锚网支护在软岩巷道中的应用研究

马忠强

(山西兰花科技创业股份有限公司唐安分公司,山西高平 048400)

锚网支护在软岩巷道中的应用研究

马忠强

(山西兰花科技创业股份有限公司唐安分公司,山西高平 048400)

本文详尽分析了软岩巷道的性质、稳定性以及影响软岩巷道围岩与支架变形的主要因素、软岩巷道锚网支护技术的原理和作用等理论,指出采用锚网支护是行之有效的控制软岩巷道围岩变形的先进而经济的支护形式,应大力推广和应用。

软岩巷道 锚网支护 控制

1 概述

随着煤矿开采深度和强度不断增加,井下软岩具有变形大,高地压,支护难等特点,长期以来制约着煤矿生产。

由于巷道掘进后破坏了围岩原有的应力平衡状态,同时在受到地应力、水应力、工程扰动力及膨胀力等工程力动压下,围岩发生卸载回弹和应力重新分布,产生应力集中。容易发生很大的塑性变形,围岩应力成倍急剧增长,支护十分困难,而软岩巷道自身强度低,若没有采取及时有效控制措施,则巷道很快被破坏。

因此,传统的工字钢、U型钢可缩支架等支护形式支护断面大、支护强度低,已无法有效控制巷道围岩变形及被破坏,并存在片帮和顶板岩体架前冒落等安全隐患。

2 软岩巷道性质及特点

软弱、松散、破碎、流变、膨胀、强风化蚀变及高应力的岩体总称为软岩,一般地,软岩的抗压强度小于20MPa,软岩的抗压强度有以下经验公式估算:

式中,r表示岩石容重,h表示深度。

软岩具有可塑性、崩解性、流变性、膨胀性及易扰动性等特点,软件的实质具有相对性。能使岩石产生明显变形的最小载荷和巷道埋深分别称为软岩的软化临界载荷和软化的临界深度。有关试验结论表明,当向软岩施加的载荷小于软岩的软化临界载荷时或巷道位置小于软化的临界深度时,岩石处于的变形状态较为稳定,而施加的载荷大于临界载荷或巷道位置大于临界深度时,岩石则出现明显的加速塑性变形现象。

研究学者指出,根据软岩巷道围岩的性质,软岩可划分为塑性、松塌、松弛和弹性四个区域。巷道围岩变形主要包括弹塑性变形、碎胀变形和离层变形。

岩体本身的强度、结构、胶结程度、膨胀性矿物的含量、各种工程扰动应力等都是影响软岩巷道围岩与锚网支架变形的主要因素,此外,还有地下水、工程用水及时间等因素,也会造成黏土质岩的膨胀和岩石强度的降低。

3 锚网支护原理及作用

锚网支护是由锚杆、网筋、围岩组成整体承载结构的一种主动支护方式,由于网筋的作用,使锚杆与锚网形成相互制约的整体,大大提高了支护层的抗拉、抗剪和抗变形能力,增强了支护的整体强度和刚度,可以有效抑制和减少塑性变形和碎胀变形,防止顶板岩层离层变形,改善围岩岩性,实现支护与围岩体系的稳定。

地下岩体在巷道掘进以前一直处于三轴平衡压力状态,巷道掘进破坏了原有的巷道壁面围岩应力平衡状态,使巷道临空自由面失去了法向应力,由二轴应力状态变为单轴应力状态,引起岩石产生法向位移,继而产生新的反向应力,使围岩应力重新分布,直至达到新的应力平衡。当巷道埋深超过软化临界深度时,靠近壁面的岩体由于应力高于岩土强度最先发生破坏,主应力集中区向围岩内部转移。此时,巷道围岩应力可划分为塑性流变区、塑性软化区、塑性硬化区、弹性区。在软岩巷道中,难以靠变形位移来形成反向应力,因此力量始终无法平衡,位移进一步产生,原有的岩石的层状面最终由于抵御不了自身的重力而剥落。

采用锚网支护技术后又一下几方面的。

(1)当在围岩弹性区上以适当的间距排列安装具有预应力的锚杆时,从围岩表面到内部形成一个由人工结构联接的岩石连续加固带,能够发挥岩自身承载能力。

(2)松动、软弱、不稳定的岩土体被锚杆悬吊于稳定的岩土体中,锚杆提供的支护力使围岩的抗剪切破坏能力大大提高,防止了离层剥落,维持工程稳定。

(3)锚杆支护后,使薄层状岩体紧固压缩和相互挤压,增加了摩擦阻力,大大减少了内应力和绕度,因此增加了薄层状岩体整体的抗剪能力。而锚网增大了锚杆支护层的柔性和整体性,能较好的适应围岩的复杂应力变化,阻止锚杆间岩体的松动。

(4)锚网支护的支护强度和柔性调节范围很宽,可适应不同围岩支护,还可以进行分级支护。

综上所述,锚网支护作用的实质是改善锚固区围岩强度和力学性能,特别是提高围岩破裂后的强度,从而保持巷道掘进时围岩稳定。

4 锚网支护技术应用概况

(1)锚杆的极限承载力、锚固力的集中度和长度不断提高。我国自行设计预应力锚杆的承载力已达6000-10000kN已投入实用阶段,达到世界先进水平。

(2)当前,许多国家都先后开发了特别使用于矿山软岩巷道的全长摩擦锚固的钢管锚杆,我国先后自主开发了自钻式锚杆、可拆芯式锚固技术均已投入实际应用,锚杆的发展逐渐多样化。

(3)锚网支护技术的应用已扩展到煤矿巷道、边坡工程、桥梁工程,甚至抗地震工程等各领域,近十年我国仅边坡工程与深基坑工程中锚杆的年用量就达到了3500km。

(4)中国、英国、日本等国已先后研究和应用了单孔复合锚固方法。即在同一个钻孔中安装几个具有各自独立的杆体、固定长度和自由长度的单元锚杆,分别承受由各自独立的张拉千斤顶施加的荷载,通过预先的位移补偿张拉,达到所有单元锚杆始终承受相同的荷载的目的。

(5)目前,我国开发了可重复灌浆技术,使软土中锚杆的承载力大大提高,初步掌握了软土中锚杆的蠕变变形和预应力值变化的规律,找到了控制软土周边位移的若干有效方法并已投入工程应用。

(6)从1970年以来,由美国、德国、澳大利亚等国倡导制定了锚杆规范与推荐性标准,1986年,我国先后颁发了《锚杆喷射混凝土支护技术规范》、《锚杆喷射混凝土支护技术规范》等行业标准,促进了锚网支护技术标准化的发展。

5 结语

锚网支护技术有施工快速、方便、效率高、成本低廉、支护效果好等优点,同时在技术上仍有很大发展空间,在软岩巷道支护中具有很高的应用和推广价值,其在软岩巷道中的应用也会随着技术水平的提高而不断地发展。

[1]张茂.锚杆支护技术的应用现状和前景分析[J].太原科技,2005年.

[2]李守柱,黄鼎成,邢念信,徐复安.软弱破碎围岩变形特性[J].工程地质学报,1993年01期.

[3]何满朝.中国煤矿软岩巷道支护理论与时间[M].中国矿业大学出版社,1996年.

马忠强(1983—),男,山西高平人,本科,技术员,主要从事煤矿井下开拓掘进工作。