井巷锚杆支护动态设计研究

熊 巨

随着开采深度的增加,传统支护方式已满足不了支护的要求,锚杆支护技术问世以来,已有 50余年的发展历史,随着锚杆支护技术在生产实践中的应用,锚杆支护理论也在不断的发展,与此同时随着锚杆支护理论的发展,锚杆支护设计方法、应用技术也在不断的发展与完善,在不断探索中,锚喷支护也由简单的一种支护形式,扩展成为以锚杆应用为主的系列支护的代名词,比如：锚杆 +W钢带 +金属网 +补强锚索的锚网支护;锚杆 +锚索 +托梁的加强支护等等。在应用范围上,从在岩巷应用开始,逐步过渡到半煤岩巷、煤巷;从一般标准断面应用,过渡到大断面巷道、硐室、交叉点以及沿空留巷的支护;从运输大巷(光爆技术)到现在厚煤层放顶煤的顺槽;在其它领域 (如隧道、地下工程等)也有广泛应用;甚至可以说“无所不能”。但应当看到,随着锚喷技术的广泛应用,因施工质量强度达不到要求而返修,甚至出现局部冒顶等生产事故。因此,必须加强对锚喷工艺的质量管理,使得这一安全、简单、高效、低耗的施工技术得到健康的发展。从支护机理上看,锚杆支护属于“主动”支护,可以充分利用围岩的自承能力,提高巷道围岩的稳定性,将载荷体变为承载体。在相同生产地质条件下,锚杆支护的巷道围岩变形量比棚式支护减少一半以上。从技术经济上对比,锚杆支护可以节约大量钢材,减少材料运输工作量,减轻工人的劳动强度和改善作业环境;保持采煤工作面上下两道和开切眼的畅通,为回采工作面快速推进和高产高效低成本生产创造有利条件;锚杆支护巷道施工简单,机械化程度高,可大幅度降低巷道支护成本,提高掘进速度和生产效率。

但随着锚喷技术的广泛应用,因锚杆设计参数不合理、施工质量不达标而出现万分之五的巷道支护不足,出现冒顶事故,大于 60%的巷道支护过剩,使支护材料大量浪费。通过对锚杆支护动态设计研究,达到支护设计的强度要求,又减少支护成本,降低劳动强度,增加掘进效率的目的。

1 常见的锚杆支护问题

常见的锚喷支护施工质量问题随着锚喷技术的广泛应用,锚喷支护的巷道也存在众多的质量问题。常见的锚杆支护问题表现在：设计参数不合理浪费材料或返修;施工质量不达标、技术措施及管理不到位,造成冒顶等生产事故等。

1)施工前锚杆支护整体设计过于简单化。只是进行一般性设计,即对施工区域主要部分进行了较详尽的设计、论证、检测、验收等。但没有对施工区域极少部分的复杂区域,进行详尽的施工设计、论证、检测、特殊锚杆及配件的要求等项工作,为施工质量留下隐患。大多数地段支护强度超强,造成了材料和工程的浪费,一些特殊地段,如：巷道类型 (服务年限)、断层、交叉口、地应力、围岩状况、集中应力和采动应力等没有进行系统分析,这些区域恰恰是锚喷支护施工中,出现问题的主要区域,造成局部支护不足。

2)施工质量强度达不到标准而返修的。这样不仅浪费大量的人力、物力资源造成一定的经济损失,而且严重延缓了工程进度,影响整体布局和实施。主要表现在：施工质量不达标,技术措施及管理不到位造成冒顶等生产事故。这样不仅造成重大的经济损失,而且会造成人员伤亡,甚至对社会稳定带来不良影响。出现以上事故问题的原因概括起来表现在：施工质量不过关,在掘进巷道施工中,没有按规程标准施工,给锚杆支护质量带来极其不利的影响,同时也为支护安全留下重大隐患。如：如光爆质量不好,炮震裂隙过多,超凹度超标,巷道交叉处或开岔口没有采取特殊掘进和支护措施等。锚杆安装质量问题 (锚杆间排距过大、锚杆“三径”不匹配、锚杆的预紧力不达标,安装不符合标准),锚杆质量问题 (锚杆的强度不达标、配件不配套,螺母、托板等构件没有达到国家或行业标准,围岩破碎时锚固剂与围岩的黏结强度不够,锚固力小,控制变形效果差),绝大多数锚杆 (锚喷)不及时造成顶板离层或风化等。

2 锚杆支护设计方法

随着矿井开采深度的增加,矿山压力不断增大,巷道围岩所受的压应力、剪应力超过围岩的强度极限,使围岩普遍处于破裂状态,巷道围岩的大量变形常常使支护难以承受。因此,巷道支护技术的中心任务是提高围岩强度和自承力、降低岩体应力集中。

2.1 巷道破坏变形的基本因素

1)矿井开采深度的加大,地压显现明显,对巷道的作用力也就越来越大。

2)巷道处在断层带、破碎、软岩等不稳定的岩层和煤层中,维护难度加大。

3)上部开采的留设的煤柱和残采煤柱,在岩(煤)层中形成了集中应力。

上述情况的存在,都不同程度地影响着巷道的支护状况。

2.2 巷道支护的基本原则

1)为了最大限度地控制变形破坏,巷道的开拓、布置则必须选在稳定和较稳定的岩层中,保证巷道不变形的首要条件是依靠围岩的自身强度。

2)巷道支护形式上,围岩不能无限地向深部扩大转移,必须具有良好的可缩性,又能有效地控制巷道围岩的松驰部分,同时防止顶板的离层,具有较强初撑 (初锚)力,由被动受压变为主动支护。

