摘要：本文淺析錨桿支護的的特點、問題的存在、錨桿支護技術的主要特點，以及引入圍巖松動理論解釋所出現(xiàn)的冒頂事故和如何解決這些問題，從而達到合理、安全支護的目的。
一、引言
煤礦錨桿支護技術是近幾十年來巷道支護發(fā)展的重點方向，也是支護推廣的一項新技術，它以其優(yōu)越的支護原理、簡單的工藝、經(jīng)濟的造價和良好的支護效果等優(yōu)點，被迅速的得到發(fā)展和應用?；幢钡V業(yè)集團自從引進錨桿支護技術以來，取得了較多的成功應用實踐，創(chuàng)造了可觀經(jīng)濟效益。但是，在實際施工過程中也暴露出了不少問題，尤其是近幾年出現(xiàn)的幾次冒頂事故，給安全生產(chǎn)及錨桿支護技術的推廣也帶來了一些負面影響。從問題的分析結果看，特別是軟巖支護、地質破碎、構造帶的錨桿支護技術，是需要特別關注的，也是錨桿支護所要研究的重點技術的方向。
二、問題的存在
現(xiàn)根據(jù)錨桿支護技術在某礦巷道支護中發(fā)生的問題，分析錨桿支護所存在的一些實際問題。
1）某工作面下運巷冒頂事故。某下運巷沿煤層頂板采用錨桿支護，其煤質較為松軟，裂隙發(fā)育，易片幫；煤層厚度：1.9～2.2m，煤層傾角：20～20.5°。而直接頂為淺灰色細砂巖8.7m，泥質膠結，易風化；偽頂為灰色泥質粉砂巖0.95m，質松軟裂隙發(fā)育；直接底為黑色粉砂巖7.81m，呈水平層理，中部細砂巖，下部泥巖。在掘進施工期間，按常規(guī)標準對錨桿進行了監(jiān)測均符合規(guī)定，但冒頂卻發(fā)生在了下運巷470m左右，而距施工迎頭約40。仔細檢查時發(fā)現(xiàn)，該處頂板有約800mm的松散破碎的粉砂巖，施工時即使采取了相應措施，仍未避免發(fā)生摧挎性冒頂事故，以致造成垮落長度近8m。
2）上工作面錨桿支護狀況分析。
?、俚刭|狀況。該區(qū)域巷道沿煤層頂板采用的是錨桿支護，其煤層賦存穩(wěn)定，結構單一。煤層厚度2.4～4.0m，平均3.2m，傾角22°。偽頂為粉砂巖，厚度0.5～0.8m，含植物化石，層理、裂隙發(fā)育；直接頂為3.12m淺灰色凝灰質膠結的粉砂巖，遇水膨脹變軟，易風化；老頂為12m灰色中細砂巖，泥質凝灰質膠結，遇水膨脹；直接底是灰黑色粘土巖，厚度0.87m，層理、裂隙發(fā)育；老底則為淺灰色細砂巖，厚度6.8m，礦物以石英為主，并含凝灰質膠結物。
②冒頂事故分析。在該工作面錨桿支護的施工中，由于頂板巖性的特殊性，巖石粉碎成粉狀，吸水后粘度較大，支護時曾出現(xiàn)堵鉆桿的現(xiàn)象（打錨索時明顯），按規(guī)定也做相應拉拔試驗及離層觀測等相應檢測，均符合要求。但在施工中，后路巷道都存在錨桿托盤崩落、斷錨桿、錨索及鋼帶焊點斷裂等破壞現(xiàn)象，同時巷道也出現(xiàn)了嚴重變形，表現(xiàn)為頂?shù)装寮皟蓭鸵平吭龃螅敯鍙澢鲁?、底鼓、幫鼓。部分斷面?.5m×2.4m縮至為1.7m×1.5m，嚴重影響了生產(chǎn)。但經(jīng)多次的清臥刷幫和加強二次支護，也曾發(fā)生過二次冒頂事故。在一次上風道200～208m處冒頂長度卻長達8.6m，頂板沿巷道走向兩端切落，冒落高度2.0m左右。冒落后上頂為倒漏斗形狀態(tài)，其頂錨桿受力出現(xiàn)了S形彎曲，錨索被折斷。另外，在下運巷也曾出現(xiàn)過冒頂事故，其冒落長度約5m左右。在施工過程中，因多處地點的巷道圍巖破碎，所以最終改用了架棚的方法支護。
