摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對于煤炭能源的需求量也越來越大，煤礦規(guī)模隨著不斷擴(kuò)大在煤炭開采過程中，巷道的穩(wěn)定性對掘進(jìn)和回采都有著十分重要的影響，但由于地下的地質(zhì)、水文情況對巷道的影響很大，在地質(zhì)水文復(fù)雜區(qū)，尤其是在“三軟兩高”煤層的巷道掘進(jìn)中，巷道維護(hù)變得十分困難。本文通過分析論述煤巷預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)作用的機(jī)理，提出了煤巷預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)設(shè)計新方法，對煤礦深部掘進(jìn)錨桿支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用多出了論述。
引言：隨著我國對煤炭的需求量的加大，煤炭開采由淺部向深部發(fā)展速度加快，我國煤礦開采深度以8~12m/年的速度增加。深部礦井重力引起的垂直應(yīng)力明顯增大，構(gòu)造應(yīng)力場復(fù)雜，地應(yīng)力高；在高地應(yīng)力作用下，開采擾動影響強(qiáng)烈，圍巖破壞嚴(yán)重。高地應(yīng)力環(huán)境和煤巖體變形特征決定了深部礦井會遇到一系列動力災(zāi)害，包括沖擊礦壓、煤巖與瓦斯突出、瓦斯爆炸、礦井突水、礦壓顯現(xiàn)劇烈、巷道圍巖大變形、冒頂片幫等災(zāi)害，對深部礦井的安全、高效開采帶來巨大威脅。在深入研究高地壓巷道支護(hù)理論的基礎(chǔ)上，開發(fā)研制支護(hù)材料與配套設(shè)備，為深部煤炭資源開采提供技術(shù)支持具有非常重要的意義。
1、錨桿的主要作用
?。?）錨桿的懸吊作用
通常而言，在一些緩傾斜的煤層里面，這些錨桿能夠把其下部的相對不太穩(wěn)定的巖層（直接頂或者是塊狀結(jié)構(gòu)中不很穩(wěn)定的巖塊）懸吊在上部相對穩(wěn)固的巖層之上，進(jìn)而能夠較好的抑制巖層與巖塊的冒落。而對于錨桿本身來說，錨桿本身承擔(dān)的拉力源于被懸吊的巖體的本身重量，然后依據(jù)這個認(rèn)識來設(shè)計錨桿的支護(hù)參數(shù)。
?。?）錨桿的組合梁作用
在沒有較為穩(wěn)定的巖層提供懸吊支點(diǎn)的薄層狀巖層里，通過錨桿的拉力把這些層狀地層有機(jī)地組合起來，最終形成組合梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行巷道圍巖的支護(hù)。組合梁作用的實(shí)質(zhì)就是利用錨桿的預(yù)拉應(yīng)力把我們原看作疊合梁(板)的某些巖層相對的擠緊，進(jìn)而大幅度地加強(qiáng)巖層間的相互摩擦力。而且錨桿自身同樣會提供某種程度的抗剪切的作用，來相對阻止他們的層間的相對錯動。利用這些錨桿將數(shù)層相對薄的巖層組合成像是用鉚釘加固的組合梁結(jié)構(gòu)，當(dāng)這個時候，被我們錨固的巖層就能夠當(dāng)成組合梁，全部的錨固巖層都可以一起進(jìn)行變形，頂板巖層抗彎剛度同樣會有較為顯著的增強(qiáng)。
?。?）減跨理論
減跨理論是建立在上述兩種組合梁和懸吊理論的基礎(chǔ)上的，這種理論將兩者的有機(jī)的結(jié)合起來。這種理論既強(qiáng)調(diào)錨桿的懸吊作用，又強(qiáng)調(diào)錨桿對頂板的縫合作用。這種理論將相對而言較為不穩(wěn)定的頂板巖層視為是支撐在兩幫的疊合梁(板)。人們在進(jìn)行巷道圍巖支護(hù)的時候，錨桿可以越過疊合梁并且錨固在相對而言較為穩(wěn)定的巖層里面。當(dāng)施加緊固以后，錨桿一方面能夠很好地將這些巖層縫合成有機(jī)的組合梁，與此同時，另一方面又能夠很好地將組合梁懸吊在相對而言較為穩(wěn)定的一些巖層里面。在緊固端處就相當(dāng)于構(gòu)成了一個較為穩(wěn)定的支點(diǎn)。這樣就能夠在一定程度上使巖石相對難以產(chǎn)生變形與破壞。
