桿巷道的設(shè)計(jì)和施工同等重要，應(yīng)盡早盡快規(guī)范監(jiān)測(cè)手段，規(guī)范監(jiān)測(cè)內(nèi)容。及時(shí)掌握巷道頂板下沉及離層狀況，發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)采取補(bǔ)強(qiáng)措施，確保錨桿支護(hù)效果及安全可靠性。

3.2.4 完善和發(fā)展配套的錨桿機(jī)具 我國(guó)目前使用的錨桿鉆機(jī)存在鉆頭、釬桿的零部件質(zhì)量不夠高、打眼及藥卷和擰螺母安裝速度慢等主要問(wèn)題，因此，要實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)，一定要研制新型錨桿鉆機(jī)及其配套的系統(tǒng)零部件。當(dāng)前由煤炭科學(xué)研究總院上海分院設(shè)計(jì)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)械廠生產(chǎn)的MDS3型電動(dòng)錨桿鉆機(jī)性能較好，有良好的應(yīng)用前景。另外現(xiàn)有掘進(jìn)機(jī)不帶錨桿鉆機(jī)，不能實(shí)現(xiàn)切割與錨桿支護(hù)平行作業(yè)，嚴(yán)重影響掘進(jìn)速度。現(xiàn)在澳大利亞液壓工程公司生產(chǎn)的機(jī)載錨桿機(jī)，擁有ARO4000系列頂錨桿鉆機(jī)、ARO5500系列幫錨桿鉆機(jī)等型號(hào)，可安裝在任何型號(hào)掘進(jìn)機(jī)上，能夠?qū)崿F(xiàn)頂幫錨桿的快速安裝。“八五”期間，我國(guó)在原有掘進(jìn)機(jī)上進(jìn)行了機(jī)載錨桿鉆機(jī)的研制，效果欠佳。研制掘錨聯(lián)合機(jī)組，它將是我國(guó)煤巷快速掘進(jìn)的又一發(fā)展方向。

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