3）存在的問題分析。雖然在引進錨桿支護技術以來取得了許多煤層中的成功支護，積累了不少的經(jīng)驗，但從實際施工中也發(fā)現(xiàn)和暴露出諸多問題，需要合理地進行有效支護。存在的問題主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
?、儆捎谙锏赖膰鷰r松散、破碎，導致了其整體性差。錨桿在這種情況下支護難以有效，且施工中存在成孔困難，無法實現(xiàn)鉆孔安裝錨桿和錨索等問題。
?、诰蜻M巷道在過斷層和地質破碎地帶的情況下，由于頂板很容易垮落，因此必須進行超前支護和加固。由于圍巖破碎給施工帶來了困難，迫切需要一種快速有效的超前加固方法。
?、圮泿r巷道的底鼓治理。該巷道的底鼓治理也是軟巖支護的一個難題，需要有效解決。
?、苡捎谙锏朗褂靡欢螘r間后，圍巖的變形量大，其片幫、錨桿失效，頂板離層明顯彎曲下沉，已不能滿足生產(chǎn)要求，必須進行及時維修和強化支護。對于此類的巷道圍巖有較大范圍的破壞，其淺部圍巖松散，從而導致了錨桿支護失效，容易發(fā)生冒落現(xiàn)象。再者，在施工時，錨桿使用的密度很大，其圍巖的變形仍十分劇烈，以致使得支護效果很不理想。變形量大（1～2m以上），往往超出了錨桿的錨固范圍，以致錨固失效。
⑤在施工過程中，不能及時準確的把握復雜多變的地質條件；存在設計質量差，應用水平低的問題，同時設計也沒有針對性；在管理方面存在缺陷；在施工質量方面，存在一定的問題；在技術管理方面，本身存在不完善的問題；在礦壓觀測工作上，其重視不夠，檢測手段也滯后。多種原因，從而到了多處的錨桿支護巷道跨落、冒頂。
三、錨桿支護技術的主要特點
錨桿支護是利用深入圍巖內部的錨桿桿體對圍巖進行加固，它能有效提高被錨固圍巖自身的穩(wěn)定性，從而達到應有的支護目的和效果。而根據(jù)圍巖性質和結構不同，一般錨桿可起到懸吊、組合梁、擠壓加固拱等作用。錨桿支護的主要優(yōu)點就是：工藝較為簡單、安裝速度快、效率高、便于機械化作業(yè)、勞動強度也低，又可節(jié)約支護材料，降低支護成本。巷道斷面利用率高、掘進量少，總體的技術經(jīng)濟效果好。缺點：它屬于隱性支護，對支護質量、可靠性的監(jiān)測和檢測都不易，有時還會出現(xiàn)無明顯先兆的冒頂事故。另外，對變形量很大的回采巷道，其支護效果不易保證，以致導致巷道的無法使用。因此，在巷道的支護過程中，應充分發(fā)揮它的優(yōu)勢的一面，克服缺點與弊端。
四、圍巖松動理論的引入
1、圍巖松動理論的解釋
采用圍巖松動理論即可針對以上施工中出現(xiàn)的問題進行合理解釋。一般巷道開掘后，由于巖體內部應力重新分布，即圍巖出現(xiàn)了應力集中。巖體的物性狀態(tài)有一個由彈性狀態(tài)向塑性狀態(tài)轉變的過程，巷道周邊圍巖產(chǎn)生塑性變形，并從周邊向巖體深部擴張，從而出現(xiàn)塑性變形區(qū)。同時，這也引起了應力向圍巖深部的轉移，并導致周邊圍巖松散、破碎和發(fā)生位移，最終導致巷道的變形。
在軟巖巷道中，由于巖石的膨脹和崩解主要是松軟巖石所表現(xiàn)的特征，其圍巖里多為松軟的粘土質巖層。巷道開掘后，粘土巖經(jīng)不同程度的浸水或風化，體積增大，相應引起的壓力也增大，使得圍巖松動圈和塑性變形發(fā)展很快，給巷道穩(wěn)定性帶來了很大影響。不同性質的軟巖，其影響程度也不同，即圍巖性質對巷道變形和破壞有決定性的影響，軟弱巖石或膨脹性巖石對巷道變形，以及巷道變形與破壞的性質，其劇烈程度都有重要影響。因此，軟巖巷道掘進時受松動圈和塑性變形的影響，其巷道的穩(wěn)定性較差，難以支護。
