煤礦頂板支護(hù)技術(shù)的研究與設(shè)計(jì)

楊 波

(山西潞安集團(tuán) 蒲縣常興煤業(yè)有限公司生產(chǎn)部，山西 長治 041200)

1 引言

頂板支護(hù)作為直接影響煤礦企業(yè)勞動安全和生產(chǎn)順暢的關(guān)鍵因素，在實(shí)際的支護(hù)形式選擇和設(shè)計(jì)計(jì)算方面有著較高的要求。基本原則是既要能產(chǎn)生良好的支護(hù)效果和具備較高的自動防御能力，又能夠保證施工流程與工藝的簡化與便捷，只有這樣才能保證頂板支護(hù)應(yīng)用的過程中滿足安全和經(jīng)濟(jì)兩個目標(biāo)。下面就常見的支護(hù)形式進(jìn)行簡單的介紹。

2 煤礦頂板支護(hù)形式

2.1 基本支護(hù)

基本支護(hù)包括木材支架、石材支架和型鋼支架等三種，其中木材支架的優(yōu)點(diǎn)在于能夠適應(yīng)多變的地下作業(yè)條件且質(zhì)量較輕、架設(shè)方便，但是缺點(diǎn)在于強(qiáng)度較低、容易腐蝕和不能防火。石材支架是由砂漿與石材一同砌制而成的連續(xù)型支架，其優(yōu)點(diǎn)在于可以就地取材且來源廣泛，在實(shí)際的支護(hù)中不僅具備較好的強(qiáng)度，同時(shí)還可以有效的阻止圍巖風(fēng)化。型鋼支架在我國煤礦中的應(yīng)用主要包括工字鋼和U 型鋼兩種，圍巖變形量較大或巷道位于斷層破碎帶處對該支架的應(yīng)用較多。

2.2 強(qiáng)化支護(hù)

頂板的強(qiáng)化支護(hù)按照使用時(shí)間的長短可以分為永久性支護(hù)和臨時(shí)性支護(hù)兩種，其中臨時(shí)性加強(qiáng)支護(hù)主要是在巷道內(nèi)的某一點(diǎn)設(shè)置一個較為容易安裝和拆移的單體支撐柱，較為常見的是液壓支柱。而永久性的加強(qiáng)支護(hù)主要是在巷道原有支護(hù)的基礎(chǔ)上通過增加構(gòu)件的方式來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度或穩(wěn)定性的加強(qiáng)，常用的形式有偏心柱、立柱和中心柱等三種。

2.3 巷道加固

巷道加固主要包括機(jī)械加固和注漿加固兩種，其中前者的主要技術(shù)操作為夯實(shí)，也就是利用機(jī)械或者人力將圍巖的松散部分進(jìn)行整平或壓實(shí)，而后者主要是通過向圍巖巖體中注射漿液的方式，而在這一過程中泵漿與圍巖形成了有機(jī)的整體并達(dá)到了一個較好的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使其結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，裂縫也能很好的閉合。

2.4 錨桿支護(hù)

錨桿支護(hù)是將由桿體、錨頭及托板等組成的桿狀結(jié)構(gòu)物錨固在巷道圍巖內(nèi)，從而增強(qiáng)巖體的整體強(qiáng)度和實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的傳遞，根據(jù)錨固形式的不同可以將錨桿支護(hù)分為粘結(jié)式、機(jī)械式和摩擦式三種。此外根據(jù)錨桿材料的不同，可以分為竹錨桿、木錨桿、混凝土錨桿和金屬錨桿，按照作用特點(diǎn)可以分為被動式錨桿和主動式錨桿等。

其中錨固劑的主要作用是將錨桿與鉆孔的巖石壁進(jìn)行粘接，金屬網(wǎng)與鋼帶主要是增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性，預(yù)防巖塊的松動與掉落，托板的主要作用是增大錨桿的工作阻力和為錨桿提供預(yù)緊力，錨桿是支護(hù)系統(tǒng)中最主要的功能構(gòu)件，抗壓和抗彎能力較低，抗剪和抗拉能力較強(qiáng)。

