探讨我国煤巷锚杆支护机理及快速掘进技术

 

 

　　淮北位于安徽省北部，淮北煤矿所采煤层均为典型的“三软”煤层。巷道变形量大，有时连最起码的通风断面都无法保证，掘进、回采过程中需进行大量修复，支护成本高。为改善巷道支护状况，降低支护成本，保证安全生产，自1998年以来，在所属矿井全面推广煤巷锚杆支护技术，取得突破性进展。

 

　　锚杆支护因其具有支护效果好、支护成本低、工人劳动强度低、作业环境好、安全可靠等优越性，目前已被国内外煤矿、隧道、护坡所认可的主要支护手段。一些国家对锚杆支护技术进行了全面的研究，取得了良好的效果。近年来，针对深部高地应力、受强烈采动影响、特大断面巷道等复杂困难条件，提出了高预应力、强力支护理论，开发了强力锚杆、锚索支护系统，大幅度提高了巷道支护效果与安全性，并有利于巷道快速掘进，使煤巷锚杆支护技术发展到更高的水平。目前，有些矿区锚杆支护率已超过90%，很多矿区锚杆支护率达到60%，使我国煤矿巷道支护技术发展到一个崭新的阶段。

 

　　煤巷掘进效率低、机械不能充分发挥作用，在很大程度上与配套能力低、配套不完善有关。巷道掘进系统中的主要配套环节多、包括支护、转载、运输、供电、供水、通风、降尘等，要提高煤巷掘进效率、充分发挥机械化作用，必须提高设备综合配套能力，使之进一步完善。特别是支护和运输工作量大，占用时间多，必须解决好这两个关键环节，才能充分发挥掘进设备的潜力。在缩短支护时间方面，根据地质条件，尽量采用锚杆支护，提高巷道支护效果，减轻工人劳动强度，加快成巷掘进速度。

 

　　2.1煤巷锚杆支护理论

 

　　目前锚杆支护理论有悬吊理论、组合梁理论和加固拱理论等。悬吊理论是最早的锚杆支护理论，特别是在顶板上部有稳定岩层，而其下部存在松散、破碎岩层的条件下，这种支护理论应用比较广泛。其主要缺陷是仅考虑了锚杆的抗拉作用，没有涉及其抗剪能力及对破碎岩层整体强度的提高。组合梁理论充分考虑了锚杆对岩层离层与滑动的约束作用，适用于层状岩层。该理论认为，锚杆提供的轴向力将对岩层离层产生约束，并且增大了各岩层间的摩擦力，与锚杆杆体提供的抗剪力一同阻止岩层间产生相对滑动。加固拱理论认为，即使在软弱、松散、破碎的岩层中安装锚杆，也可以形成一个承载结构。只要锚杆间距足够小，就能在岩体中产生一个均匀压缩带，它可以承受破坏区上部破碎岩石的载荷。

 

　　2.2煤巷锚杆支护遵循的原则

 

　　一是提高单根锚杆与单根锚索的强度，在保证支护强度不低于原有支护强度和巷道安全的前提下，减小锚杆密度，降低单位面积上锚杆数量，从支护设计上提高成巷速度；二是提高锚固系统的整体刚度，增加锚固区抵抗变形的能力。充分发挥大扭矩锚杆及高预紧力锚索的支护作用；三是大幅度提高锚杆的预紧力，提高锚杆控制围岩的早期扩容与离层的能力，最大限度地保持锚固煤岩体的完整性和承载能力，避免围岩产生较大的变形，使其强度过早、过快地降低。设计锚杆预紧力应达到其屈服强度的30％～40％；四是提高组合构件的强度与刚度。由于锚杆密度降低，锚杆间的距离增大。为了有效控制锚杆之问煤岩的变形、松散、破坏，需要增加钢带的强度与刚度。

 

　　3.锚杆支护作用机理分析

 

　　3.1锚杆支护主要作用在于控制锚固区围岩的离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容变形与破坏，尽量使围岩处于受压状态，抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破坏的出现，最大限度地保持锚固区围岩的完整性，提高锚固区围岩的整体强度和稳定性。

 

　　3.2在锚固区内形成刚度较大的次生承载结构，阻止锚固区外岩层离层，改善围岩深部的应力状态。

 

　　3.3锚杆支护系统的刚度十分重要，特别是锚杆预应力起着决定性作用。根据巷道围岩条件确定合理的锚杆预应力是支护设计的关键。当然，较高的预应力要求锚杆具有较高的强度。

 

　　3.4锚杆预应力的扩散对支护效果同样重要。单根锚杆预应力的作用范围很有限，必须通过托板、钢带和金属网等构件将预应力扩散到离锚杆更远的围岩中。钢带、金属网等护表构件在预应力支护系统中发挥重要的作用。

 

　　3.5在复杂困难巷道中，应采用高预应力、强力锚杆组合支护系统，同时要求支护系统有一定的延伸量。高预应力要求锚杆预应力达到杆体屈服强度的30%~50%；强力锚杆要求杆体有较大的破断强度。

 

　　3.6锚索的作用主要有两方面：一是将锚杆形成的次生承载结构与深部围岩相连，提高次生承载结构的稳定性；二是锚索施加较大预紧力，挤紧和压密岩层中的层理、节理裂隙等不连续面，增加不连续面之间的抗剪力，从而提高围岩的整体强度。

 

　　3.7锚杆支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形与破坏，避免二次支护和巷道维修。

 

 

　　4.1爆破要求

 

　　4.1.1必须严格制订爆破图表，确定合理的爆破参数。

 

　　4.1.2必须按爆破图表看线、定点、划轮廓线、量尺、定眼位。

 

　　4.1.3先按中(腰)线打好第一个正顶眼，然后插木棍导向，保证打眼质量符合爆破图表要求。

 

