軟巖巷道錨網(wǎng)支護(hù)失效機(jī)理分析

種德雨,張 楊,劉建明,王貝貝

(中國礦業(yè)大學(xué))

軟巖巷道錨網(wǎng)支護(hù)失效機(jī)理分析

種德雨①,張 楊,劉建明,王貝貝

(中國礦業(yè)大學(xué))

隨著采深的增加,軟巖巷道的支護(hù)問題日益突出。錨網(wǎng)支護(hù)在軟巖巷道的支護(hù)中有著廣泛的應(yīng)用。在巷道支護(hù)實(shí)踐中存在著錨網(wǎng)支護(hù)失效的現(xiàn)象,本文從理論上闡明錨網(wǎng)支護(hù)失效的原因,為軟巖巷道的錨網(wǎng)支護(hù)提供理論指導(dǎo)。

軟巖巷道;錨網(wǎng)支護(hù);失效;機(jī)理;分析

煤巷支護(hù)是安全生產(chǎn)的保障。隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展,開采深度的增加,軟巖巷道支護(hù)問題日趨突出。多年以來,巷道支護(hù)經(jīng)歷了多次變革,從架棚、砌碹到現(xiàn)在的錨桿錨網(wǎng)支護(hù)形式。錨網(wǎng)支護(hù)是一種主動(dòng)的支護(hù)方式,相對(duì)于金屬棚等被動(dòng)支護(hù)更能有效地控制巷道的初期圍巖變形,并充分利用預(yù)應(yīng)力支護(hù)結(jié)構(gòu)的柔性特點(diǎn),在保證有效支護(hù)阻力的條件下高阻讓壓,使支護(hù)結(jié)構(gòu)與巖體產(chǎn)生少量位移,釋放掉部分能量,實(shí)現(xiàn)對(duì)外層結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性讓壓,同時(shí)能夠在大變形中保持整體穩(wěn)定性,最大限度地調(diào)動(dòng)和利用圍巖自身的承載能力,具有適應(yīng)性強(qiáng),支護(hù)效果好,安全可靠,施工人員勞動(dòng)強(qiáng)度減小,可卸載巷道部分壓力及位移等優(yōu)點(diǎn),成為廣泛應(yīng)用的軟巖巷道的支護(hù)形式。但是,在某些礦區(qū)也存在著錨網(wǎng)支護(hù)失效的現(xiàn)象,錨網(wǎng)支護(hù)失效往往是由于錨桿支護(hù)失效、支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)、巖體結(jié)構(gòu)、風(fēng)化作用、金屬網(wǎng)的規(guī)格、錨桿的施工質(zhì)量等因素導(dǎo)致,也可能是多種因素綜合作用的結(jié)果。

1 錨桿支護(hù)失效

1)錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理。錨網(wǎng)支護(hù)的關(guān)鍵是確定錨桿的支護(hù)參數(shù)。錨桿預(yù)拉力大小對(duì)頂板支護(hù)起著重要的作用,提高錨桿預(yù)拉力,建立整體頂板,可防止圍巖離層、冒落。錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)包括:錨桿種類、錨桿幾何參數(shù)、錨桿力學(xué)參數(shù)、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(zhǎng)度、錨桿預(yù)緊力矩或預(yù)緊力、錨桿錨固力拉拔試驗(yàn)結(jié)果。支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性直接影響到錨桿支護(hù)的效果。支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)可以采用工程類比法、數(shù)據(jù)模擬法進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)本身不可能將各種地質(zhì)變化情況考慮在內(nèi),這就存在一定的局限性。在施工過程中,遇到特殊地質(zhì)情況后,如果不及時(shí)修正支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì),最終可能導(dǎo)致煤巷錨桿失效。

2)地質(zhì)因素影響。當(dāng)煤層掘進(jìn)巷道遇到地質(zhì)變化,如:松軟巖層、斷層、褶曲、無炭柱、沖刷帶、頂板淋水增大、應(yīng)力集中等情況,頂板多數(shù)較為破碎,且?guī)r性松軟、硬度降低,致使錨桿在巖體中的錨固距離內(nèi)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(dǎo)致頂板事故。

煤層節(jié)理、裂隙發(fā)育也是造成煤巷錨桿失效的原因之一。

3)煤巷錨桿支護(hù)材質(zhì)的影響。支護(hù)材質(zhì)質(zhì)量的好壞直接影響到支護(hù)質(zhì)量的優(yōu)劣。支護(hù)材質(zhì)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(xiàng),它們的規(guī)格、性能、強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)的匹配至關(guān)重要。煤巷錨桿支護(hù)用品的內(nèi)在質(zhì)量檢測(cè)試驗(yàn),必須由專門的質(zhì)檢部門負(fù)責(zé)對(duì)每批次支護(hù)用品的材質(zhì)、物理化學(xué)性能、機(jī)械性能等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、支護(hù)設(shè)計(jì)要求的有關(guān)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn),提出檢測(cè)報(bào)告。

