浅谈锚杆联合技术在煤矿矿井深部巷道中的应用

2022-09-11

随着矿井开采规模加强和开采向纵深发展, 煤矿矿井深部巷道多采用周边支护技术, 尤其周边为软岩地质, 支护技术运用的好坏, 是煤炭开采向纵深发展和安全生产的关键。锚杆联合支护——锚网索复合支护形式是一种即经济又先进的支护形式, 如何在软岩巷道中应用好这种支护形式, 具有重要研究价值。

1 深部巷道围岩受力机理及变形影响因素

1.1 软岩巷道变形受力机理

(1) 软岩巷道的变形呈蠕变变形三阶段的规律, 并且具有明列显的时间效应。初期来压快、变形量大, 巷道自稳能力很差, 如果不加以控制很快就会发生岩块冒落, 直至造成巷道破坏。如果用钢性支架强行支护而不适应软岩的大变形特性, 则巷道也难以维护, 造成支架被压坏、巷道垮落。

(2) 软岩巷道多为环向受压, 且非对称。巷道开挖后不仅顶板变形易于冒落, 底板也将产生强烈的底鼓。如果对巷道底鼓不加以控制, 则会出现严重的底鼓并导致两帮破坏, 顶板冒落。

(3) 软岩巷道变形一般随矿井深度加大而增大。不同矿区、不同地质条件下都存在一个软化临界深度, 超过临界深度, 支护的难度明显增大, 且巷道变形在不同的应力作用下, 具有明显的方向性。

(4) 软岩的失水和吸水均可造成软岩发生膨胀变形破坏和泥化破坏。

1.2 软岩巷道变形破坏的影响因素

(l) 岩性因素:岩体本身的强度、结构、胶结程度及胶结物的性能, 膨胀性矿物的含量等, 这均是影响软岩巷道变形的内在因素。

(2) 工程应力的影响:垂内应力、构造残余应力及工程环境和施工的扰动应力, 邻近巷道施工、采动影响等, 特别是多种应力的迭加情况影响更大。

(3) 水的影响:包括地下水及工程用水, 尤其是对膨胀岩, 水对其变形的影响极大, 水不仅造成粘土质岩的膨胀, 同时还大大的降低了岩石的强度。

(4) 时间因素:流变是软岩的特性之一, 巷道的变形与时间密切相关。

2 深部巷道围岩高应力破坏特点及支护对策

2.1 深部巷道围岩高应力破坏特点

(1) 变形量大。巷道的收敛变形从数厘米到数十厘米, 最大可达1.0米以上, 严重者可封堵整个巷道。从变形破坏来看, 岩体以挤出大变形为主, 有巷道侧帮的张拉挤出破坏, 有巷道顶板挤出下沉, 也有巷道的强烈底鼓。

(2) 初期变形速率大并有明显的时间效应。巷道开挖后, 主要表现为初始变形速度很大, 在高应力的作用下, 变形趋向稳定后仍以较大的速度产生流变, 且持续时间很长, 具有明显的时间效应。如果不采取有效的支护措施, 围岩变形的急剧增大, 势必导致巷道的失稳破坏。

(3) 围岩变形有明显的空间效应。巷道所在的深度不仅对围岩变形和稳定状态有明显的影响, 而且影响程度很大。埋藏深度越大, 即使围岩强度较高, 其破坏程度也会很大, 维护也十分困难。

2.2 深部巷道围岩支护对策

(1) 加强网的强度和刚度, 或在局部薄弱环节增加锚梁支护, 以增强围岩表面约束能力, 限制破碎区向纵深发展。

(2) 适时进行二次支护且二次支护适当地增加锚索的强度, 如适当加长锚杆, 增加托梁、钢带等, 以保证初期支护具有一定的柔性。在巷道不失稳的前提下, 允许围岩有较大的变形, 让其充分地释放能量。

(3) 实现深部高应力软岩巷道厚壁支护。一是采用全长锚固全螺纹钢等强锚杆, 增加围岩自承圈厚度, 实现厚壁支护;二是进行锚索加固, 由于锚索长度较大, 能够深入到深部较稳定的岩层中, 锚索对被加固岩体施加的预应力高达200kN, 限制围岩有害变形的发展, 改善了围岩的受力状态, 增加围岩自承圈厚度, 实现厚壁支护;三是改变支护结构, 在巷道的两底脚增加斜拉锚杆或巷道底板开挖成反底拱形并锚喷 (梁) 支护, 从而形成完整的、封闭的支护整体。

(4) 减少围岩的破坏, 增大围岩的强度, 提高围岩自承能力。一是推广光面爆破, 减少围岩震动, 控制围岩环向裂隙, 尽量保持围岩的整体强度;二是尽量保持巷道周边的光滑平整, 避免产生应力集中;三是采用膨胀材料充满锚杆孔, 形成全长锚固。

3 软岩深巷道锚网联合支护设计与施工要点

3.1 耦合支护设计提出

锚网联合支护技术也称锚网索耦合支护, 它是指针对软岩巷道围岩由于塑性大变形而产生变形不协调部位, 通地锚网—围岩以及锚索—关键部位支护的耦合而使其变形协调, 从而限制围岩产生有害的变形损伤, 实现支护一体化、载荷均匀化, 达到巷道稳定的目的。

