深部巷道锚杆支护失效机制及支护对策

2022-12-29

深部巷道锚杆支护是目前井下作业支护的重要研究课题,作为我国煤矿巷道最主要的支护形式,对锚杆支护进行有效的动态监测及状态检测,结合做好锚索耦合支护数值的模拟,能够更好地解决巷道锚杆支护失效问题[1]。这是因为在以往的矿压监测中发现,引起深部巷道锚杆支护失效主要集中在强度、结构及刚度等方面,而这些主要方面使得深部巷道与锚杆支护体之间存在一定的耦合效果差,导致锚杆支护的失效。

1.深部巷道锚杆支护概述

(1)深部巷道锚杆支护原理。

随着我国大中型煤矿开采深度的加深,在深部矿井的煤矿开采中,受垂直作用力的影响显著增加,特别是就深部巷道而言,构造应力场景更加复杂,安全风险明显增加。在力学较高的应力作用下,煤炭开采往往伴随着强烈的扰动,致使巷道周边围岩产生破坏。而与此伴随的危害还有井下透水、围岩产生大的变形甚至坍塌、可燃气体(瓦斯)爆炸。深部巷道锚杆支护通过采用锚杆组合的方式,将锚杆在压缩承载持力层及围岩之间形成一套抗岩体变形的整体支护[2]。

(2)深部巷道锚杆的支护原则。

在深部巷道的锚杆支护设计中,尤其应当注重锚杆的支护强度。因为锚杆强度直接关系到巷道周围岩石强度的强化及支护阻力的增加。在实际的深部巷道锚杆支护设计中,应当遵循三个原则。首先是一次性原则,即当完全揭露出深部巷道的围岩特性,应立即进行强度支护,这样往往能够使得效果最佳;其次是高预应力与预应力扩散的原则,即真正发挥出锚杆支护的价值及作用,增强支护的主动性;最后是锚杆构配件参数与设计力学性能相匹配的原则。

2.深部巷道锚杆支护失效机制分析

(1)深部巷道锚杆支护的失效分析。

在实际的深部巷道锚杆支护的建设中,同样会出现支护失效的问题。正如笔者在前面的论述中所述,在岩体本身结构的影响下,巷道本身的强度、刚度及结构的耦合性较差,岩体本身的变形较大,变形又将应力附加于支护上,降低了锚杆支护的整体控制效果,也使得锚索以及锚杆无法发挥出应有的支护价值,所具有的载体结构亦不足以满足支护的完整性,最终出现支护失效机制。但是,我们也应该认识到,失效机制的形成还有多种原因,需要具体问题具体分析。

(2)深部巷道锚杆支护的失效分析。

深部巷道锚杆支护失效不仅有深部巷道围岩本身的地质条件因素,还有其它各种相关的因素,因而形成锚杆支护失效的原因也是多种多样的。

(3)深部巷道围岩地质条件因素的影响。

在实际的深部巷道锚杆支护过程中,需要对地质情况做好全面的勘察,进而制定关于锚杆支护的有效补充措施,这样才能保证锚杆支护的有效性。在实际的应用中,若深部巷道的构造顶板发生破碎,则会造成巷道顶板的力学结构受到一定冲击,整个巷道围岩力学强度降低,当这种变化逐渐增大,在深部岩土巨大的压力下,顶板处逐渐减弱的强度会致使承受力无法满足支撑要求,锚杆本身所受拉力、压力等也会增加,特别是在外力作用下顶板锚杆被拉出,整个深部巷道的悬吊质量会发生急剧变化。特别是在没有相关动态监测设备下,巷道顶板的变化无法进行有效观测,随着工作时间的增加,必定会发生顶板的垮塌。

(4)施工锚杆、锚索质量的影响。

实际的施工中,施工用锚杆、锚索需要加强管理,尤其在质量方面。锚杆、锚索质量主要体现在两个方面,一是锚杆、锚索本身的质量问题。在不合理的管控下,不符合规定的支护材料进入矿井并投入使用;二是锚杆、锚索等配套性较差。对于锚索的杆体、锚固剂、托盘螺母等,若性能、强度及结构与实际要求不相适应,往往会使支护大打折扣。此外,若存在金属网、钢带不适应与整个支护系统,托盘与锚杆、锚索、钢带不相匹配,都会影响整个支护系统,使支护系统失效。

(5)深度巷道锚杆参数的设计不合理。

深度巷道锚杆参数设计,简单可理解为锚杆设计及支护工作人员在实际的锚杆设计及支护中需要参考的数据标准,作为一个有效参考标准,合理的参数设置往往可以有效保证锚杆支护在成本降低的基础上实现锚杆支护效果的提升。但在现实情况中,考虑到地质条件、作业环境的复杂性,不合理的参数设置往往会导致深部巷道锚杆支护失效。以华苑煤业公司10105轨道顺槽工作面锚杆支护为例,在明确巷道位置、用途、设计长度及服务年限的基础上,综合分析10105轨道顺槽综掘开口施工位置及断面规格,确定采用矩形巷道,进而选择出锚索材料、锚索直径、长度、间距、排距、托板。通过巷道支护材料校核,带入公式计算参数是否能满足计算结果要求。拿下面的支护材料参数表顶锚杆的间、排距来说:

