軟巖巷道錨網支護失效機理分析

種德雨,張 楊,劉建明,王貝貝

(中國礦業大學)

軟巖巷道錨網支護失效機理分析

種德雨①,張 楊,劉建明,王貝貝

(中國礦業大學)

隨著采深的增加,軟巖巷道的支護問題日益突出。錨網支護在軟巖巷道的支護中有著廣泛的應用。在巷道支護實踐中存在著錨網支護失效的現象,本文從理論上闡明錨網支護失效的原因,為軟巖巷道的錨網支護提供理論指導。

軟巖巷道;錨網支護;失效;機理;分析

煤巷支護是安全生產的保障。隨著煤炭工業的發展,開采深度的增加,軟巖巷道支護問題日趨突出。多年以來,巷道支護經歷了多次變革,從架棚、砌碹到現在的錨桿錨網支護形式。錨網支護是一種主動的支護方式,相對于金屬棚等被動支護更能有效地控制巷道的初期圍巖變形,并充分利用預應力支護結構的柔性特點,在保證有效支護阻力的條件下高阻讓壓,使支護結構與巖體產生少量位移,釋放掉部分能量,實現對外層結構的適應性讓壓,同時能夠在大變形中保持整體穩定性,最大限度地調動和利用圍巖自身的承載能力,具有適應性強,支護效果好,安全可靠,施工人員勞動強度減小,可卸載巷道部分壓力及位移等優點,成為廣泛應用的軟巖巷道的支護形式。但是,在某些礦區也存在著錨網支護失效的現象,錨網支護失效往往是由于錨桿支護失效、支護參數設計、巖體結構、風化作用、金屬網的規格、錨桿的施工質量等因素導致,也可能是多種因素綜合作用的結果。

1 錨桿支護失效

1)錨桿支護參數設計不合理。錨網支護的關鍵是確定錨桿的支護參數。錨桿預拉力大小對頂板支護起著重要的作用,提高錨桿預拉力,建立整體頂板,可防止圍巖離層、冒落。錨桿支護參數設計包括:錨桿種類、錨桿幾何參數、錨桿力學參數、錨桿密度(錨桿間、排距)、錨桿安裝角度、鉆孔直徑、孔深、錨固方式和錨固長度、錨桿預緊力矩或預緊力、錨桿錨固力拉拔試驗結果。支護參數設計的合理性直接影響到錨桿支護的效果。支護參數設計可以采用工程類比法、數據模擬法進行支護設計,設計本身不可能將各種地質變化情況考慮在內,這就存在一定的局限性。在施工過程中,遇到特殊地質情況后,如果不及時修正支護參數設計,最終可能導致煤巷錨桿失效。

2)地質因素影響。當煤層掘進巷道遇到地質變化,如:松軟巖層、斷層、褶曲、無炭柱、沖刷帶、頂板淋水增大、應力集中等情況,頂板多數較為破碎,且巖性松軟、硬度降低,致使錨桿在巖體中的錨固距離內不能形成有效的錨固力,頂板來壓后,煤巷錨桿失效造成頂板離層,導致頂板事故。

煤層節理、裂隙發育也是造成煤巷錨桿失效的原因之一。

3)煤巷錨桿支護材質的影響。支護材質質量的好壞直接影響到支護質量的優劣。支護材質包括的方面很多,其中錨桿桿體、錨固劑、錨桿托盤、螺母等是比較重要的幾項,它們的規格、性能、強度與結構的匹配至關重要。煤巷錨桿支護用品的內在質量檢測試驗,必須由專門的質檢部門負責對每批次支護用品的材質、物理化學性能、機械性能等行業標準、支護設計要求的有關指標進行檢測試驗,提出檢測報告。

2 錨桿支護理念

目前,指導錨網支護的多種理論(懸吊、組合梁、組合拱及最大水平應力理論等)從不同的方面解釋了錨桿的支護機理,并提出了各自的錨桿支護參數計算公式。根據某種支護原理計算出的錨桿支護參數是針對某一種理想的特定圍巖巖性和巖體結構所采取的支護形式。在施工中支護的圍巖巖性和巖體結構在不斷變化,此時如果盲目強調其中的一種理論,計算出的數值就會與現場要求的支護參數產生極大的偏差,繼而影響巷道的支護效果,即單一的支護理論存在一定的局限性、片面性。實踐表明,在井下施工中,理論計算只能作為支護設計的主要參考依據,此外還要輔以工程類比、巷道動態觀測參數,嚴密監控頂板的變化情況,及時匯總、分析,并根據現場情況及時調整支護參數,使巷道支護最大限度地貼近頂板支護實際要求,從而達到最佳的支護效果。

