淺議復(fù)合頂板下巷道的錨桿支護(hù)

1、淺議復(fù)合頂板下巷道的錨桿支護(hù)安全072 孫博摘 要:煤巷錨桿支護(hù)在實(shí)際施工中 ,經(jīng)常會(huì)遇到各種各樣的問(wèn)題 ,給煤巷錨桿支護(hù)帶來(lái)很多困難 ,復(fù)合頂板就是其中之一。文章主要從錨桿的支護(hù)原理、 支護(hù)設(shè)計(jì)、 支護(hù)監(jiān)測(cè)等方面 ,對(duì)復(fù)合頂板錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)相關(guān)依據(jù)進(jìn)行了闡述 ,以期對(duì)復(fù)合頂板條件下巷道支護(hù)設(shè)計(jì)起到一定指導(dǎo)作用。關(guān) 鍵 詞：復(fù)合頂板、錨桿支護(hù)、錨桿錨索 煤巷沿頂板掘進(jìn)時(shí)常遇到復(fù)合頂板 ,所謂復(fù)合頂板是指在煤層頂板由多層巖層和煤線間隔復(fù)合而成 ,層間粘結(jié)力弱 ,暴露易發(fā)生離層 ,支護(hù)不良時(shí)還可能發(fā)生大面積垮落事故。過(guò)去采用的是工字鋼架棚支護(hù) ,由于架棚支護(hù)是一種被動(dòng)支護(hù) ,易造成巷道兩幫及頂?shù)装逡?/p>

2、近量大 ,支架損壞嚴(yán)重 ,造成前掘后修的現(xiàn)象 ,嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。為解決這一施工難題 ,在現(xiàn)階段的技術(shù)條件下 ,復(fù)合頂板支護(hù)方式很多 ,錨桿支護(hù)以其良好的優(yōu)越性排在所有支護(hù)方案的前列。但大量的實(shí)踐又證明 ,選用單一的、 一成不變的支護(hù)設(shè)計(jì)方案 ,是不符合復(fù)合頂?shù)膹?fù)雜性和多變性支護(hù)要求的 ,只有因地制宜 ,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)合頂板的狀況 ,采用不同參數(shù)的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方案 ,才能取得比較好的效果。錨桿支護(hù)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了巷道支護(hù)方面的一次重大革命。以前傳統(tǒng)的支護(hù)方式存在一些弊端，如砌譴巷道，巷道掘進(jìn)斷面大，支護(hù)厚度大，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，掘進(jìn)速度慢，材料消耗大，支護(hù)成本高等缺點(diǎn)。又如，棚式支架，首先是支護(hù)成本

3、高，鋼材消耗量巨大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，因而造成掘進(jìn)速度也較慢。這兩種支護(hù)方式均屬被動(dòng)支護(hù)，即隨著巷道地應(yīng)力的增大，巷道的支護(hù)厚度或工字鋼的。支護(hù)技術(shù)目前美國(guó)澳大利亞巷道錨桿支護(hù)率達(dá)90以上西歐一些主要產(chǎn)煤國(guó)錨桿支護(hù)率也達(dá)到了80%以上。我國(guó)經(jīng)過(guò)多年的推廣應(yīng)用錨桿支護(hù)技術(shù)，巖巷錨桿支護(hù)率達(dá)到了80%。煤巷錨桿支護(hù)率僅為40%，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有一定的差距。隨著開(kāi)采深度的增加及地質(zhì)條件的復(fù)雜化，巷道圍巖應(yīng)力增大。另外，沉積巖類頂板一般較軟弱，且裂隙較發(fā)育，煤礦巷道更難維護(hù)，現(xiàn)根據(jù)錨桿支護(hù)相關(guān)理論 ,并結(jié)合多年錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn) ,對(duì)支護(hù)原理、 支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。1. 支護(hù)原理隨著錨