3)既适应在高地压作用下的巷道围岩所产生的塑性变形,又能控制围岩松动范围的扩展,宜首先采取以高强度的锚喷 (锚网)支护、高柔性或 U形可缩支架的内外联合支护方式。

4)在无法躲避的极软围岩中及困难条件下的特殊工程,断面的形状,以圆形、马蹄形为主要形式,采取全断面封闭措施。

从巷道的受力角度考虑,其轴向方向与最大水平主应力的夹角越小越好,但各种巷道的走向往往受煤层赋存状态所限制。在这种受地质条件约束,主要大巷方向又不能改变的情况下,支护设计就要从巷道布置的位置、巷道断面形状及支护方式上进行综合考虑。比如将巷道布置在较稳定的底板岩层中,若将巷道布置在煤层中,应尽量使巷道圆拱部分处在顶板岩层内且选择联合支护形式对巷道进行支护。

对于一些地质条件复杂和围岩不稳定地段的巷道,如顶板锚杆不能锚固在稳定岩层内,锚杆起不到吊挂作用,而巷道顶板岩层又较软和破碎,组合梁作用较弱,故而可造成巷道顶板破坏或下沉量过大。当巷道穿层掘进时,巷道处于煤岩交界处或完全处于煤层内时,锚杆同样不能锚固在稳定岩层上,也会造成巷道围岩位移量加大。在这种情况下,要考虑对巷道进行加强支护,如采用锚杆 +锚索加强支护方式。

2.3 支护设计基本流程

1)初始设计。初始设计是在对现支护方式进行调查分析后,以国内外相类似矿井锚杆支护方式及支护参数做类比,结合本矿具体条件,取长补短进行锚杆支护初步设计。

2)进行地质力学评估。用应力解除法测出矿区地壳应力状态,并取样测定出巷道围岩物理力学性质,为锚杆支护完善设计提供依据。

3)矿山压力与顶板离层观测。对按初步支护设计施工的巷道进行锚杆锚固力、巷道围岩表面和深部位移进行观测,在回采巷道内设置巷道顶板离层指示仪,测定锚固区内、外的顶板离层值。

4)信息反馈和修改、完善设计。通过对巷道现场矿压观测结果进行分析,与所测出的地应力状态数据综合考虑,调整初步设计,完善最终设计。井下巷道(特别是回采巷道)突出特点就是承受采动支承压力,围岩破碎、变形量大。煤矿井下巷道锚杆支护设计,首先要对巷道所要经受来动影响过程及影响程度进行准确的评估,对巷道使用要求和设计目标要予以准确定位。

良好设计效果的重要保证是工程设计之前,对围岩的地质条件、岩体强度、松动圈、采动影响程度、矿压显现规律等因素要进行深入的调查分析,必要时对原岩应力的大小和方向进行测试,为支护设计提供可靠的基础数据资料。

3 锚杆动态设计质量保证

3.1 制约锚杆支护施工质量的问题

1)技术管理上存在缺陷,主要表现为：支护设计不合理或支护不及时,易造成顶板岩石发生滑移、松动甚至离层,不仅给锚杆安装与混凝土的喷射带来难度,而且也严重影响了支护工程的质量。片面强调支护成本,忽视技术问题,技术管理不到位、不规范、监测技术不实用、监测手段跟不上等原因。

2)施工队质量管理不到位,教育培训工作不到位,造成了人员素质整体水平偏低,不按质量标准施工,甚至对复杂的地质构造、地压、危岩活石等方面的技术处理,存在明显的缺陷;不做深入系统的检测,片面强调进尺考核,助长了部分施工单位,只重“喷浆”,轻“锚固”,致使施工质量不能满足设计要求,埋下了安全隐患。

3)监督机制难以产生强有力的制约作用使施工质量控制监测流于形式。

4)施工设备和支护材料产品质量制约施工质量。

5)技术法规不健全及检测技术相对滞后。检测与监测的难度大,不容易把握,相应的检测技术没有展开。

综上所述,锚喷支护中施工的质量问题,既有因掘进中留下的隐患,也有设计、检测中的不当。但最主要的还是因为施工存在的诸多问题所致。因此,还需要深入研讨制约锚喷支护质量的原因,找出解决问题的方法。

3.2 锚杆施工质量管理的对策

1)加强锚杆支护技术管理。

2)加强班组建设,行使质量否决权。

3)合理化工资杠杆导向,实行“按质论价、优质优价”。

4)发挥质量监督作用,完善质检队伍建设。

5)加强支护材料管理,提高装备和人员的技术水平。

6)建立质量保证期及质量保证金制度。

4 结 论

通过对巷道的不同类型、服务年限、围岩特征、地质条件进行系统分析,以工程类比为方法,以地应力测量为依据,以地质力学评估为基础,顶板离层和矿压观测为手段,在保证施工质量的基础上,对不同类型、不同地质条件下巷道的锚杆设计进行动态设计,达到既满足支护效果,又能减少材料消耗、降低劳动强度和提高掘进效率的目的,这对矿山企业安全、高效、经济、发展有着重要的理论意义和实际应用价值,具有广阔的应用前景。