3 煤礦頂板錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)理論

3.1 懸吊理論

錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的懸吊理論適用于規(guī)模較大且頂板上部有較穩(wěn)定的巖層，直接頂為較軟巖層的情況，如果頂板出現(xiàn)松動破碎區(qū)可以通過懸吊錨桿在上部形成自然的平衡拱，在進(jìn)行基礎(chǔ)理論設(shè)計(jì)的過程中只需要知道不穩(wěn)定巖層的重量，便可以計(jì)算出錨桿的間排距、直徑、錨固力及長度，圖1 為支護(hù)參數(shù)計(jì)算示意圖。

圖1 支護(hù)參數(shù)計(jì)算示意圖

(1)錨桿長度:L=L1+L2+L3，其中L1為錨桿外露長度，L2為錨桿有效長度，L3為錨桿錨固長度。

(2)錨固力:Q=KL2a1a2γ，其中K 為安全系數(shù)，一般取1.5～2，a1和a2為錨桿間排距，γ 為巖層平均重力密度。

3.2 組合梁理論

組合梁理論的適用范圍為采深較淺，頂板巖層結(jié)構(gòu)為較多層的軟巖且沒有明顯的構(gòu)造應(yīng)力，在應(yīng)用的過程中通過錨桿將錨固范圍內(nèi)的幾個薄巖層進(jìn)行鎖緊，這樣便可以通過增加巖層間的摩擦力和抗剪剛度來防止層面滑動和水平錯動。其中錨桿提供的主要是切向與軸向約束，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中只需要計(jì)算出必須的承載能力便可以進(jìn)行錨桿支護(hù)參數(shù)的確定，具體的力學(xué)模型如圖2 所示。

圖2 組合梁力學(xué)模型

錨桿長度:L=L1+L2+L3，其中L1為錨桿外露長度，L2為錨桿有效長度即組合巖梁厚度，L3為錨桿錨固長度。

3.3 組合拱理論

組合拱主要適用于拱形巷道圍巖的破裂區(qū)，理論研究表明如果沿巷道周邊以足夠小的間距進(jìn)行錨桿安裝，便可以通過分布在錨桿兩端的圓錐形壓應(yīng)力交錯形成一個均勻的壓縮帶，而這個壓縮帶又被稱為組合拱或加固拱。由于該支護(hù)形式不能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的定量設(shè)計(jì)，所以只需要了解所需的加固拱厚度便可以進(jìn)行參數(shù)的計(jì)算，具體的力學(xué)模型如下圖3 所示。

圖3 加固拱力學(xué)模型

4 煤礦頂板錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)

煤礦頂板錨桿支護(hù)的設(shè)計(jì)流程可以分為巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評估、初始設(shè)計(jì)、井下監(jiān)測、信息反饋和修正設(shè)計(jì)等五部分，下面就每一步的具體要求進(jìn)行深入的分析。

4.1 圍巖地質(zhì)力學(xué)評估

圍巖地質(zhì)力學(xué)評估的主要目的是為初始設(shè)計(jì)中的圍巖類型確定提供數(shù)據(jù)和理論支持，在進(jìn)行評估的過程中主要包括地質(zhì)構(gòu)造和圍巖結(jié)構(gòu)，圍巖巖性和強(qiáng)度，環(huán)境影響，地應(yīng)力，采動影響和黏結(jié)強(qiáng)度測試等。

4.2 初始設(shè)計(jì)

在對圍巖地質(zhì)力學(xué)進(jìn)行初步評估之后，便可以對比圍巖分類表進(jìn)行類別的確定，并在此基礎(chǔ)上確定出巷道頂板錨桿支護(hù)形式和主要參數(shù)，具體確定方法如下表1 所示。

