錨桿與U型棚聯(lián)合支護防止沖擊地壓的危害

李國輝

（遼寧省阜新市海州區(qū)煤炭工業(yè)管理局，遼寧 阜新 123000）

沖擊礦壓是礦山開采中發(fā)生的煤（巖）動力現(xiàn)象之一，這種動力災(zāi)害通常是在煤（巖）力學(xué)系統(tǒng)達到強度極限時，聚積在礦井巷道和采場周圍煤（巖）體中的彈性能量以突然、急劇、猛烈的形式釋放，在井巷發(fā)生爆炸性事故，產(chǎn)生的動力將煤（巖）體拋向巷道，同時發(fā)出強烈聲響造成煤（巖）體振動和煤（巖）體破壞，支架與設(shè)備損壞，人員傷亡，部分巷道垮落等。

1 煤礦沖擊礦壓發(fā)生的機理

巷道開掘后，由于巖體的內(nèi)部應(yīng)力重新分布即圍巖應(yīng)力集中，巖體的物理性質(zhì)狀態(tài)由彈性向塑性開始轉(zhuǎn)變，巷道周邊圍巖開始塑性變形，并且向巖體的深部開始蔓延擴張，原巖應(yīng)力會發(fā)生變化。這種變化使原始圍巖發(fā)生了超過圍巖極限強度的破裂變化，巷道圍巖的應(yīng)力發(fā)生重新分布，迫使在所轄的煤體中依次形成卸載區(qū)、夾持區(qū)和彈性區(qū)(圖1 )。

巷道掘出或地下煤體采出之后，巷道頂板承受著強大的礦山壓力，礦山壓力作用于頂板上并且向周邊煤體延伸。堅硬的頂?shù)装蹇蓪⒚后w夾緊，阻礙了深部煤體自身或煤體——圍巖交界處的變形。由于平行于層面的摩擦阻力和側(cè)向阻力阻礙了煤體沿層面的移動，使煤體更加壓實，承受更高的壓力，積蓄較多的彈性能。從極限平衡和彈性能釋放的意義上來看，夾持起了閉鎖作用。在煤體夾持帶內(nèi)，壓力高、并儲存有相當高的彈性能，高壓帶和彈性能積聚區(qū)可位于煤壁附近。一旦高應(yīng)力突然加大或系統(tǒng)阻力突然減小時，煤體可產(chǎn)生突然破壞和運動，拋向已采空間，形成沖擊地壓。所以，對于煤礦巷道的頂板以及發(fā)生變形的圍巖兩幫的控制，在防止沖擊礦壓的手段上是可行的。頂板和卸載區(qū)的相互變化的關(guān)系，內(nèi)因取決于巷道的埋藏深度、巷道圍巖的厚度，圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，外因就是巷道的設(shè)計理論支護參數(shù)和實際的施工的過程中的質(zhì)量。

2、巷道圍巖移近量研究與應(yīng)對

煤礦生產(chǎn)中多次對掘進巷道頂板和兩幫圍巖移近量和移近速度與時間的關(guān)系進行寫實總結(jié)，得出如下圖2 所示的關(guān)系曲線。關(guān)系曲線說明，在剛掘出巷道開始階段，變形速度以一個正的加速快速增加，巷道掘出后5天內(nèi)頂板及圍巖移近速度平均在2.5mm/天以上，在這個階段，由于各個層面的力學(xué)性質(zhì)的不同，頂板極易離層。5天之后移近速度逐漸下降，圍巖產(chǎn)生塑性變形，向巷道內(nèi)空間移近的速度減低。同時，隨著直接頂和巷道兩幫的嚴重移動，巷道圍巖應(yīng)力集中區(qū)的范圍因因此會改變。從而，在巷道原有的狀態(tài)被打破以后，應(yīng)該利用合理的設(shè)計方案，使用錨桿或者錨桿錨索聯(lián)合支護，在最大可能的情況下減少頂板的離層，從而縮小巷道兩幫空間的移近量。此外，在錨桿支護巷道內(nèi)套架U型可縮支架，U型可縮支架與巷道之間剎緊剎桿，等于為巷道內(nèi)部人員和生產(chǎn)設(shè)備加了一層保險裝置，防止了發(fā)生沖擊地壓對安全生產(chǎn)的威脅。

3. 錨固技術(shù)防治沖擊礦壓的原理

錨桿技術(shù)是利用深入圍巖內(nèi)部的錨桿桿體對圍巖進行加固，提高被錨固圍巖自身的穩(wěn)定性來達到支護目的。根據(jù)圍巖性質(zhì)和結(jié)構(gòu)不同，錨桿可起到懸吊、組合梁、擠壓加固拱等作用。錨桿支護的主要優(yōu)點是工藝較簡單、安裝速度快、效率高、便于機械化作業(yè)、勞動強度低，可節(jié)約支護材料，降低支護成本，并且可以快速的改變圍巖的變形速度，保證巷道圍巖在較長的時間內(nèi)處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，從而減少了巷道翻修，降低經(jīng)濟成本，在保證安全的情況下提高了礦井的生產(chǎn)效益。

錨索支護是具有錨固深度大，錨固力大、可施加較大預(yù)緊力的優(yōu)點，是困難巷道工程支護加固不可缺少的重要手段。錨索的作用主要是將錨桿支護形成的次生承載層相連起來，提高承載層的穩(wěn)定性，即使次生層發(fā)生斷裂、轉(zhuǎn)動，也不至于失穩(wěn)而引起的頂板垮落。錨索可施加較大的預(yù)緊力，可擠緊和嚴密巖層中層理、節(jié)理裂隙等不連續(xù)面，增加不連續(xù)面之間摩擦力，從而提高圍巖整體強度。

圖1 煤層極限平衡狀態(tài)示意

圖2 掘進期間頂?shù)装逡平亢鸵平俣扰c時間的關(guān)系

巷道采用錨桿與錨索聯(lián)合支護，在距離迎頭不超過5米且不影響工作面作業(yè)的情況下，套架U型可縮支架，可縮支架抵抗了圍巖持續(xù)產(chǎn)生的移近量，可縮支架抵抗彈性變形能較強，且可縮支架的可縮性適應(yīng)了圍巖產(chǎn)生的塑性變形，提供了發(fā)生沖擊地壓時產(chǎn)生的緩沖能力，能夠保證人員和財產(chǎn)安全。

3 結(jié)論

（1）錨桿與U型棚聯(lián)合支護在預(yù)防沖擊礦壓的技術(shù)是適合現(xiàn)在的煤礦的，有效的減少了事故的發(fā)生，對煤礦的安全生產(chǎn)起到了好的作用，并且可以廣泛的推廣。（2）巷道盡量避免在應(yīng)力集中區(qū)掘進，并且注意掘出巷道后，要及時采用錨桿—錨索進行錨固支護，使圍巖形成錨固圈，增強卸載區(qū)的抵御變形的能力。（3）隨著時間的增長，圍巖的移近量逐漸趨于固定值，此時圍巖在不受其它外力作用下，巷道壓力趨于平穩(wěn)，夾持區(qū)積聚的能量逐漸向彈性區(qū)移動。（4）錨桿必須進行拉拔實驗，進行錨桿拉拔試驗后，錨桿被拉長，同時錨桿周圍的煤巖體受到擠壓，導(dǎo)致錨桿松動，所以必須及時重新擰緊。（5）即使發(fā)生沖擊地壓，U型可縮支架的彈性能和可縮性也保證了人員和財產(chǎn)的安全。

[1]李東.基于可靠性的錨桿支護設(shè)計理論與應(yīng)用研究[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2005.