2 錨桿支護(hù)理念

目前,指導(dǎo)錨網(wǎng)支護(hù)的多種理論(懸吊、組合梁、組合拱及最大水平應(yīng)力理論等)從不同的方面解釋了錨桿的支護(hù)機(jī)理,并提出了各自的錨桿支護(hù)參數(shù)計(jì)算公式。根據(jù)某種支護(hù)原理計(jì)算出的錨桿支護(hù)參數(shù)是針對(duì)某一種理想的特定圍巖巖性和巖體結(jié)構(gòu)所采取的支護(hù)形式。在施工中支護(hù)的圍巖巖性和巖體結(jié)構(gòu)在不斷變化,此時(shí)如果盲目強(qiáng)調(diào)其中的一種理論,計(jì)算出的數(shù)值就會(huì)與現(xiàn)場(chǎng)要求的支護(hù)參數(shù)產(chǎn)生極大的偏差,繼而影響巷道的支護(hù)效果,即單一的支護(hù)理論存在一定的局限性、片面性。實(shí)踐表明,在井下施工中,理論計(jì)算只能作為支護(hù)設(shè)計(jì)的主要參考依據(jù),此外還要輔以工程類比、巷道動(dòng)態(tài)觀測(cè)參數(shù),嚴(yán)密監(jiān)控頂板的變化情況,及時(shí)匯總、分析,并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù),使巷道支護(hù)最大限度地貼近頂板支護(hù)實(shí)際要求,從而達(dá)到最佳的支護(hù)效果。

3 巖體結(jié)構(gòu)

錨網(wǎng)支護(hù)的對(duì)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(jié)理、裂隙、構(gòu)造滑面、軟弱薄夾層等。這些弱面的共同作用決定巖體結(jié)構(gòu)特性,而巖體結(jié)構(gòu)決定了巖體的強(qiáng)度和在外力作用下的變形破壞方式。工程實(shí)踐表明,各種構(gòu)造弱面和軟弱薄夾層對(duì)支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響比巖體本身影響更大。事實(shí)上,對(duì)各種弱面和軟弱薄夾層的存在未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和采取針對(duì)性的加強(qiáng)支護(hù)措施,則是發(fā)生頂板事故的重要原因。

采用錨網(wǎng)支護(hù)弱面發(fā)育、破碎的圍巖,關(guān)鍵是控制弱面,使被頻繁切割、性狀不規(guī)則的各巖塊間相互緊密結(jié)合,始終保持弱面之間的摩擦阻力。

4 風(fēng)化作用

煤巷錨網(wǎng)支護(hù)手段完善和支護(hù)強(qiáng)度的提高,使錨網(wǎng)巷道的服務(wù)年限大幅度延長(zhǎng),這為開拓、準(zhǔn)備等服務(wù)年限較長(zhǎng)的巷道布置給予了有力的技術(shù)支持,現(xiàn)已逐漸成為礦井設(shè)計(jì)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。目前,煤巷錨網(wǎng)多采用金屬網(wǎng)護(hù)幫、頂,用以阻止所支護(hù)巖石的脫落,并對(duì)圍巖起到封閉作用,但對(duì)于長(zhǎng)期服務(wù)的錨網(wǎng)巷道,隨季節(jié)的更替,巷道內(nèi)濕度會(huì)不斷變化,加速了巷道圍巖和支護(hù)材料的風(fēng)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(huì)不斷擴(kuò)大,進(jìn)一步導(dǎo)致支護(hù)失效,并最終演變?yōu)轫敯迨鹿?。解決這些問題的辦法:

1)通過使用全長(zhǎng)錨固排出錨桿孔中的空氣,以阻止深部巖層的風(fēng)化和錨桿腐蝕。

2)采用塑料錨網(wǎng)或?qū)饘馘^網(wǎng)巷道進(jìn)行噴漿封閉,即可封閉水源、隔絕空氣,防止巖層、支護(hù)材料進(jìn)一步氧化破壞,同時(shí)提高了巷道圍巖弱面的強(qiáng)度和變形模量,對(duì)支護(hù)體有一定的加固作用。

5 鋪設(shè)金屬網(wǎng)

金屬網(wǎng)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(wǎng)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(yīng)力狀態(tài),大大提高巖體的殘余強(qiáng)度。

高應(yīng)力軟巖巷道中頂部容易發(fā)生破碎,金屬網(wǎng)的作用就是防止冒頂,所以考慮到金屬網(wǎng)的規(guī)格足夠網(wǎng)住可能破碎的石塊,如果金屬網(wǎng)被撕破,頂部冒落就會(huì)破壞組合拱的整體效果,也可能導(dǎo)致支護(hù)的失效。

6 錨桿的施工質(zhì)量

錨桿支護(hù)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(nèi)粉末的處理情況,樹脂藥卷的攪拌時(shí)間,錨桿的安裝角度,錨桿預(yù)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(shí)施都對(duì)錨桿的支護(hù)質(zhì)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(jié)束語

在軟巖巷道支護(hù)問題中,錨網(wǎng)支護(hù)是一個(gè)復(fù)雜而又細(xì)致的工作,要綜合考慮到各種影響因素,根據(jù)巷道的實(shí)際情況并結(jié)合理論知識(shí),采取合理經(jīng)濟(jì)的支護(hù)方式,實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。

[1] 邢玉章,殷德威,王 學(xué).沿空掘巷錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)參數(shù)優(yōu)化與應(yīng)用研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2005(11):52-54.

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[5] 褚秀生,蘇建國,郭四增.煤巷錨網(wǎng)支護(hù)中存在的幾個(gè)問題淺析[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2001(4):47-48.

[6] 許興亮,張農(nóng),徐基根,等.高地應(yīng)力破碎軟巖巷道過程控制原理與實(shí)踐[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2007(3):51-55.

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(jí)中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院在讀本科生 徐州 221116