煤巷锚杆支护技术研究现状

朱庆山

摘要:随着煤炭的不断开采,浅部、易开采的煤层已所剩无几,因而需要有新的巷道支护理论与技术来指导巷道维护,确保煤炭的安全生产。

Abstract: With the exploitation of the coal, the coal seams that are shallow are easy to explore become less and less. New theory and techniques should be found to guide the maintenance of the roof bolt support to guarantee the security of coal exploitation.

关键词:煤炭;巷道支护;锚杆支护;研究现状

Key words: coal; roof bolt support;pole support;research on the current situation

中图分类号:TD35 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)04-0054-01

0引言

煤炭是目前我国国民经济赖以生存和发展的最主要能源。2008年中国煤炭产量27.16亿吨,创历史最高水平,即世界第一位。随着国民经济快速发展,我国经济进入重工业化阶段,处于工业化中期和新一轮经济周期的上升期。随着国民经济将持续保持适度的发展速度,主要耗煤行业的一些基建项目也将陆续投产,将增加对煤炭的需求。

1实例分析

XX矿IV528工作面为XX矿IV水平首采工作面。IV水平开采的5煤及其顶底板与已经开采或现开采煤层地质条件存在明显差别。具体困难表现为:煤质软,f<1.5,工作面处于深部褶曲构造带,构造应力集中,煤层裂隙发育;顶底板皆为软岩,行道维护困难。直接顶为深灰～灰色块状、破碎的松软泥岩,平均3.2m;煤层直接底为灰～深灰色致密块状泥岩,平均6.5m;工作面机风巷原设计支护形式为锚带网支护,由于在施工过程中地压大,巷道变形严重,两巷支护不得不改为“U”型钢棚支护;回采巷道在掘进施工中,巷道倾角和煤层倾角较大,掘进施工困难,严重制约支护工艺过程和掘进进度;煤层埋藏深,该工作面为深部区域,工作面切眼标高为-500m,最低标高为-730m,原岩应力大,裂隙、断层发育,对掘进造成较为严重影响。因此,对IV52采区“三软”煤层的巷道支护技术进行综合研究,是确保回采工作面安全、高效生产的配套技术,无论从技术、经济或社会效益上都具有极其重要的意义。

2国内外研究现状

2.1 国外锚杆支护研究现状

自从19世纪末期英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡起,锚杆支护方法逐渐被广泛应用于水利、交通、矿山等岩土工程领域,此后锚杆支护技术得以改进和提高,锚杆支护理论也不断得到完善和发展。1912年,德国谢列兹矿最先将锚杆支护技术应用于地下巷道的围岩控制。20世纪40年代以后,锚杆支护技术发展迅速,现已成为世界主要产煤国家煤矿的主要支护形式。

美国、澳大利亚因煤层赋存条件好,巷道全部采用锚杆支护,处于世界领先水平。欧洲一些主要产煤国家,过去巷道中主要采用金属支架支护,随着巷道维护日益困难和支护成本的增加,各国均在积极发展锚杆支护。英国是锚杆支护发展最快的国家之一,在20世纪八十年代以前,英国煤矿90%以上都采用金属支架支护,由于回采工作面单产及效率低下,支护成本过高,造成严重亏损。1987年英国从澳大利亚引进了锚杆支护技术以后,煤巷锚杆支护得到了迅猛发展,1994年在巷道支护中的比重已达到80%以上。

澳大利亚是世界主要产煤国之一,煤炭储量极为丰富,位居美国、中国之后排世界第三位。其中使用最多的是树脂锚杆,占锚杆使用量的98%。澳大利亚主要推广全长树脂锚杆,其锚杆强度较高,并且锚杆参数设计方法有独到之处,将地质调研、设计、施工、监测、信息反馈等相互关联、相互制约的各部分作为一个系统工程进行考察,使他们形成一个有机的整体,形成了锚杆支护设计的系统设计方法。

总结国外的锚杆发展经验,主要有以下几个特点:(1)发展适合本国巷道围岩地质及生产条件的锚杆类型。美国主要以树脂锚杆、机械及摩擦式锚杆作为主要的适用类型。澳大利亚及英国则以全长树脂锚杆作为主要发展方向,德国除了发展树脂锚杆外,还大力发展可伸长锚杆。俄罗斯则是多种类型兼用。(2)国外锚杆日益朝着高强度及超高强度的方向发展。其主要有两种发展途径:一是研制强度较高和具有较好延伸率的锚杆材料。二是继续加大锚杆直径。(3)继续完善锚杆施工配套机具也是促进各国锚杆技术发展的重要原因。掘锚一体机的发展为巷道掘进和锚杆施工创造了极为有利的条件。(4)建立一套适合自身条件的锚杆支护设计方法。目前,新奥法、收敛约束法在国际上较为流行,澳大利亚、英国等国家在从分考虑水平地应力作用的条件下,采用了“地质力学评估-计算机数值模拟进行初始设计-现场施工、监测-信息反馈、修改完善设计”的设计方法。(5)完善锚杆支护监测系统。锚杆支护是一种隐蔽性很强的工具,只有完善锚杆支护监测系统才能保证锚杆支护巷道的安全可靠性。

2.2 国内锚杆支护研究现状

我国的锚杆支护技术研究开始于1956年,至今已有50多年的历史。60年代锚杆支护开始进入采区,由于煤层巷道围岩松软,受采动影响后围岩变形量很大,对支护技术要求很高,加之锚杆支护理论及支护工具不够完善,因而发展较慢。1995年国有重点煤矿当年新掘进巷道中锚杆支护所占比重为28.19%,其中岩巷占57.2%,半煤巷中占30.07%,煤巷中占15.15%。

我国的煤巷锚杆支护在发展工程中取得了以下宝贵的经验及成果:(1)锚杆研制方面积累了丰富的经验。能采用多种材料制作各种形式的适用于不同条件的锚杆。目前能够生产出木锚杆、竹锚杆等,为扩大锚杆的应用范围提供了必要的基础。(2)研究出了适用于不同围岩条件的锚固方式,如端头锚固、全长锚固等。(3)能够根据不同的巷道类型采用不同的锚杆支护形式。当围岩稳定性类别为Ⅰ、Ⅱ类时,可用单锚。Ⅲ、Ⅳ类时采用组合锚杆,包括锚网梁组合支护和 架锚杆组合支护等。Ⅴ类巷道可采用联合支护,也可试验高强、超高强锚杆支护系统。(4)锚杆施工机具不断改进。机械化施工是提高锚杆支护效果和普及应用程度的重要因素之一,是提高施工速度、保证工程质量、减轻劳动强度以及改善劳动条件等有效途径,因此,锚杆机具的改进一直受到重视,高新科技不断得到应用。(5)锚杆监测技术得到了完善,顶板离层指示仪能够测定锚杆锚固范围以及离层情况,锚杆拉力计、托盘式压力盒、传感器以及空芯锚杆等可对锚杆锚固力及轴向力进行测量,为巷道锚杆支护设计提供了直接的依据。

2.3 大倾角煤巷锚杆支护技术研究现状

近年来,我国不少煤矿遇到了大倾角煤巷难以维护的问题,大倾角煤巷锚杆支护技术与普通煤巷锚杆支护有许多相似之处,但也存在一定的区别。大倾角的煤巷,由于上帮的支护体受重力作用,原始应力的重新分布导致的水平侧压力作用,引起巷道两帮的变形和底臌,尤其是上帮及靠近上帮底角附近变形严重,使巷道发生非对称变形。而存在滑面和层理发育的巷道变形更快,从而导致巷道失稳,进而引起片帮。