　　4.1.4周边眼装药采用孔口封泥、空气柱，其它炮眼封泥长度符合安全规程规定。

 

　　4.1.5实行预留爆破，放炮后人工刷帮。这样既能剔除最松动的围岩，又能使巷道壁光滑，减少应力集中。

 

　　4.2“三径”匹配原则

 

　　锚杆安装必须保证“三径”即锚杆直径、锚孔直径、树脂药卷三者合理匹配，这直接影响锚杆的锚固效果及锚杆支护的安全可靠性和经济合理性。实践表明，钻孔直径42mm选配直径35mm的锚固剂，钻孔直径32mm选配直径28mm的锚固剂，钻孔直径28mm选配直径23mm的锚固剂，效果较好。需要指出的是，在锚固力足够、锚杆材质和锚孔直径相同时，锚杆直径越大，锚杆的工作阻力越高；但锚杆直径加大后，锚杆的材料成本亦随之增大，而树脂药卷用量及成本则相应减少。选用哪种锚杆，应根据围岩性质及经济成本综合考虑，找出其最佳结合点。

 

　　4.3锚杆安装要求

 

　　(1)按照设计要求，根据中(腰)线布置锚杆眼。

 

　　(2)锚杆眼的方向与岩层主结构不明显时，可与巷道轮廓线垂直，眼向偏斜不大于15°；层状岩石顶锚杆眼应与岩石层理垂直。

 

　　(3)锚杆眼的深度应与锚杆长度配套，打眼时应在钎子上作好标记。要求钻孔深度与锚杆同长或短50mm。

 

　　(4)安装前，必须用压风将眼孔内的积水、煤(岩)粉渣清扫干净。

 

　　(5)开动风动扳手或锚杆钻机，在10~15s内用锚杆将树脂药卷顶入孔底，再搅拌至规定时间为止。

 

　　(6)搅拌后，搅拌器具须立即停止不动，等锚固剂初凝后方可松下搅拌器具。

 

　　(7)待锚固剂胶凝后，方可剪断锚杆尾端螺母销子，一次上紧螺母。

 

　　4.4煤巷锚杆支护快速掘进的技术手段

 

　　4.4.1发展掘锚新机具

 

　　当前煤巷快速掘进的施工方法为：掘进机割煤--桥式胶带转载机和固定皮带机运煤--敲帮问顶--顶锚杆机打顶眼并安装、帮锚杆机打帮眼并安装，实现一次成巷、及时支护。就目前的施工工艺而言，影响快速掘进的主要因素有两方面：一是掘进机割煤速度；二是锚杆机打眼及安装速度。要实现快速掘进，一方面要发展应用大功率掘进机；另一方面要研制新型锚杆钻机。

 

　　4.4.2发展联合支护形式扩大应用范围

 

　　稳定的围岩采用单一的锚杆支护是可行的，但是在受到动压影响，处于软岩层中，围岩容易变形、地层压力大的不稳定围岩，则必须采用不同的锚杆联合支护。不稳定或极不稳定的Ⅳ~Ⅴ类巷道。这类巷道的特点是围岩破坏范围和变形量大，除锚杆支护配合菱形网支护外，还应采取缩小锚杆间排距、配合锚索梁加固、架棚、顶板注浆等特殊手段加强支护。另外，在跨度较大的巷道交岔点、硐室、切眼开门口和地质构造破碎带，单纯的锚杆支护不足以维护巷道稳定，还须用上述手段辅助加强支护。如果这些问题得以解决，就可以把锚杆支护作为唯一的顶板支护方式，实现巷道支护锚杆化，进一步提高巷道的掘进速度。

 

　　4.4.3改进设计方法优化设计参数支护设计以往主要是依据悬吊理论、组合拱理论或挤压加固理论，采用工程类比法和计算公式法。但由于地质条件的复杂性，就一种方法或一个公式不能给出合理的设计参数。为解决这一难题，采用以地应力为基础的动态设计法，并在此基础上建立计算机辅助设计的专家系统。该方法主要内容为“地质力学评估----数值模拟初始设计----现场监测----利用反馈信息修改设计”。现场监测非常关键，监测取得的数据是作为二次修改设计的依据，修改设计后再应用于实践。只有经过不断地改进支护设计，才能使锚杆支护更为经济、合理。

 

　　4.4.4改进煤巷锚杆支护材料锚杆可以采用lv级锚杆专用螺纹钢加工而成的高性能锚杆，抗破断强度更高，支护刚度更大，限制变形更加有力，针对巷道急剧膨胀扩容产生的高应力控制效果会更有效。锚杆采用新型大托盘(尺寸为200×200mm)、锚索采用400×400mm的大托盘，增大护表面积，减轻目前所用的普通小托盘与围岩局部小面积接触而产生的点载荷作用，防止围岩挤压破损，对松散层裂破碎岩体起到较好的维护效果。新型阻尼螺母能提供较大扭矩，与高性能预拉力锚杆配套，提高锚杆安装过程的可靠性，保证支护系统整体安全可靠。4.4.5加强煤矿施工队伍人员培训我国煤矿施工队伍人员素质偏低，加上监督管理不到位，往往施工质量难以保证。因此，重视和加强锚杆支护技术人员和施工工人的技术培训和岗位训练，必然有助于我国煤矿锚杆支护技术的发展和锚杆支护的普及。

 

 

　　锚杆支护作为一种有效的采准巷道支护方式，对巷道围岩强度的强化作用，可显著提高围岩的稳定性，具有支护成本较低、成巷速度快、明显改善作业环境和安全生产条件等优点，可提高矿井的经济效益，因而成为煤矿企业矿井巷道的一种主要支护形式，代表了煤矿巷道支护技术的主要发展方向。