提高煤巷锚杆锚索支护效果探讨

作者简介:徐青云(1976-),男,河北邯郸人,2007年毕业于太原理工大学采矿工程专业,硕士,讲师,从事采矿工程方面的研究。

提高煤巷锚杆锚索支护效果探讨

徐青云

(山西大同大学工学院,山西大同　037003)

摘　要:分析了预应力锚索工程特性、破断力和锚索工程延伸量;当锚杆与预应力锚索同时安装时,

锚杆与锚索对围岩起到共同加固作用,提高锚岩支护体的承载能力,保持围岩稳定,提高锚索延伸量是保证联合支护效果的关键。关键词:煤巷;锚杆-锚索;支护效果中图分类号:T D353.6　　文献标识码:B 　　文章编号:1671-749X (2010)01-0027-02

0　引言

煤巷锚杆-锚索联合支护是目前煤巷支护中普遍采用的支护技术,小孔径树脂锚固预应力锚索在

煤巷、深部及复杂困难巷道补强加固支护中使用广泛,具有锚固深度大、强度高、可施加较大预紧力的特点,能显著提高巷道支护的可靠性和安全性。目前存在的问题是锚杆与锚索延伸率不同、对围岩移动的适应性不同,导致了锚杆、锚索联合支护的不协调,锚索被拉断导致事故的现象时有发生。在巷道支护中,如何保证锚杆锚索联合支护效果,是大家十分关心的问题。

1　端头锚固预应力锚索工程特性

在实际应用中,预应力锚索的力学性能是由孔

内锚固端的锚固性能所决定的,而孔内锚固端的锚固性能是由孔壁岩性、锚固剂性能及其搅拌程度、钢绞线、托盘、锚具的性能共同决定的。在锚索深部锚固端可稳定地锚固在坚硬岩层前提下,锚索的力学性能特性主要由钢绞线、锚具的性能以及两者共同作用的综合性能决定。1.1　预应力锚索的抗拉强度及延伸率

预应力锚索的抗拉强度:井下使用的锚索受力条件与实验室有较大差异,如每根钢绞线的锚固程度存在差别、井下锚索钢绞线的使用长度是实验室

检测长度的4倍以上、锚索孔口岩壁与钻孔轴线不

垂直以及动载影响等,这就使得预应力锚索在工程中的实际承载能力低于实验室测得的钢绞线与锚具组装件的承载能力。实验室测得1×7结构的1860MPa 级钢绞线最低破断载荷为260.7kN ,根据现场

对预应力锚索的测试结果,其破断力一般在210～240k N 之间。预应力锚索在工程中的破断力应满

足下式要求:

F m s ≥ηs F apu

式中　F m s ———实际工程中使用的锚索抗拉强度,

kN ;

ηs ———工程条件影响系数,取0.9;

F apu ———锚索静载作用下的抗拉强度,

245.19k N ;

由上式可知,在煤巷锚索设计应用时,最低破断载荷比静载作用下的破断载荷降低了15%左右。

自由段的最低延伸率:工程应用实践表明,煤巷锚索破断载荷低的主要原因是钢绞线各股钢筋受力不匀,当某股钢筋达到破断极限时,有些钢筋还未达到屈服极限,因此第一股钢筋破断的延伸率往往决定了锚索自由段的延伸率。工程锚索自由段的延伸率只是钢绞线总延伸率的51%[2]

,这说明锚索支护

设计时延伸率按3.5%考虑是不可靠的。

1.2　预应力锚索工程特性

在煤巷锚杆支护中,使用锚索加强支护时最关键的两个技术指标是锚索的承载能力及锚索的延伸量。目前煤巷锚索支护没有统一的技术规范,设计时普遍采用悬吊理论进行设计或检验。因此,仅考

7

2第1期　　　　　　　　　　　　　　　　徐青云　提高煤巷锚杆锚索支护效果探讨

m s

)这一指标,忽视了锚索延伸量(ΔL)的指标。在支护实践中,锚索的延伸量关系到锚索对巷道围岩变形的适应程度。在多数条件下,尤其是在岩层软弱时,锚索延伸量是在设计中应该放在第一位的指标,其次才考虑锚索的承载能力。

在煤巷条件下,预应力锚索的两项工程指标:

F m s≥221kN

ΔL≥(1.8-

F y

221

)%×L

式中　F

m s

———锚索破断力;

F y———锚索安装时的预紧力,k N;

ΔL———锚索工程延伸量;

L———锚索自由段长度。

2　锚杆-锚索联合支护作用分析

2.1　锚杆-锚索联系支护存在的问题

当前,煤巷锚杆与锚索联合支护设计思想和支护方法存在着不协调的矛盾,这是支护效果不理想的根源所在。锚杆-锚索联合支护的设计思想是以锚杆支护作为及时支护和加固巷道周围浅部围岩,提高围岩的承载能力和自稳性;同时通过预应力锚索作用,一方面,在锚杆支护的基础上进一步提高支护强度,控制围岩变形破坏;另一方面,当围岩的破坏松动范围超过锚杆的锚固范围时,通过锚索的悬吊作用,将顶板松动区岩石悬吊于深部稳定的岩层之上,防止顶板失控冒落。但是,在工程实践中,锚杆与锚索并不是按着这种支护设计的目标各自发挥着应有的作用,其主要问题是锚索在需要其发挥悬吊作用之前已经产生破断,从而使锚索丧失保证巷道安全的作用和能力。

2.2　煤巷锚杆锚索支护

在煤巷支护中,锚杆既是临时支护又是永久支护,它是巷道支护的主体。与锚索支护结构相比,锚杆属于柔性支护,就支护材料而言,锚杆杆体的延伸率可以达到15%以上,包括高强锚杆型钢也可达到这样的延伸率,是锚索工程材料延伸率的10倍以上。此外,锚杆的锚固范围较小,在煤体中一般不大于2.5m,当顶板下沉量达到150～200mm时,顶板锚杆依然可以不会被拉断。所以,锚杆与锚索同时支护时,是一种柔性与刚性支护的组合,这种组合是不科学、不匹配的,也达不到互补支护的作用,工程实践中有许多这样支护失败的例子。锚杆-锚索联合支护时,只考虑其支护强度指标而不考虑围岩变形和锚索变形量指标,这也是造成巷道支护失败的一个原因。

2.3　软岩变形巷道支护

对于软岩大变形巷道,通过提高锚索支护强度来达到控制围岩变形是不可行的,由于预应力锚索可延伸量较小,仅为顶板变形趋于稳定时变形量的1/4左右,即使加大密度超强支护,也难以将围岩变形量控制在锚索允许的延伸量之内。对于软弱破碎围岩,预应力锚索只起到提高支护强度的作用,而没有发挥出悬吊作用。预应力锚索的破坏原因是在围岩强大的变形压力作用下,锚索的变形超过其允许的延伸量而导致破坏,而非悬吊部分岩层重力所致,因此,按悬吊理论进行锚索支护设计是危险的。同时,围岩在变形破坏过程中作用在锚杆或锚索上的变形压力远远大于锚杆或锚索发挥悬吊作用的承载能力。

3　提高联合支护效果途径

工程实践证明,在围岩软弱破碎条件下,采用锚杆-锚索联合加固进行支护是不成功的。为了避免锚杆-锚索联合支护失效,可以采用类似软岩巷道支护中的二次支护方法及其作用原理进行锚索加强支护,实现锚杆与锚索协调支护。在巷道开挖初期,通过锚杆的加固作用,锚岩支护体的承载能力较高,围岩在一定变形范围内可以保持自身稳定。随着围岩变形量的增大,锚岩支护体的承载能力和自稳性下降,同时围岩集中应力向深部转移,围岩变形趋于稳定。在锚岩支护体失稳之前,再通过锚索的悬吊作用,保持锚岩支护体和围岩的稳定。

保证锚杆-锚索联合支护取得安全稳定的效果,首先要保证支护设计达到两者协调的要求,再者还要通过工程技术手段保证协调支护的实现。在煤巷支护过程中,如果其顶板下沉量超过80～100mm 时,多数情况难以采用锚杆支护的方法长期保持顶板稳定,因此需要采用锚索补强支护,防止顶板冒落。但是在这一条件下,顶板趋于稳定时的下沉量往往明显大于锚索的延伸量,为了达到两者协调支护的目的,必须选择提高锚索延伸量、适应围岩变形的技术措施,实现这一目的的技术途径有:①改变锚索的力学性能,提高钢绞线屈服后的延伸率,从而增加锚索破坏前的总延伸量;②改变支(上转第9页)