4、桿支護(hù)的實(shí)踐應(yīng)用，錨桿支護(hù)的理論也在不斷的產(chǎn)生和完善。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于錨桿支護(hù)理論主要有以下幾種形式:11懸吊理論1.1.1懸吊理論簡(jiǎn)述 1952年路易斯阿帕內(nèi)科L(ui.Apnake)等發(fā)表了懸吊理論，懸吊理論認(rèn)為錨桿支護(hù)的作用就是將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在上部穩(wěn)固的巖層上，在預(yù)加張緊力的作用下，每根錨桿承擔(dān)其周圍一定范圍內(nèi)巖體的重量，錨桿的錨固力應(yīng)大于其所懸吊的巖體的重力。 2組合梁理論2.1組合梁理論22.1組合梁理論簡(jiǎn)述基本假設(shè):沉積巖類巖石的空間分布是層狀結(jié)構(gòu)，每層巖石都有一定的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，但相互間缺少粘結(jié)力或粘結(jié)力很弱?；谶@一假設(shè)，按材料力學(xué)理論可知，無(wú)錨桿時(shí)巷道

5、頂板巖石為疊合梁結(jié)構(gòu)，在受到其上部圍巖的應(yīng)力作用后，各層單獨(dú)變形，層與層之間容易產(chǎn)生滑移從而導(dǎo)致離層;而頂板采用錨桿支護(hù)時(shí)，錨桿穿過(guò)各層狀巖層形成組合梁，共同抵抗圍巖應(yīng)力，故變形較小，從而起到支護(hù)的作用。見(jiàn)圖1一2組合梁作用原理。即多層組合梁的最大拉應(yīng)力為多層迭合梁最大拉應(yīng)力的1n/，最大撓度為多層迭合梁的，可見(jiàn)組合梁的應(yīng)力狀態(tài)要比迭合梁的應(yīng)力狀態(tài)好得多。2.3減跨理論2.3.1減跨理論簡(jiǎn)述在懸吊作用理論及組合梁作用理論的基礎(chǔ)上，提出了減跨理論，該理論認(rèn)為:錨桿末端固定在穩(wěn)定巖層內(nèi)，穿過(guò)薄層狀頂板，每根錨桿相當(dāng)于一個(gè)鉸支點(diǎn)，將巷道頂板劃分成小跨，從而使頂板撓度降低。見(jiàn)圖1一3減跨作用原理。通過(guò)

6、比較可知，在巷道頂板上安裝錨桿之后，將巷道頂板劃分成多個(gè)小跨，成為多跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，其冒落拱高度及頂板下沉量均有大幅度的降低，從而使巷道圍巖更加穩(wěn)定。24三鉸拱理論2.4.1三鉸拱理論簡(jiǎn)述危險(xiǎn)巖塊在錨桿作用下，巖塊相互搭接，形成一個(gè)三鉸拱，其計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1一4。計(jì)算原理如下:2.5組合拱理論2.5.1組合拱理論簡(jiǎn)述對(duì)于拱形巷道，前四種理論均不符合，而拱形斷面巷道又是煤礦井下最常見(jiàn)的巷道斷面形式。組合拱理論認(rèn)為:在沿拱形巷道周邊布置錨桿后，在預(yù)緊錨固力的作用下，每根錨桿都有一定的應(yīng)力作用范圍，只要取合理的錨桿間距，其應(yīng)力作用范圍會(huì)相互重迭，從而形成一連續(xù)的擠壓加固帶即厚度較大組合拱，該加固帶的厚度