锚网耦合支护设计应在收集资料的基础上, 从判清软岩类型入手, 确定软岩巷道的变形力学机制, 进行耦合对策设计、耦合过程设计和耦合支护参数设计。

3.2 锚网耦合支护设计主要内容

(1) 地质力学评估。地质力学评估是整个设计的基础, 应在广泛、全面的现场工程地质调查的基础上进行。

(2) 软岩类别的判别。软岩类别的判定方法有指标判别法和物化特性判别法。指标判别法主要是根据软岩工程分类指标进行了判别。物化特性判别法是根据软岩生成的地质年代不同所表现出的不同物化特性进行判别。

(3) 耦合对策设计。软岩巷道成功支护的关键是正确确定软岩的变形力学机制及其复合型。不同的变形力学机制类型有不同的支护技术对策, 而且软岩巷道类型的共性是具有“并发症”和“综合症”的复合型。因此, 耦合对策设计的内容包括: (1) 变形力学机制的确定; (2) 围岩结构耦合; (3) 支护系统耦合; (4) 耦合转化技术确定。

3.3 锚网耦合支护施工要求

锚网耦合支护施工首先对巷道实施锚网初次耦合支护, 然后在关键部位实施锚索二次耦合支护。

(1) 锚网初次偶合支护。施工过程中, 应选择与巷道围岩耦合的支护材料, 对围岩施加锚网耦合支护。初次耦合支护应在充分释放巷道围岩的变形能的同时, 通过锚网与围岩在刚度、强度上实现耦合, 从而最大限度的发挥巷道围岩的自承能力。初次耦合支护巷道围岩变形能的释放是通过使用复合托盘来实现的, 复合托盘就是铁托盘内加木托盘。

(2) 锚索二次耦合支护。实施初次耦合支护后, 通过对巷道顶底板、两帮移近量和锚杆托盘应力的监测, 确定支护的最佳时间和关键部位, 对关键部位施加高顶应力锚索, 实施二次耦合支护。二次耦合支护是通过调动深部围岩强度, 使支护体与围岩在结构上达到耦合, 使支护体与围岩达到最佳的耦合支护力学状态。

在二次耦合施工中, 锚索关键部位二次耦合支护时间及其支护强度决定了支护体与围岩间是否达到真正意义上的耦合。二次耦合支护的最佳支护时间就是关键部位出现的时间, 即出现了鳞片状剥落高应力腐蚀现象。此时进行二次耦合支护, 才能充分发挥二次耦合支护的强度, 实现巷道的稳定。过早或过晚进行支护, 可能造成锚索施加部位的应力集中或结构失稳。调查研究表明, 巷道表面各点变形余量达到设计余量的60%, 即进入二次耦合支护时间。

(3) 二次支护强度的确定。二次耦合支护强度, 就是锚索施加顶应力的大小。二次耦合支护强度应为锚杆所承担的最大支护荷载, 过大的支护造成锚固部位的应力集中, 过小支护强度则起不到加强支护的目的。

(4) 反馈设计。由于地质条件的变化, 设计参数不可能完全合理, 应在施工过程中进行监测, 对监测结果做认真的分析, 对巷道的稳定性进行判断, 适时修改支护参数, 优化巷道设一计, 确保巷道支护成功。

(5) 耦合支护成败的判断。锚杆受力状态判断:锚网-围岩耦合作用的结果, 随着围岩受力集中应力区向低应力区的进行转化, 锚杆的受力状态也发生变化。顶部锚杆受力下降, 侧部锚杆受力增加, 实现了集中荷载到低荷载区的自动扩散转移, 达到了锚杆荷载的均匀化。

关键部位判断准则:关键部位的产生是支护体与围岩不耦合支护的一个主要特征, 因此, 可以根据巷道实施支护后, 其产生鳞片状剥落、片状支护体剥落等高应力腐蚀现象的部位的多少, 来判定是否达到耦合支护状态。实现耦合支护的特征是实施支护后, 关键部位不再产生。

4 结语

锚网耦合支护技术真正的意义就是充分利用了围岩的自承能力。软岩巷道实现优化意义上的支护关键是最佳支护时间概念的建立和最佳支护时段的确定。在锚网索耦合支护中, 锚网初次耦合支护的作用是围岩应力集中区在协调变形过程中, 实现应力的转移和扩散, 从而在巷道周边形成一定厚度的承压拱。锚索的作用是二次关键部位的加强支护, 实质是在充分发挥锚网支护强度的同时, 调动深部岩体的强度, 抑制关键部位的出现, 最终达到支护的目的。

摘要：深部巷道围岩破坏是制约矿井向纵向发展的决定性因素, 本文深入地分析了围岩的受力机理及影响因素, 阐述了围岩破坏的特点, 提出了采用锚网耦合支护技术对矿井深部巷道进行加固施工要点。

关键词：矿井深部巷道,锚杆,锚网,围岩