82陕　西　煤　炭　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2010年

煤柱。据此首采区风化岩裂隙潜水为矿井直接充水水源,大气降水为间接充水水源。2.3　首采区水害分析

基岩风化裂隙含水层在本区虽然分布普遍,但裂隙的张度,延伸规模有限,无大的水体与之联系。所以单孔涌水量一般100～300m 3

/d,煤层开采随着揭露含水层断面增大而矿井涌水量增加。其矿井涌水动态主要表现为两个峰值阶段。第一个峰值出现在首采面初次老顶来压过程中,冒顶范围区含水层中的水在较短的1～2d 内涌入工作面,形成首次涌水高峰,数日后,水量趋于稳定。再出现突出的高峰值是采区形成一定范围时,地表汇水条件有利,大强度降水通过洼陷区集中渗流到工作面或井巷中,这两个峰值流量可通过加强疏排防治而解决。在开采过程中面临水害危胁的是,含水沙体直接覆盖于薄基岩区的回采区,如本区的探1号孔以东区,海子沟、响水沟河床地段,局部基岩厚度在15m 左右,此种条件,水容易携沙沿导水裂缝带进入矿井,造成泥沙堆积采煤区,威胁采煤安全。据调查目前地方小窑开采,未发生突水、大范围塌陷冒顶事故。煤窑主要开采4-2

和5-2

煤,产量在9万t 左右。已生产的

4个小煤矿,多数矿井涌水量小于300m 3

/d,响水河

煤矿最大排水量770m 3

/d 。今后各小矿开采面积不断延伸增大,地下水流场也随之发生变化,是否影响盘区安全开采,应定期或不定期对周边小煤矿进行调查了解,避免综采工作面与小煤矿贯通。

盘区开采过程中,煤层底板的起伏形态特征对矿井的水害防治有着重要的制约作用,排水仓、排水点应考虑底板的起伏高度,水自流面标高,如首采工作面东、西两侧煤底板明显低洼,中部抬高,高差5m 左右,切眼回采地段一定范围的矿井水形成积水,对此应在这一区有排水设施,当采面回到西部时,矿井水沿西倾的底板向大巷汇流。

3　结论

通过对以往各阶段资料分析,较详细地叙述了首采区水文地质条件,准确评价了矿井充水因素和充水含水层的富水性,取得的水文地质参数真实可

靠,对4-2

煤上覆基岩厚度,风化岩厚度,冒落带高度进行了对比分析,确定风化岩裂隙含水层为直接充水层。参考文献:

[1]　叶贵钧,等.陕北榆神矿区资源开发主要水工环

问题及防治对策[J ].工程地质学报,2000,8(4):

446-455.

[2]　李文平,等.陕北榆神矿区保水采煤工程地质研

究[J ].煤炭学报,2000,25(5):449-454.

[3]　岳正喜,等.陕北侏罗纪煤田榆神矿区凉水井井

田地质勘探报告[R ].西安:陕西省煤田地质局等,2004.

[3]　蒋泽泉,等.榆神矿区凉水井煤矿补充勘探地质

报告[R ].榆林:陕西省煤田地质局一八五队,

2008.

(下接第28页)

护工艺、支护结构和利用锚杆支护巷道的围岩变形

破坏特点,提高锚索的适应性。参考文献:

[1]　马念杰,等.煤巷支护技术与机械化掘进[M ].徐

州:中国矿业大学出版社,2008.

[2]　王金华.试论延伸锚杆对回采巷道围岩作用机理

[J ].煤炭科学技术,1994,22(1).

[3]　康红普,等.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M ].

北京:煤炭工业出版社,2008.

Research on i m provi n g support effect of anchor bolt

and cable i n coal roadway

XU Q ing 2yun

(College of Engineering,Shanxi Dat ong University,Dat ong 037003,China )

Abstract:By analyzing the engineering characteristics,breaking f orce and el ongati on of p restressed cable,the paper believes that i m 2p r oving cable el ongati on is the key of ensuring combined support effect .Key words:coal r oad way;anchor bolt -cable;support effect

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第1期　　　　　　　　　　　　　雷少毅　张　勇　凉水井煤矿首采区水文地质条件分析