深部巷道錨桿支護(hù)失效原因及支護(hù)對(duì)策研究

(河南能源化工集團(tuán)焦煤公司中馬村礦，河南 焦作 454171)

0 引言

由于煤炭開采工作在我國有著十分悠久的歷史，煤炭資源出現(xiàn)嚴(yán)重的短缺問題，并且社會(huì)發(fā)展中所需的能源量越來越大，這就導(dǎo)致煤炭的開采工作越來越深入，掘進(jìn)的深度越來越大。隨著埋深的逐漸增加，巷道內(nèi)部開展的開采及支護(hù)工作所面臨的問題日益嚴(yán)峻，且?guī)r石的強(qiáng)度越來越低，導(dǎo)致圍巖無法自穩(wěn)，支護(hù)體系所承受的壓力越來越大，巷道出現(xiàn)了較大的形變，對(duì)支護(hù)造成了極大的影響。目前，在我國巷道的總掘進(jìn)量中，深部巷道大約占據(jù)了29%，而這種巷道存在70%的返修率，極大增加了掘進(jìn)工作中的人資及物資，這是現(xiàn)階段必須解決的一個(gè)問題。

1 深部巷道礦壓的顯現(xiàn)特征及圍巖變形的破壞分析

通過與淺部巷道進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，深部巷道的礦壓主要存在下列幾點(diǎn)特征：①巷道的變形程度可以達(dá)到500 mm以上，其圍巖也將出現(xiàn)嚴(yán)重的破裂區(qū)域，一般高于4 m，塑性區(qū)所具有的寬度也會(huì)超出10 m。②在深部巷道中，因圍巖出現(xiàn)了過長的變形期，導(dǎo)致巷道的支護(hù)及維護(hù)受到了極大的影響。③深部巷道因其所具有的復(fù)雜構(gòu)造及分布不均勻的應(yīng)力而出現(xiàn)較大的不規(guī)則性及不明確性。④一般情況下，巷道內(nèi)的支護(hù)工作僅僅針對(duì)頂板及兩幫來展開，而并未對(duì)底板進(jìn)行支護(hù)，這就對(duì)承壓拱的形成及自承力的提升造成極大的影響，深部巷道產(chǎn)生了底鼓變形的問題，在頂板及底板的移進(jìn)量中底鼓大約占據(jù)了2/3。

掘進(jìn)工作的展開將會(huì)使巷道周邊巖石存在不均勻的應(yīng)力，形成應(yīng)力集中區(qū)域。若該區(qū)域內(nèi)存在的應(yīng)力超出了巖石自身的強(qiáng)度時(shí)，則巷道巖石將會(huì)被粉碎，并在塑性區(qū)形成一定的松動(dòng)圈。

當(dāng)巷道出現(xiàn)了嚴(yán)重的斷面時(shí)，切向應(yīng)力將會(huì)對(duì)圍巖的穩(wěn)定性造成極大的破壞，基于以往的經(jīng)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圍巖出現(xiàn)了過大的應(yīng)力時(shí)，極易導(dǎo)致破斷問題的產(chǎn)生。切向應(yīng)力是初始應(yīng)力轉(zhuǎn)變而成，兩者之間存在正比關(guān)系，同時(shí)初始應(yīng)力與埋深也存在相應(yīng)的關(guān)系。

隨著開采時(shí)間的不斷延長，塑性區(qū)的范圍將會(huì)逐漸擴(kuò)大至周邊巖體，圍巖所存在的位移變形也持續(xù)增加。當(dāng)圍巖出現(xiàn)較大的變形時(shí)，巖體自身所具有的穩(wěn)定性將會(huì)受到影響，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較大的擠壓力，而由于受到支護(hù)體的影響，圍巖會(huì)再次趨于穩(wěn)定。但是當(dāng)支護(hù)構(gòu)造與圍巖發(fā)生作用的周期及變形不相符的時(shí)候，圍巖存在的松動(dòng)圈將會(huì)持續(xù)擴(kuò)大，導(dǎo)致支護(hù)體受到損壞，進(jìn)而導(dǎo)致巷道產(chǎn)生片幫及冒頂?shù)膯栴}。

2 深部錨桿支護(hù)巷道的破壞類型及錨桿失效的原因

2.1 深部錨桿支護(hù)巷道的破壞類型

在實(shí)際工程中，其破壞形式主要存在以下幾種。

1)當(dāng)頂板巖石出現(xiàn)嚴(yán)重破碎的狀況時(shí)，錨桿無法對(duì)巷道頂板存在的淺部破碎圍巖進(jìn)行有效的支護(hù)，錨桿端部周圍的巖石將會(huì)出現(xiàn)小區(qū)域的冒落事故，進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的冒落拱。