3 巖體結構

錨網支護的對象是圍巖和各種弱面組成的工程巖體,巖體中的弱面主要有層理、節理、裂隙、構造滑面、軟弱薄夾層等。這些弱面的共同作用決定巖體結構特性,而巖體結構決定了巖體的強度和在外力作用下的變形破壞方式。工程實踐表明,各種構造弱面和軟弱薄夾層對支護系統穩定性的影響比巖體本身影響更大。事實上,對各種弱面和軟弱薄夾層的存在未能及時發現和采取針對性的加強支護措施,則是發生頂板事故的重要原因。

采用錨網支護弱面發育、破碎的圍巖,關鍵是控制弱面,使被頻繁切割、性狀不規則的各巖塊間相互緊密結合,始終保持弱面之間的摩擦阻力。

4 風化作用

煤巷錨網支護手段完善和支護強度的提高,使錨網巷道的服務年限大幅度延長,這為開拓、準備等服務年限較長的巷道布置給予了有力的技術支持,現已逐漸成為礦井設計的一個發展趨勢。目前,煤巷錨網多采用金屬網護幫、頂,用以阻止所支護巖石的脫落,并對圍巖起到封閉作用,但對于長期服務的錨網巷道,隨季節的更替,巷道內濕度會不斷變化,加速了巷道圍巖和支護材料的風化,逐漸腐蝕失效,表層圍巖開始剝落。如果不采取措施,被破壞范圍會不斷擴大,進一步導致支護失效,并最終演變為頂板事故。解決這些問題的辦法:

1)通過使用全長錨固排出錨桿孔中的空氣,以阻止深部巖層的風化和錨桿腐蝕。

2)采用塑料錨網或對金屬錨網巷道進行噴漿封閉,即可封閉水源、隔絕空氣,防止巖層、支護材料進一步氧化破壞,同時提高了巷道圍巖弱面的強度和變形模量,對支護體有一定的加固作用。

5 鋪設金屬網

金屬網的主要作用:

1)能夠有效控制錨桿之間非錨固巖層的變形,托住擠入巷道的巖石,防止碎裂巖體垮落。

2)將錨桿之間非錨固巖層載荷傳遞給錨桿。

3)金屬網托住已碎裂的巖石,雖然巷道周邊圍巖已破裂,由于碎石的碎脹作用和傳遞力的媒介作用,使巷道深部巖體仍保持三向應力狀態,大大提高巖體的殘余強度。

高應力軟巖巷道中頂部容易發生破碎,金屬網的作用就是防止冒頂,所以考慮到金屬網的規格足夠網住可能破碎的石塊,如果金屬網被撕破,頂部冒落就會破壞組合拱的整體效果,也可能導致支護的失效。

6 錨桿的施工質量

錨桿支護的施工工藝較為繁瑣,人為因素影響較多,如鉆孔直徑、錨固劑直徑、錨桿直徑三者之間的匹配,錨桿孔內粉末的處理情況,樹脂藥卷的攪拌時間,錨桿的安裝角度,錨桿預緊力的大小,托盤與煤壁接觸的緊密程度等。每道工藝過程的實施都對錨桿的支護質量有較大的影響,因此,眾多的人為因素是造成錨桿失效的原因之一。

7 結束語

在軟巖巷道支護問題中,錨網支護是一個復雜而又細致的工作,要綜合考慮到各種影響因素,根據巷道的實際情況并結合理論知識,采取合理經濟的支護方式,實現安全生產。

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Analysis of Bolt Mesh Support Failure in Soft Rock Roadway

Zhong De-yu,Zhang Yang,Liu Jian-ming,Wang Bei-bei

With the depth of mining deepened,the problem in support of soft rock roadway becomes increasingly prominent.The bolt mesh support plays a wide role in support of soft rock roadway.Because there are likely to be losing effectiveness phenomenon of boltmesh support in the practice of roadway suppert,the passage will clarify the factors of these losing effectiveness phenomenon academicly as follow in order to provide theoretical guide for boltmesh support in soft rock roadway.

Soft rock roadway;Bolt mesh support;Failure;Mechanism;Analysis

book=4,ebook=108

TD353.6

B

1672-0652(2010)04-0029-02

2010-02-24

種德雨 男 1987年出生 2007級中國礦業大學礦業工程學院在讀本科生 徐州 221116