7、是普通砌暄支護(hù)厚度的數(shù)倍。故能更為有效地抵抗圍巖應(yīng)力，減少圍巖變形，其支護(hù)效果明顯好于普通砌暄支護(hù)。按組合拱理論，錨桿的間排距與壓縮拱厚度的關(guān)系可由下式確定。錨桿長(zhǎng)度按L=1.6-1.8m，錨桿間排距按a=0.6-0.8m取值時(shí)，則擠壓加固拱的厚度b=0.9一1.2m，且錨固體具有較好的可縮性。錨桿設(shè)計(jì)主要采用組合拱理論 ,錨索設(shè)計(jì)主要采用懸吊補(bǔ)強(qiáng)理論。1.1錨桿的作用錨桿形成承載基礎(chǔ) ,既然錨桿支護(hù)無(wú)法阻止深層巖體的松動(dòng) ,那么也無(wú)需特別提高頂板支護(hù)體強(qiáng)度 ,只需把錨桿的延展性、 高抗拉強(qiáng)度、 抗剪強(qiáng)度的優(yōu)越性發(fā)揮出來(lái)。錨桿錨固厚度小 ,錨固體擴(kuò)容變形量相對(duì)較小 ,擴(kuò)容應(yīng)力也較小 ,利用全長(zhǎng)

8、錨固等強(qiáng)螺紋鋼錨桿支護(hù) ,可滿足復(fù)合頂板底層錨固體的擴(kuò)容變形和擴(kuò)容應(yīng)力 ,形成初期支護(hù)階段的頂板擠壓加固拱平衡狀態(tài)。1.2錨索的作用錨索形成穩(wěn)定承載體 ,利用鋼絞線錨索預(yù)應(yīng)力對(duì)巖體擠壓加固作用 ,使錨索與錨桿支護(hù)相互促進(jìn)、相互補(bǔ)強(qiáng)。錨索有很好的延展性和抗拉強(qiáng)度 ,使錨索形成的錨固巖體在巷道頂板中部形成一條強(qiáng)度大、 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的承載體。錨索錨固點(diǎn)處在松動(dòng)圈之外 ,增加了頂板承載體的穩(wěn)定性。錨索布置在兩排錨桿之間 ,增加了支護(hù)的密度 ,錨索的高延展性、 高強(qiáng)度 ,進(jìn)一步提高了承載體的強(qiáng)度、 塑性和抗彎曲破壞能力 ,提高了承載體的自穩(wěn)能力。1.3金屬網(wǎng)的作用金屬網(wǎng)能夠托住擠入巷道的巖石 ,將錨桿之間非

9、錨固巖層載荷傳遞給錨桿 ,有效地控制錨桿之間非錨固巖層的變形;金屬網(wǎng)托住已碎裂的巖石 ,防止碎裂巖體的垮落 ,雖然巷道圍巖已破裂 ,由于碎石的碎脹作用 ,使巷道深部巖石仍保持三向應(yīng)力狀態(tài) ,大大提高了巖體的殘余強(qiáng)度。2.支護(hù)設(shè)計(jì)巷道初始設(shè)計(jì)采用工程類比法與理論計(jì)算相結(jié)合的方法 ,在組織施工過(guò)程中 ,靈活運(yùn)用支護(hù)參數(shù)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法 ,對(duì)初始設(shè)計(jì)予以修正。在錨桿支護(hù)范圍內(nèi)無(wú)穩(wěn)定頂板，頂板巖層均為相對(duì)較薄的層狀頂板。在錨桿預(yù)緊力作用下，每一根錨桿周圍形成母線與軸線成45“夾角的雙錐體結(jié)構(gòu)，多根錨桿聯(lián)合作用時(shí)，其重迭區(qū)域形成壓縮巖梁見(jiàn)圖4一5。該壓縮巖梁的厚度為錨桿支護(hù)的有效厚度，設(shè)錨桿長(zhǎng)度為L(zhǎng)，錨桿間距