2、影響錨桿支護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定的因素
?。?）巷道圍巖應(yīng)力
隨著煤礦開采深度的增加，煤礦巷道周圍承受的壓力增大，巖體結(jié)構(gòu)的控制作用在很大程度上受巖體內(nèi)的應(yīng)力和巖體(煤層)賦存環(huán)境的影響。圍巖的應(yīng)力環(huán)境取決于巖體(煤層)的賦存環(huán)境和工程活動。環(huán)境因素包括地應(yīng)力、地下水、煤層厚度、煤層傾角等。影響巷道圍巖應(yīng)力的環(huán)境因素有原巖應(yīng)力、巷道埋深、斷面形狀、采掘應(yīng)力等。
?。?）支護(hù)時間、巷道掘進(jìn)速度
隨著煤礦開采進(jìn)度的進(jìn)行，需及時對巷道進(jìn)行錨桿支護(hù)，巷道開挖后在圍巖表面為二向受力狀態(tài)，圍巖徑向應(yīng)力的變化越來越大，如不及時進(jìn)行錨桿支護(hù)，可能使圍巖在應(yīng)力的作用下不斷變形，在支護(hù)時間上要準(zhǔn)確掌握時機(jī)，另外巷道掘進(jìn)的速度影響到巷道圍巖和支護(hù)體的力學(xué)狀態(tài)。速度過慢會造成支架)圍巖共同作用體系的破壞而處于不穩(wěn)定狀態(tài)，影響安全生產(chǎn)。
3、煤礦深部掘進(jìn)錨桿支護(hù)的應(yīng)用
3.1錨桿形式
?。?）錨桿桿體，目前錨桿支護(hù)技術(shù)中使用的錨桿均是鋼錨桿，隨著技術(shù)的發(fā)展，左旋螺紋鋼錨桿被制造出來并應(yīng)用在錨桿支護(hù)中，這種錨桿是采用優(yōu)質(zhì)鋼材軋制而成的，其強(qiáng)度比普通的桿體高，3~4倍，達(dá)到了高強(qiáng)度、超強(qiáng)度的級別，在高應(yīng)力區(qū)的巷道支護(hù)中有著很好的應(yīng)用效果，且由于其表面有紋理，不需要再對其進(jìn)行特殊的處理就能是錨桿和錨固劑之間有較大的粘結(jié)力，有效地提高了圍巖的強(qiáng)度和剛度，在高應(yīng)力區(qū)巷道，尤其是服務(wù)時間較長的巷道中的作用十分顯著。
?。?）錨固方式，錨桿支護(hù)中錨桿的錨固方式有很多中，其中最常用的時樹脂錨固式，這種方式的錨固力較大，穩(wěn)定可靠，且安裝方便，是一種比較理想的錨固方式。在錨固中，根據(jù)錨固長度的不同有全長錨固、端錨固和加長錨固。使用全長錨固方式錨桿能夠提供較大的支護(hù)力，錨固體的剛度和強(qiáng)度都比較大，且就算局部出現(xiàn)問題，對整體的錨固影響也不大，但這種方式需要的樹脂量大，施工難度較大，成本較高&端錨固使用的樹脂量小、費(fèi)用低，但錨桿的尾端承受壓力較大，尾端的螺絲和錨桿的附件容易被破壞，且局部有問題會直接導(dǎo)致整根錨桿失去作用，一般只在圍巖整體性較好巷道中才使用這種錨固方式&加長錨固的錨固力比全長錨固略低，但要明顯高于端錨固，在施工中，使用的樹脂量也不是太大，在一些圍巖完整性相對較好的巷道中，會使用采用這種方式。
3.2深部煤巷錨桿支護(hù)監(jiān)控設(shè)計法
