井巷錨桿支護動態(tài)設計研究

熊 巨

隨著開采深度的增加,傳統(tǒng)支護方式已滿足不了支護的要求,錨桿支護技術(shù)問世以來,已有 50余年的發(fā)展歷史,隨著錨桿支護技術(shù)在生產(chǎn)實踐中的應用,錨桿支護理論也在不斷的發(fā)展,與此同時隨著錨桿支護理論的發(fā)展,錨桿支護設計方法、應用技術(shù)也在不斷的發(fā)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(wǎng) +補強錨索的錨網(wǎng)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(shù))到現(xiàn)在厚煤層放頂煤的順槽;在其它領(lǐng)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(shù)的廣泛應用,因施工質(zhì)量強度達不到要求而返修,甚至出現(xiàn)局部冒頂?shù)壬a(chǎn)事故。因此,必須加強對錨噴工藝的質(zhì)量管理,使得這一安全、簡單、高效、低耗的施工技術(shù)得到健康的發(fā)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(wěn)定性,將載荷體變?yōu)槌休d體。在相同生產(chǎn)地質(zhì)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(shù)經(jīng)濟上對比,錨桿支護可以節(jié)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(yè)環(huán)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(chǎn)高效低成本生產(chǎn)創(chuàng)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(chǎn)效率。

但隨著錨噴技術(shù)的廣泛應用,因錨桿設計參數(shù)不合理、施工質(zhì)量不達標而出現(xiàn)萬分之五的巷道支護不足,出現(xiàn)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(tài)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(zhì)量問題隨著錨噴技術(shù)的廣泛應用,錨噴支護的巷道也存在眾多的質(zhì)量問題。常見的錨桿支護問題表現(xiàn)在：設計參數(shù)不合理浪費材料或返修;施工質(zhì)量不達標、技術(shù)措施及管理不到位,造成冒頂?shù)壬a(chǎn)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(qū)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(qū)域極少部分的復雜區(qū)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(zhì)量留下隱患。大多數(shù)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(tǒng)分析,這些區(qū)域恰恰是錨噴支護施工中,出現(xiàn)問題的主要區(qū)域,造成局部支護不足。

2)施工質(zhì)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(jīng)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(xiàn)在：施工質(zhì)量不達標,技術(shù)措施及管理不到位造成冒頂?shù)壬a(chǎn)事故。這樣不僅造成重大的經(jīng)濟損失,而且會造成人員傷亡,甚至對社會穩(wěn)定帶來不良影響。出現(xiàn)以上事故問題的原因概括起來表現(xiàn)在：施工質(zhì)量不過關(guān),在掘進巷道施工中,沒有按規(guī)程標準施工,給錨桿支護質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)量問題 (錨桿的強度不達標、配件不配套,螺母、托板等構(gòu)件沒有達到國家或行業(yè)標準,圍巖破碎時錨固劑與圍巖的黏結(jié)強度不夠,錨固力小,控制變形效果差),絕大多數(shù)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(tài),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(shù)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(xiàn)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(wěn)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(wěn)定和較穩(wěn)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(zhuǎn)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?yōu)橹鲃又ёo。

3)既適應在高地壓作用下的巷道圍巖所產(chǎn)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(wǎng))支護、高柔性或 U形可縮支架的內(nèi)外聯(lián)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(tài)所限制。在這種受地質(zhì)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(wěn)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(nèi)且選擇聯(lián)合支護形式對巷道進行支護。

對于一些地質(zhì)條件復雜和圍巖不穩(wěn)定地段的巷道,如頂板錨桿不能錨固在穩(wěn)定巖層內(nèi),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(nèi)時,錨桿同樣不能錨固在穩(wěn)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(xiàn)支護方式進行調(diào)查分析后,以國內(nèi)外相類似礦井錨桿支護方式及支護參數(shù)做類比,結(jié)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(zhì)力學評估。用應力解除法測出礦區(qū)地殼應力狀態(tài),并取樣測定出巷道圍巖物理力學性質(zhì),為錨桿支護完善設計提供依據(jù)。

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(nèi)設置巷道頂板離層指示儀,測定錨固區(qū)內(nèi)、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(xiàn)場礦壓觀測結(jié)果進行分析,與所測出的地應力狀態(tài)數(shù)據(jù)綜合考慮,調(diào)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(jīng)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(zhì)條件、巖體強度、松動圈、采動影響程度、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律等因素要進行深入的調(diào)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(chǔ)數(shù)據(jù)資料。

3 錨桿動態(tài)設計質(zhì)量保證

3.1 制約錨桿支護施工質(zhì)量的問題

1)技術(shù)管理上存在缺陷,主要表現(xiàn)為：支護設計不合理或支護不及時,易造成頂板巖石發(fā)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(zhì)量。片面強調(diào)支護成本,忽視技術(shù)問題,技術(shù)管理不到位、不規(guī)范、監(jiān)測技術(shù)不實用、監(jiān)測手段跟不上等原因。

2)施工隊質(zhì)量管理不到位,教育培訓工作不到位,造成了人員素質(zhì)整體水平偏低,不按質(zhì)量標準施工,甚至對復雜的地質(zhì)構(gòu)造、地壓、危巖活石等方面的技術(shù)處理,存在明顯的缺陷;不做深入系統(tǒng)的檢測,片面強調(diào)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(zhì)量不能滿足設計要求,埋下了安全隱患。

3)監(jiān)督機制難以產(chǎn)生強有力的制約作用使施工質(zhì)量控制監(jiān)測流于形式。

4)施工設備和支護材料產(chǎn)品質(zhì)量制約施工質(zhì)量。

5)技術(shù)法規(guī)不健全及檢測技術(shù)相對滯后。檢測與監(jiān)測的難度大,不容易把握,相應的檢測技術(shù)沒有展開。

綜上所述,錨噴支護中施工的質(zhì)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(zhì)量的原因,找出解決問題的方法。

3.2 錨桿施工質(zhì)量管理的對策

1)加強錨桿支護技術(shù)管理。

2)加強班組建設,行使質(zhì)量否決權(quán)。

3)合理化工資杠桿導向,實行“按質(zhì)論價、優(yōu)質(zhì)優(yōu)價”。

4)發(fā)揮質(zhì)量監(jiān)督作用,完善質(zhì)檢隊伍建設。

5)加強支護材料管理,提高裝備和人員的技術(shù)水平。

6)建立質(zhì)量保證期及質(zhì)量保證金制度。

4 結(jié) 論

通過對巷道的不同類型、服務年限、圍巖特征、地質(zhì)條件進行系統(tǒng)分析,以工程類比為方法,以地應力測量為依據(jù),以地質(zhì)力學評估為基礎(chǔ),頂板離層和礦壓觀測為手段,在保證施工質(zhì)量的基礎(chǔ)上,對不同類型、不同地質(zhì)條件下巷道的錨桿設計進行動態(tài)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(yè)安全、高效、經(jīng)濟、發(fā)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。