10、為w，則壓縮巖梁厚度為:由式4一15至4一19可知，由于錨桿組合了j層巖石，其上巖層相應(yīng)減少j層，自重應(yīng)力也隨之減小，而頂板的厚度則變?yōu)閘>h，剪應(yīng)力和拉應(yīng)力都有很大的降低。要考察頂板是否破壞，應(yīng)比較最大拉應(yīng)力是否超過(guò)頂板加錨桿后的容許拉應(yīng)力若超過(guò)了頂板就會(huì)破壞，否則，巷道頂板穩(wěn)定。與式4一12相比，若板錨桿使多層頂板擠壓加固，其抗拉強(qiáng)度提高至8MPa，且a值由2m變?yōu)?.6m，此時(shí)所需的錨桿加固巖層的厚度為:考慮到頂板巖層原生缺陷，按此計(jì)算則錨桿的長(zhǎng)度至少要達(dá)4m以上，而錨桿加長(zhǎng)后，錨桿本身的變形量大，且實(shí)際施工也很困難，因而目前煤炭系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的錨桿長(zhǎng)度一般不超過(guò)2.5m。否則，則考

11、慮增加錨索支護(hù)。在頂板巖層中有穩(wěn)定巖層此時(shí)要考慮該穩(wěn)定巖層的位置及其厚度在錨桿預(yù)緊力作用下，其受力簡(jiǎn)圖如圖4一6所示。錨桿固定在穩(wěn)定巖層內(nèi)(第j層巖石)，將下部不穩(wěn)定巖層懸吊起來(lái)。在錨桿預(yù)緊力作用下，薄層狀頂板形成組合梁，并與其上的穩(wěn)定巖層共同形成組合懸吊巖梁結(jié)構(gòu)。下變化:頂板巖梁總厚度為:此時(shí)頂板巖梁的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力作如2.1設(shè)計(jì)方法1)工程類比法:根據(jù)要設(shè)計(jì)巷道的地質(zhì)條件 ,通過(guò)類比相似地質(zhì)條件的巷道支護(hù)設(shè)計(jì) ,得出支護(hù)方案。2)頂板懸吊理論驗(yàn)算:根據(jù)頂板復(fù)合層的厚度來(lái)確定頂板冒落拱的高度 ,采用理論公式進(jìn)行驗(yàn)算。3)支護(hù)參數(shù)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法:核心是頂板巖層結(jié)構(gòu)探測(cè)與支護(hù)后頂板變形監(jiān)測(cè)和穩(wěn)定性預(yù)

12、測(cè)技術(shù) ,采用打錨索孔或地質(zhì)探測(cè)孔的方法探測(cè)頂板的巖層結(jié)構(gòu) ,根據(jù)探測(cè)結(jié)果 ,優(yōu)化、 調(diào)整支護(hù)參數(shù)。隨著掘進(jìn)面的推進(jìn) ,動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)頂板的巖層變化趨勢(shì) ,根據(jù)探測(cè)的結(jié)果及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患。并修改和調(diào)整待掘進(jìn)區(qū)域設(shè)計(jì)。消除對(duì)圍巖條件變化反應(yīng)滯后的現(xiàn)象 ,對(duì)每個(gè)區(qū)域都能根據(jù)最新的實(shí)時(shí)反饋信息 ,得到符合實(shí)際的錨桿支護(hù)參數(shù)。確保支護(hù)安全可靠 ,經(jīng)濟(jì)合理 ,技術(shù)可行 ,取得良好支護(hù)效果。2.2設(shè)計(jì)內(nèi)容 錨桿、 錨索間排距及長(zhǎng)度 ; 支護(hù)材料選擇。2.3設(shè)計(jì)流程 錨桿支護(hù)參數(shù)初始設(shè)計(jì); 現(xiàn)場(chǎng)施工組織; 頂板巖層結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)探測(cè); 支護(hù)效果監(jiān)測(cè); 參數(shù)修改 ,完善錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)。2.4礦壓觀測(cè)及優(yōu)化支護(hù)參數(shù)1)觀測(cè)內(nèi)容

