井巷錨桿支護動態設計研究

熊 巨

隨著開采深度的增加,傳統支護方式已滿足不了支護的要求,錨桿支護技術問世以來,已有 50余年的發展歷史,隨著錨桿支護技術在生產實踐中的應用,錨桿支護理論也在不斷的發展,與此同時隨著錨桿支護理論的發展,錨桿支護設計方法、應用技術也在不斷的發展與完善,在不斷探索中,錨噴支護也由簡單的一種支護形式,擴展成為以錨桿應用為主的系列支護的代名詞,比如：錨桿 +W鋼帶 +金屬網 +補強錨索的錨網支護;錨桿 +錨索 +托梁的加強支護等等。在應用范圍上,從在巖巷應用開始,逐步過渡到半煤巖巷、煤巷;從一般標準斷面應用,過渡到大斷面巷道、硐室、交叉點以及沿空留巷的支護;從運輸大巷(光爆技術)到現在厚煤層放頂煤的順槽;在其它領域 (如隧道、地下工程等)也有廣泛應用;甚至可以說“無所不能”。但應當看到,隨著錨噴技術的廣泛應用,因施工質量強度達不到要求而返修,甚至出現局部冒頂等生產事故。因此,必須加強對錨噴工藝的質量管理,使得這一安全、簡單、高效、低耗的施工技術得到健康的發展。從支護機理上看,錨桿支護屬于“主動”支護,可以充分利用圍巖的自承能力,提高巷道圍巖的穩定性,將載荷體變為承載體。在相同生產地質條件下,錨桿支護的巷道圍巖變形量比棚式支護減少一半以上。從技術經濟上對比,錨桿支護可以節約大量鋼材,減少材料運輸工作量,減輕工人的勞動強度和改善作業環境;保持采煤工作面上下兩道和開切眼的暢通,為回采工作面快速推進和高產高效低成本生產創造有利條件;錨桿支護巷道施工簡單,機械化程度高,可大幅度降低巷道支護成本,提高掘進速度和生產效率。

但隨著錨噴技術的廣泛應用,因錨桿設計參數不合理、施工質量不達標而出現萬分之五的巷道支護不足,出現冒頂事故,大于 60%的巷道支護過剩,使支護材料大量浪費。通過對錨桿支護動態設計研究,達到支護設計的強度要求,又減少支護成本,降低勞動強度,增加掘進效率的目的。

1 常見的錨桿支護問題

常見的錨噴支護施工質量問題隨著錨噴技術的廣泛應用,錨噴支護的巷道也存在眾多的質量問題。常見的錨桿支護問題表現在：設計參數不合理浪費材料或返修;施工質量不達標、技術措施及管理不到位,造成冒頂等生產事故等。

1)施工前錨桿支護整體設計過于簡單化。只是進行一般性設計,即對施工區域主要部分進行了較詳盡的設計、論證、檢測、驗收等。但沒有對施工區域極少部分的復雜區域,進行詳盡的施工設計、論證、檢測、特殊錨桿及配件的要求等項工作,為施工質量留下隱患。大多數地段支護強度超強,造成了材料和工程的浪費,一些特殊地段,如：巷道類型 (服務年限)、斷層、交叉口、地應力、圍巖狀況、集中應力和采動應力等沒有進行系統分析,這些區域恰恰是錨噴支護施工中,出現問題的主要區域,造成局部支護不足。

2)施工質量強度達不到標準而返修的。這樣不僅浪費大量的人力、物力資源造成一定的經濟損失,而且嚴重延緩了工程進度,影響整體布局和實施。主要表現在：施工質量不達標,技術措施及管理不到位造成冒頂等生產事故。這樣不僅造成重大的經濟損失,而且會造成人員傷亡,甚至對社會穩定帶來不良影響。出現以上事故問題的原因概括起來表現在：施工質量不過關,在掘進巷道施工中,沒有按規程標準施工,給錨桿支護質量帶來極其不利的影響,同時也為支護安全留下重大隱患。如：如光爆質量不好,炮震裂隙過多,超凹度超標,巷道交叉處或開岔口沒有采取特殊掘進和支護措施等。錨桿安裝質量問題 (錨桿間排距過大、錨桿“三徑”不匹配、錨桿的預緊力不達標,安裝不符合標準),錨桿質量問題 (錨桿的強度不達標、配件不配套,螺母、托板等構件沒有達到國家或行業標準,圍巖破碎時錨固劑與圍巖的黏結強度不夠,錨固力小,控制變形效果差),絕大多數錨桿 (錨噴)不及時造成頂板離層或風化等。

2 錨桿支護設計方法

隨著礦井開采深度的增加,礦山壓力不斷增大,巷道圍巖所受的壓應力、剪應力超過圍巖的強度極限,使圍巖普遍處于破裂狀態,巷道圍巖的大量變形常常使支護難以承受。因此,巷道支護技術的中心任務是提高圍巖強度和自承力、降低巖體應力集中。

2.1 巷道破壞變形的基本因素

1)礦井開采深度的加大,地壓顯現明顯,對巷道的作用力也就越來越大。

2)巷道處在斷層帶、破碎、軟巖等不穩定的巖層和煤層中,維護難度加大。

3)上部開采的留設的煤柱和殘采煤柱,在巖(煤)層中形成了集中應力。

上述情況的存在,都不同程度地影響著巷道的支護狀況。

2.2 巷道支護的基本原則

1)為了最大限度地控制變形破壞,巷道的開拓、布置則必須選在穩定和較穩定的巖層中,保證巷道不變形的首要條件是依靠圍巖的自身強度。

2)巷道支護形式上,圍巖不能無限地向深部擴大轉移,必須具有良好的可縮性,又能有效地控制巷道圍巖的松馳部分,同時防止頂板的離層,具有較強初撐 (初錨)力,由被動受壓變為主動支護。