顶锚杆间、排距应满足:

式中:a—锚杆间、排距;G—锚杆设计预紧力,KN/根 (取200);K—安全系数,取1.8;L2—有效长度447.4mm;γ—岩体容重,取25KN/m3。

计算得a≤[200/(1.8×0.447×25)]½=3.15m,所设计锚杆间距0.8m/1m,排距1.0m,小于3.15m,能满足计算结果。

当然,以上是满足计算结果的举例,若计算结果无法满足要求,自然是参数的设计不合理。

(6)施工质量的影响因素。

在深度巷道锚杆的支护过程中,鉴于支护工艺较为复杂,需要与之相匹配的专业施工人员。在实际的支护中,不仅需要考虑锚杆的材质,还需要确定锚杆长度、间距、排距,采用合理的锚杆支护形式,根据锚杆的支护半径不同,还需要确定锚杆的支护密度,因为这些因素的不契合往往带来深部巷道锚杆支护的失效。对于锚杆直径的选择同样需要结合锚杆直径、钻孔直径、钻头直径、锚杆与围岩的结合程度,这其中每一步都影响到锚杆的支护质理,误操作还会影响到整体施工质量,使锚杆失效的概率大大增加。

3.深部巷道锚杆支护对策

我国的煤炭开采在长期的实践中形成了自身的巷道锚杆支护理论。传统方式下形成的理论主要有悬吊、组合梁、加固拱等。随着时代的发展及理论实践的创新,在深入研究巷道内周围岩层的流变、扩容及冲击性的基础上,产生了强力锚杆、应对高预应力的锚杆支护理论,其采用强力锚杆对围岩进行的加固,在极大程度上改善了围岩应力的分布状态,提高了整个深部巷道的整体强度及稳定性。针对锚杆失效机制,主要从以下几个方面进行对策研究。

(1)加强地质勘测工作、日常动态监测及分析

从前面的深部巷道锚杆支护失效机制可以看出,地质原因是锚杆支护失效的重要因素。因此,在实际的锚杆支护中,需要加强地质勘探工作,确保符合规定的支护材料进入矿井并投入使用;通过加强锚杆、锚索等配套性的检测,使锚索的杆体、锚固剂、托盘螺母等性能、强度及结构与实际要求相适应,使金属网、钢带与整个支护系统相适应,使托盘与锚杆、锚索、钢带相匹配。在地质勘测的基础上,确保在掌握大量实际观测数据时,才能根据实际情况选择合理的支护参数及型号,确保支护的有效性及科学性。此外,在深部巷道锚杆支护前、支护中、支护后,还应当综合利用各种电子信息手段,随时掌握深部巷道围岩发展情况、锚杆变形情况等,可在实际观测的基础上结合风险管控及安全隐患排查,使深部巷道锚杆支护失效机制控制在可控范围内。

(2)改善巷道作业方式,提高掘进机械化程度

在巷道掘进之前,围岩所受的应力主要为三向应力,而当巷道开掘后,围岩所受应力主要为二向应力。针对顶板下位岩层受水平应力失稳破坏的情况,应当利用锚杆的约束力作用给失去应力的方向上提供支持力,这样可以有效提高围岩的强度。针对深部巷道锚杆支护质量的影响问题,在实际的作业环节上应当提高掘进的机械化程度,改善巷道作业的方式,提高机械化作业的效率。

(3)提高深部巷道锚杆设计的科学性及有效性

实际的深部巷道锚杆设计中,需要参照既定的参数,这是保证锚杆设计科学的有效依据。鉴于井下作业环境复杂,很多情况锚杆的支护仅仅停留在经验阶段,实际的质量不容易受到控制。因此,在实际的锚杆设计中,不仅需要配备专业的技术人员,同时还要做好其他方面的工作。首先在结合锚杆支护实际经验的基础上,结合深部巷道围岩参数制定合理的设计方案,节约成本的同时保证施工质量;其次,由专业技术人员在进行矿压监测、对围岩顶板、偏移量及受压进行综合观测分析的基础上,再由专业设计人员根据围岩参数确定正确的参数设置,选定最佳设计方案。

(4)加强现场监管,提高工程质量

工程质量关系到深部巷道锚杆支护是否有效,所以在实际的施工中,就需要严格遵循设计规范及操作规程,有效避免人为因素造成的质量影响。可以根据现场实际情况,对锚杆发生裂纹、风化及锈蚀的及时进行修正,通过日常巡检及质量管理制度,强化质量验收的成效。特别要根据锚杆长度、间距、排距,采用合理的锚杆支护形式。对于锚杆直径的选择同样需要结合锚杆直径、钻孔直径、钻头直径、锚杆与围岩的结合程度。