2、根據(jù)松動圈理論解決支護問題
對于圍巖破碎、松散，是產(chǎn)生裂縫與擴張，導致圍巖碎脹變形，以致造成支護變形破壞的主要原因。圍巖中具有膨脹性礦物，且遇水易膨脹，從而導致巷道變形。錨桿支護的對象是圍巖松動發(fā)展過程中的碎脹變形，它起到阻止變形的作用。錨桿作用于圍巖松動圈或塑性區(qū)中，其隨著圍巖的松動破壞，圍巖松散破壞失去自承力，圍巖的自承力也難以維持平衡。錨桿支護不能有效的阻止和控制巷道空間變形，隨著巷道圍巖揭露時間的延長，松動圈的不斷增大，那么就會表現(xiàn)為巷道頂?shù)装寮皟蓭?、巷道斷面全面收縮直至閉合，所以錨桿支護會失效?？梢哉f，在一定程度上，錨桿的破斷力小于圍巖碎脹所產(chǎn)生的力時，其錨桿就會出現(xiàn)不同程度的破壞，直至斷裂。
正常狀態(tài)下，當錨桿的安設密度較大時，它能在巷道周圍被加固地段內形成一定厚度的壓縮帶，這不僅可防止受節(jié)理等弱面切削的巖快產(chǎn)生滑動，而且錨桿本身也有抗剪銷釘?shù)淖饔?，能有效的防止層間滑動。這種情況下，錨固層不僅能保持自身的穩(wěn)定性，而且還有可能在一定程度上承受上位巖層的載荷和抑制變形與松動。相反而言，如果在特殊松軟巖層中采用錨桿支護時，由于圍巖物化膨脹，隨著圍巖碎脹的進一步增大，導致巷道變形量也隨之增大。當圍巖的塑性區(qū)大于錨桿的錨固范圍，其錨桿相對而言就失去作用。這時，巖石及上覆巖層的重量大于錨桿錨固及圍巖共同支撐作用而出現(xiàn)頂板下沉，直至垮落冒頂。因此，對于上述所講的錨固層便有可能是整體跨落的原因。所以，在錨桿支護中，單獨的采用加大錨桿密度的方法來控制軟巖支護，這是極不合理的。
在軟巖錨桿技術的推廣應用和實施中，由于煤層賦存條件多樣化，圍巖結構復雜，部分條件頂板結構異常復雜，軟弱夾層和層理十分發(fā)育，穩(wěn)定性很差，極易發(fā)生離層垮冒，即使在同一巷道內頂板賦存狀態(tài)也是頻繁變化的，其構造影響隨處可見，隨時可遇。對于上述所談的軟巖巷道，錨桿支護不能有效的控制頂板離層，惡性冒頂事故也就難免發(fā)生。冒頂率：一般為萬分之五；事故率：一般為五萬分之一；金屬支架類被動支護再次被啟用。通過總結這些事故教訓可知，單純從提高錨桿的規(guī)格和加大使用密度的支護思想出發(fā)，導致的是成本增加，事故還不能有效控制。實際上，大多數(shù)巷道支護失效表現(xiàn)為錨固區(qū)整體垮落，其中錨桿受力很小，幾乎沒有折斷現(xiàn)象。頂板的穩(wěn)定性取決于錨固區(qū)以外的離層狀況，單純改變錨桿的長度和密度，只能在一定范圍內限制錨桿長度范圍內的巖體的變形，但錨固區(qū)以外的弱面離層是高強錨桿支護技術面臨的一大挑戰(zhàn)。根本問題就是必須圍繞大大減少頂板離層或根本消除離層這一中心開展控制理論和技術的研究。所以，對軟巖巷道的巖性及地質破碎帶的錨桿支護技術的研究，需要特別關注?？刂祈敯咫x層才能今后錨桿支護技術發(fā)展的研究方向和重點。
五、結語
對于軟巖、破碎頂板的巷道支護，必須進行巖體力學觀測，然后根據(jù)松動圈理論，科學合理的選擇支護參數(shù)與方式。這樣才能保障錨桿支護巷道的安全，并達到節(jié)約支護成本，降低支護材料消耗的目的，并取得較好的支護效果。
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