3)既適應在高地壓作用下的巷道圍巖所產生的塑性變形,又能控制圍巖松動范圍的擴展,宜首先采取以高強度的錨噴 (錨網)支護、高柔性或 U形可縮支架的內外聯合支護方式。

4)在無法躲避的極軟圍巖中及困難條件下的特殊工程,斷面的形狀,以圓形、馬蹄形為主要形式,采取全斷面封閉措施。

從巷道的受力角度考慮,其軸向方向與最大水平主應力的夾角越小越好,但各種巷道的走向往往受煤層賦存狀態所限制。在這種受地質條件約束,主要大巷方向又不能改變的情況下,支護設計就要從巷道布置的位置、巷道斷面形狀及支護方式上進行綜合考慮。比如將巷道布置在較穩定的底板巖層中,若將巷道布置在煤層中,應盡量使巷道圓拱部分處在頂板巖層內且選擇聯合支護形式對巷道進行支護。

對于一些地質條件復雜和圍巖不穩定地段的巷道,如頂板錨桿不能錨固在穩定巖層內,錨桿起不到吊掛作用,而巷道頂板巖層又較軟和破碎,組合梁作用較弱,故而可造成巷道頂板破壞或下沉量過大。當巷道穿層掘進時,巷道處于煤巖交界處或完全處于煤層內時,錨桿同樣不能錨固在穩定巖層上,也會造成巷道圍巖位移量加大。在這種情況下,要考慮對巷道進行加強支護,如采用錨桿 +錨索加強支護方式。

2.3 支護設計基本流程

1)初始設計。初始設計是在對現支護方式進行調查分析后,以國內外相類似礦井錨桿支護方式及支護參數做類比,結合本礦具體條件,取長補短進行錨桿支護初步設計。

2)進行地質力學評估。用應力解除法測出礦區地殼應力狀態,并取樣測定出巷道圍巖物理力學性質,為錨桿支護完善設計提供依據。

3)礦山壓力與頂板離層觀測。對按初步支護設計施工的巷道進行錨桿錨固力、巷道圍巖表面和深部位移進行觀測,在回采巷道內設置巷道頂板離層指示儀,測定錨固區內、外的頂板離層值。

4)信息反饋和修改、完善設計。通過對巷道現場礦壓觀測結果進行分析,與所測出的地應力狀態數據綜合考慮,調整初步設計,完善最終設計。井下巷道(特別是回采巷道)突出特點就是承受采動支承壓力,圍巖破碎、變形量大。煤礦井下巷道錨桿支護設計,首先要對巷道所要經受來動影響過程及影響程度進行準確的評估,對巷道使用要求和設計目標要予以準確定位。

良好設計效果的重要保證是工程設計之前,對圍巖的地質條件、巖體強度、松動圈、采動影響程度、礦壓顯現規律等因素要進行深入的調查分析,必要時對原巖應力的大小和方向進行測試,為支護設計提供可靠的基礎數據資料。

3 錨桿動態設計質量保證

3.1 制約錨桿支護施工質量的問題

1)技術管理上存在缺陷,主要表現為：支護設計不合理或支護不及時,易造成頂板巖石發生滑移、松動甚至離層,不僅給錨桿安裝與混凝土的噴射帶來難度,而且也嚴重影響了支護工程的質量。片面強調支護成本,忽視技術問題,技術管理不到位、不規范、監測技術不實用、監測手段跟不上等原因。

2)施工隊質量管理不到位,教育培訓工作不到位,造成了人員素質整體水平偏低,不按質量標準施工,甚至對復雜的地質構造、地壓、危巖活石等方面的技術處理,存在明顯的缺陷;不做深入系統的檢測,片面強調進尺考核,助長了部分施工單位,只重“噴漿”,輕“錨固”,致使施工質量不能滿足設計要求,埋下了安全隱患。

3)監督機制難以產生強有力的制約作用使施工質量控制監測流于形式。

4)施工設備和支護材料產品質量制約施工質量。

5)技術法規不健全及檢測技術相對滯后。檢測與監測的難度大,不容易把握,相應的檢測技術沒有展開。

綜上所述,錨噴支護中施工的質量問題,既有因掘進中留下的隱患,也有設計、檢測中的不當。但最主要的還是因為施工存在的諸多問題所致。因此,還需要深入研討制約錨噴支護質量的原因,找出解決問題的方法。

3.2 錨桿施工質量管理的對策

1)加強錨桿支護技術管理。

2)加強班組建設,行使質量否決權。

3)合理化工資杠桿導向,實行“按質論價、優質優價”。

4)發揮質量監督作用,完善質檢隊伍建設。

5)加強支護材料管理,提高裝備和人員的技術水平。

6)建立質量保證期及質量保證金制度。

4 結 論

通過對巷道的不同類型、服務年限、圍巖特征、地質條件進行系統分析,以工程類比為方法,以地應力測量為依據,以地質力學評估為基礎,頂板離層和礦壓觀測為手段,在保證施工質量的基礎上,對不同類型、不同地質條件下巷道的錨桿設計進行動態設計,達到既滿足支護效果,又能減少材料消耗、降低勞動強度和提高掘進效率的目的,這對礦山企業安全、高效、經濟、發展有著重要的理論意義和實際應用價值,具有廣闊的應用前景。