13、:包括頂板離層儀內(nèi)外離層、 巷道表面位移、 頂板鉆孔窺探儀觀測(cè)。2)支護(hù)參數(shù)優(yōu)化:根據(jù)礦壓信息 ,不斷修正設(shè)計(jì) ,循環(huán)往復(fù)最后達(dá)到參數(shù)的最優(yōu)化。同時(shí)對(duì)支護(hù)后的巷道頂板進(jìn)行變形監(jiān)測(cè) ,預(yù)測(cè)頂板危險(xiǎn)區(qū)域采取控制措施 ,消除安全隱患。2.5煤壁管理在巷道施工過(guò)程中 ,往往由于斷面大、 受地質(zhì)構(gòu)造影響、 受動(dòng)壓影響等 ,全錨支護(hù)容易高頂、 片幫 ,導(dǎo)致頂部、 幫部在沒(méi)有來(lái)得及支護(hù)之前 ,煤就已經(jīng)塌幫。嚴(yán)重影響到巷道成形質(zhì)量 ,且給錨桿打設(shè)質(zhì)量的控制增加難度。針對(duì)復(fù)合頂板條件下 ,大部分煤體松軟的特性可采取以下一系列改進(jìn)措施: 1)鋼筋網(wǎng)全封閉支護(hù): 針對(duì)巷道施工過(guò)程中常出現(xiàn)掉渣空肩現(xiàn)象 ,為有效地對(duì)圍

14、巖起到保護(hù)支撐作用 ,能更好地把頂網(wǎng)和幫網(wǎng)連接成一個(gè)整增強(qiáng)鋼筋網(wǎng)的支撐和傳遞力的作用 ,采用全封閉支護(hù)。2)縮小間排距: 頂幫錨桿間排距由常規(guī)800 mm × 800 mm改為 600 mm × 600 mm。3)塘材笆片護(hù)幫: 由于煤比較松軟 ,普通的鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格較大 ,煤容易外漏 ,在鋼筋網(wǎng)內(nèi)充填塘材笆片 ,能更好地防止煤壁片幫。4)加用木墊板: 在錨桿托盤下加一層木墊板 ,能起到讓壓作用 ,增加彈性 ,防止由于幫頂來(lái)壓 ,造成托盤損壞、 錨桿螺帽崩掉等現(xiàn)象。3結(jié)語(yǔ)1)復(fù)合頂板下的錨桿支護(hù)應(yīng)因地制宜 ,根據(jù)巷道內(nèi)復(fù)合頂?shù)暮穸炔煌约皫r性的差異來(lái)靈活確定錨桿支護(hù)的方式和密度

15、。2)在復(fù)合頂板淋水的特殊地段 ,巷道易片幫 ,頂板易破碎、 離層、 冒落 ,巷道掘進(jìn)工作面環(huán)境較惡劣 ,錨桿、 錨索孔淋水 ,影響了錨桿、 錨索支護(hù)質(zhì)量 ,使支護(hù)難度增大 ,影響巷道掘進(jìn)速度。3)對(duì)于頂板淋水的地段 ,頂板因淋水造成泥巖膨脹和強(qiáng)度弱化 ,并對(duì)錨桿、 錨索有腐蝕破壞作用 ,為加強(qiáng)錨索錨固強(qiáng)度 ,保證巷道支護(hù)質(zhì)量 ,在以后的施工過(guò)程中建議采用 D l8 mm或以上錨索加強(qiáng)。4)錨梁網(wǎng)巷道支護(hù)技術(shù)是解決復(fù)合頂板條件下巷道支護(hù)的一條有效途徑 ,可供參考。5)目前的錨桿錨索施工質(zhì)量的檢測(cè)技術(shù)有待進(jìn)一步提高 ,目前大多的傳統(tǒng)檢測(cè)手段基本上都停留在有損檢測(cè)階段。頂部 1 . 2 m煤體 ,打注錨桿后再起底 ,然后打幫錨桿。4)煤層傾角在 45° 以上時(shí) ,防止底