表1 煤礦巷道頂板錨桿支護(hù)形式與參數(shù)選擇表

巷道類別圍巖狀況支護(hù)形式 支護(hù)參數(shù)Ⅴ 極不穩(wěn)定頂板較完整:錨桿+金屬可縮支架，或增加錨索頂板較破碎:錨桿+網(wǎng)+ 金屬可縮支架，或增加錨索，或加固圍巖底鼓嚴(yán)重:錨桿+ 環(huán)形可縮支架全長錨固 桿體直徑:18～22mm錨桿長度:2.2～2.6m 排間距:0.6～1.0m

4.3 井下監(jiān)測

井下監(jiān)測的主要目的是獲取錨桿和巷道圍巖的各種受力與變形信息，以便分析巷道的安全程度和進(jìn)行初始設(shè)計(jì)的修正，選取的基本原則為能夠全面反應(yīng)巷道圍巖變形情況，錨索與錨桿的分布與受力情況，且操作簡單和便于測取。目前對于監(jiān)測指標(biāo)的選擇主要包括錨索與錨桿受力，兩幫相對移近量和頂板離層值等三方面的六個指標(biāo)，具體分別用A、B、C、D、E、F 表示:

A——錨固區(qū)內(nèi)頂板離層設(shè)計(jì)值，mm;

B——錨固區(qū)外頂板離層設(shè)計(jì)值，mm;

C——兩幫相對移近量的設(shè)計(jì)值，mm;

D——全長錨固測力錨桿桿體測點(diǎn)屈服數(shù)與桿體測點(diǎn)總數(shù)的比值，定為1/3;

E——端錨錨桿的設(shè)計(jì)錨固力，KN;

F——錨索的設(shè)計(jì)錨固力，KN;

所有指標(biāo)的檢測均選在圍巖變形的掘進(jìn)影響期。

4.4 信息反饋

信息反饋是指將上述監(jiān)測六個指標(biāo)的實(shí)測值與初始設(shè)計(jì)中選取的指標(biāo)值進(jìn)行對比分析，而對于反饋指標(biāo)信息的合理性確定不僅直接關(guān)系到支護(hù)材料使用和成本的大小，同時(shí)也是影響巷道整體安全性能的關(guān)鍵，如果反饋指標(biāo)值過于保守就會造成材料的浪費(fèi)和支護(hù)成本的增加，相反則會導(dǎo)致安全性的下降。

4.5 設(shè)計(jì)修正

無需對初始設(shè)計(jì)進(jìn)行修正的標(biāo)準(zhǔn)為A、B、C、D 的實(shí)測值均小于等于設(shè)計(jì)值，而E 與F 分別小于等于設(shè)計(jì)值的4/5，如果有一個指標(biāo)不能滿足要求便需要對初始設(shè)計(jì)進(jìn)行修正，其中優(yōu)先修改錨索與錨桿的預(yù)緊力。當(dāng)出現(xiàn)頂板彎曲變形、兩幫移近量增大或者錨桿位置移動等問題時(shí)，就應(yīng)該適當(dāng)?shù)脑黾渝^索與錨桿的預(yù)緊力，目前我國錨桿預(yù)緊力的確定范圍一般為材料屈服強(qiáng)度的30～50%。

5 結(jié)語

通過以上對煤礦頂板支護(hù)形式與原理的簡單介紹，不僅可以清晰的認(rèn)識到頂板支護(hù)對于煤礦生產(chǎn)安全的重要性，同時(shí)也更加深刻的認(rèn)識到想要從根本上避免頂板冒頂事故的發(fā)生就要做好支護(hù)技術(shù)的理論研究和應(yīng)用設(shè)計(jì)。雖然目前我國對于頂板錨桿支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用仍然存在較多的問題和需要改進(jìn)的方面，但是隨著相關(guān)理論研究的深入以及實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的增加，一定能夠使頂板支護(hù)的質(zhì)量得到進(jìn)一步的提升。

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