錨網支護在軟巖巷道中的應用研究

馬忠強

(山西蘭花科技創業股份有限公司唐安分公司,山西高平 048400)

錨網支護在軟巖巷道中的應用研究

馬忠強

(山西蘭花科技創業股份有限公司唐安分公司,山西高平 048400)

本文詳盡分析了軟巖巷道的性質、穩定性以及影響軟巖巷道圍巖與支架變形的主要因素、軟巖巷道錨網支護技術的原理和作用等理論,指出采用錨網支護是行之有效的控制軟巖巷道圍巖變形的先進而經濟的支護形式,應大力推廣和應用。

軟巖巷道 錨網支護 控制

1 概述

隨著煤礦開采深度和強度不斷增加,井下軟巖具有變形大,高地壓,支護難等特點,長期以來制約著煤礦生產。

由于巷道掘進后破壞了圍巖原有的應力平衡狀態,同時在受到地應力、水應力、工程擾動力及膨脹力等工程力動壓下,圍巖發生卸載回彈和應力重新分布,產生應力集中。容易發生很大的塑性變形,圍巖應力成倍急劇增長,支護十分困難,而軟巖巷道自身強度低,若沒有采取及時有效控制措施,則巷道很快被破壞。

因此,傳統的工字鋼、U型鋼可縮支架等支護形式支護斷面大、支護強度低,已無法有效控制巷道圍巖變形及被破壞,并存在片幫和頂板巖體架前冒落等安全隱患。

2 軟巖巷道性質及特點

軟弱、松散、破碎、流變、膨脹、強風化蝕變及高應力的巖體總稱為軟巖,一般地,軟巖的抗壓強度小于20MPa,軟巖的抗壓強度有以下經驗公式估算:

式中,r表示巖石容重,h表示深度。

軟巖具有可塑性、崩解性、流變性、膨脹性及易擾動性等特點,軟件的實質具有相對性。能使巖石產生明顯變形的最小載荷和巷道埋深分別稱為軟巖的軟化臨界載荷和軟化的臨界深度。有關試驗結論表明,當向軟巖施加的載荷小于軟巖的軟化臨界載荷時或巷道位置小于軟化的臨界深度時,巖石處于的變形狀態較為穩定,而施加的載荷大于臨界載荷或巷道位置大于臨界深度時,巖石則出現明顯的加速塑性變形現象。

研究學者指出,根據軟巖巷道圍巖的性質,軟巖可劃分為塑性、松塌、松弛和彈性四個區域。巷道圍巖變形主要包括彈塑性變形、碎脹變形和離層變形。

巖體本身的強度、結構、膠結程度、膨脹性礦物的含量、各種工程擾動應力等都是影響軟巖巷道圍巖與錨網支架變形的主要因素,此外,還有地下水、工程用水及時間等因素,也會造成黏土質巖的膨脹和巖石強度的降低。

3 錨網支護原理及作用

錨網支護是由錨桿、網筋、圍巖組成整體承載結構的一種主動支護方式,由于網筋的作用,使錨桿與錨網形成相互制約的整體,大大提高了支護層的抗拉、抗剪和抗變形能力,增強了支護的整體強度和剛度,可以有效抑制和減少塑性變形和碎脹變形,防止頂板巖層離層變形,改善圍巖巖性,實現支護與圍巖體系的穩定。

地下巖體在巷道掘進以前一直處于三軸平衡壓力狀態,巷道掘進破壞了原有的巷道壁面圍巖應力平衡狀態,使巷道臨空自由面失去了法向應力,由二軸應力狀態變為單軸應力狀態,引起巖石產生法向位移,繼而產生新的反向應力,使圍巖應力重新分布,直至達到新的應力平衡。當巷道埋深超過軟化臨界深度時,靠近壁面的巖體由于應力高于巖土強度最先發生破壞,主應力集中區向圍巖內部轉移。此時,巷道圍巖應力可劃分為塑性流變區、塑性軟化區、塑性硬化區、彈性區。在軟巖巷道中,難以靠變形位移來形成反向應力,因此力量始終無法平衡,位移進一步產生,原有的巖石的層狀面最終由于抵御不了自身的重力而剝落。

采用錨網支護技術后又一下幾方面的。

(1)當在圍巖彈性區上以適當的間距排列安裝具有預應力的錨桿時,從圍巖表面到內部形成一個由人工結構聯接的巖石連續加固帶,能夠發揮巖自身承載能力。

(2)松動、軟弱、不穩定的巖土體被錨桿懸吊于穩定的巖土體中,錨桿提供的支護力使圍巖的抗剪切破壞能力大大提高,防止了離層剝落,維持工程穩定。

(3)錨桿支護后,使薄層狀巖體緊固壓縮和相互擠壓,增加了摩擦阻力,大大減少了內應力和繞度,因此增加了薄層狀巖體整體的抗剪能力。而錨網增大了錨桿支護層的柔性和整體性,能較好的適應圍巖的復雜應力變化,阻止錨桿間巖體的松動。

(4)錨網支護的支護強度和柔性調節范圍很寬,可適應不同圍巖支護,還可以進行分級支護。

綜上所述,錨網支護作用的實質是改善錨固區圍巖強度和力學性能,特別是提高圍巖破裂后的強度,從而保持巷道掘進時圍巖穩定。

4 錨網支護技術應用概況

(1)錨桿的極限承載力、錨固力的集中度和長度不斷提高。我國自行設計預應力錨桿的承載力已達6000-10000kN已投入實用階段,達到世界先進水平。

(2)當前,許多國家都先后開發了特別使用于礦山軟巖巷道的全長摩擦錨固的鋼管錨桿,我國先后自主開發了自鉆式錨桿、可拆芯式錨固技術均已投入實際應用,錨桿的發展逐漸多樣化。

(3)錨網支護技術的應用已擴展到煤礦巷道、邊坡工程、橋梁工程,甚至抗地震工程等各領域,近十年我國僅邊坡工程與深基坑工程中錨桿的年用量就達到了3500km。

(4)中國、英國、日本等國已先后研究和應用了單孔復合錨固方法。即在同一個鉆孔中安裝幾個具有各自獨立的桿體、固定長度和自由長度的單元錨桿,分別承受由各自獨立的張拉千斤頂施加的荷載,通過預先的位移補償張拉,達到所有單元錨桿始終承受相同的荷載的目的。

(5)目前,我國開發了可重復灌漿技術,使軟土中錨桿的承載力大大提高,初步掌握了軟土中錨桿的蠕變變形和預應力值變化的規律,找到了控制軟土周邊位移的若干有效方法并已投入工程應用。

(6)從1970年以來,由美國、德國、澳大利亞等國倡導制定了錨桿規范與推薦性標準,1986年,我國先后頒發了《錨桿噴射混凝土支護技術規范》、《錨桿噴射混凝土支護技術規范》等行業標準,促進了錨網支護技術標準化的發展。

5 結語

錨網支護技術有施工快速、方便、效率高、成本低廉、支護效果好等優點,同時在技術上仍有很大發展空間,在軟巖巷道支護中具有很高的應用和推廣價值,其在軟巖巷道中的應用也會隨著技術水平的提高而不斷地發展。

[1]張茂.錨桿支護技術的應用現狀和前景分析[J].太原科技,2005年.

[2]李守柱,黃鼎成,邢念信,徐復安.軟弱破碎圍巖變形特性[J].工程地質學報,1993年01期.

[3]何滿朝.中國煤礦軟巖巷道支護理論與時間[M].中國礦業大學出版社,1996年.

馬忠強(1983—),男,山西高平人,本科,技術員,主要從事煤礦井下開拓掘進工作。