在深部掘進(jìn)錨桿支護(hù)施工前，需對錨桿支護(hù)的參數(shù)進(jìn)行精確的設(shè)計計算，目前常用的設(shè)計方法是一種動態(tài)設(shè)計方法，該方法是以對地應(yīng)力場及其對巷道穩(wěn)定性的影響方式，圍巖變形失穩(wěn)規(guī)律，錨桿支護(hù)機(jī)理與支護(hù)特性3個方面的正確認(rèn)識為理論依據(jù)，以現(xiàn)場調(diào)查、工程實(shí)例為依托手段和表現(xiàn)形式，以解釋實(shí)測和觀測結(jié)果從而實(shí)施監(jiān)控所應(yīng)遵循的工程準(zhǔn)則為核心內(nèi)容的一種系統(tǒng)性的煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計方法。分析巖體條件，對于具體巷道作細(xì)致的調(diào)查分析，弄清楚圍巖的巖石強(qiáng)度，巖石性質(zhì)，以及巖體的節(jié)理裂隙發(fā)育程度、沉積變化和構(gòu)造影響等。初步設(shè)計，根據(jù)調(diào)查的巖體，采動構(gòu)造條件，試驗(yàn)資料及同類條件的工程實(shí)踐等，借助于工程類比確定支護(hù)結(jié)構(gòu)、形式和參數(shù)，對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)計，并在實(shí)施過程中根據(jù)工程反饋的信息作出修改。礦壓觀測，了解巷道施工與初步設(shè)計的一致性，并排除施工質(zhì)量影響因素。礦壓觀測采用常規(guī)觀測法，觀測巷道圍巖變化和頂板離層量，觀測錨桿受力以及錨桿、錨索應(yīng)力檢測，觀測結(jié)束后，對礦壓觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析，評價巷道支護(hù)設(shè)計的適應(yīng)性，合理性及存在的問題，提出修改意見，使其不斷完善。
3.3施工技術(shù)要求及保障措施
在錨桿支護(hù)技術(shù)施工中，須按照設(shè)計和相關(guān)的施工要求進(jìn)行。錨桿間的誤差范圍要控制在50mm。短掘、快錨、及時支護(hù)，最大控頂距不得超過2.4m，頂板破碎時不得超過1.0m，錨索緊跟工作面。以下五采3、左五路深部煤層煤巷支護(hù)參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)計：斜頂矩形，錨、索、網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，錨桿1.0×1.0m，錨索2m一對。錨桿(索)孔采用單體風(fēng)動錨桿鉆機(jī)施工，保證三徑匹配合理，孔深誤差正負(fù)30mm，鉆孔角度符合規(guī)定，必須清孔。保證錨固力，錨固劑按規(guī)定使用，尤其攪拌時間必須保證使錨桿達(dá)到設(shè)計預(yù)緊力。
結(jié)語
通過開展錨桿強(qiáng)化支護(hù)體系的應(yīng)用研究，采用超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力組合錨桿支護(hù)技術(shù)及各種補(bǔ)強(qiáng)措施，充分調(diào)動圍巖自身承載能力，有效控制了巷道圍巖變形，實(shí)現(xiàn)了巷道長期穩(wěn)定，滿足了礦井的安全、高效、穩(wěn)定、和諧發(fā)展，并為該類煤層巷道推行錨桿支護(hù)技術(shù)提供了參考和借鑒。全煤巷道組合錨桿支護(hù)技術(shù)對于頂、幫煤體支護(hù)效果好，形成錨固平衡拱，有效地保持了其完整性和穩(wěn)定性，巷道在整個服務(wù)期限內(nèi)不需維護(hù)，簡化了綜采面端頭的維護(hù)工序，確保了綜采面穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)及安全生產(chǎn)。基于動態(tài)設(shè)計思想進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計，從而克服以往設(shè)計方法的不足，對在煤巷中推廣和發(fā)展錨桿支護(hù)技術(shù)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。
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