2)針對(duì)頂板巖層產(chǎn)生的離層問題，錨固體也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的離層性頂板，隨著錨桿作用力的逐漸消失，頂板將會(huì)出現(xiàn)大區(qū)域的垮落現(xiàn)象。

3)當(dāng)巷道兩幫的煤巖體不具備較好的力學(xué)性質(zhì)及較強(qiáng)的整體性時(shí)，巷道將會(huì)受到破壞。

2.2 錨桿支護(hù)失效的原因

1)未遵照實(shí)際狀況來選擇及設(shè)計(jì)各個(gè)錨桿參數(shù)。當(dāng)錨桿設(shè)計(jì)不具有較高的強(qiáng)度時(shí)，其支護(hù)體系及圍巖將不能形成穩(wěn)固的承載構(gòu)造，巷道變形也不能得到有效的控制，這必定會(huì)對(duì)礦井的生產(chǎn)造成較大的影響。但是如果過于重視錨桿的安全性，就會(huì)使支護(hù)的成本不斷增加。

2)錨固無法取得效果。當(dāng)上覆巖層存在過多的結(jié)構(gòu)弱面時(shí)，頂板上端的圍巖將會(huì)出現(xiàn)部分受損的問題，導(dǎo)致錨固力持續(xù)降低，使錨固失去效果，最終將會(huì)出現(xiàn)大區(qū)域冒頂?shù)膯栴}。

3)粘結(jié)失去效果。錨桿可以利用圍巖及錨固劑而形成一個(gè)有效的整體，若錨桿的桿體與粘結(jié)材料之間形成了滑移錯(cuò)位，則圍巖將不能得到有效的加固，導(dǎo)致粘結(jié)受到破壞。錨桿所具有的錨固力大小主要取決于錨桿與粘結(jié)材料之間存在的粘錨力，各種類型的圍巖與各種形式的錨桿之間存在不同的錨固力大小，因此在對(duì)巷道支護(hù)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)對(duì)圍巖的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行充分考慮，選擇最有效的錨桿來提升及控制錨固力，并基于此來提升支護(hù)工作的水平。

4)托盤失去效果。在安裝錨桿的時(shí)候，利用托盤來提升預(yù)應(yīng)力，并積極轉(zhuǎn)變巖體存在的受力狀態(tài)，確保其成為一個(gè)完整的承載體，從而使錨桿所具有的作用得到充分發(fā)揮，如果托盤的安裝不具備合理性，將會(huì)對(duì)錨桿的支護(hù)效果造成一定的影響。

3 深部巷道錨桿支護(hù)的原則及措施

為了避免該巷道的圍巖發(fā)生變形問題，在對(duì)錨桿支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)及應(yīng)用的過程中應(yīng)嚴(yán)格遵循以下幾項(xiàng)原則：①及時(shí)性原則，即巷道所開展的支護(hù)工作應(yīng)緊緊圍繞著掘進(jìn)工作，確保支護(hù)工作具備一定的及時(shí)性，并使圍巖具備較強(qiáng)的自承力。②主動(dòng)性的原則，即在對(duì)該巷道進(jìn)行支護(hù)時(shí)，其主要運(yùn)用較高強(qiáng)度的錨桿/錨索，利用其具有的主動(dòng)性來強(qiáng)化圍巖，使其形成一個(gè)完整的體系，不斷加強(qiáng)圍巖的自承力。③有效性原則，即有效確保巷道的支護(hù)質(zhì)量，在進(jìn)行錨桿/錨索支護(hù)之后確保其可以達(dá)到預(yù)期的預(yù)緊力及錨固力，對(duì)于失去效果的錨桿錨索應(yīng)當(dāng)及時(shí)完善，以保證整個(gè)支護(hù)體系維持較好的狀態(tài)。④動(dòng)態(tài)性原則，即要依據(jù)巷道所具有的地質(zhì)條件來選擇最合適的支護(hù)形式，并確保其具備一定的動(dòng)態(tài)性，并非單次就可完成，因此應(yīng)當(dāng)對(duì)圍巖變形等進(jìn)行嚴(yán)格的礦壓監(jiān)測，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并對(duì)各個(gè)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而對(duì)圍巖進(jìn)行有效的控制。⑤可靠性原則，即采取優(yōu)質(zhì)的錨桿/錨索材料，同時(shí)選擇有效的支護(hù)參數(shù)，提高一次成巷的支護(hù)質(zhì)量，減小返修率。

根據(jù)以上這些原則，提出有效的支護(hù)方案，以增強(qiáng)深部巷道圍巖的穩(wěn)定性。

1)首先，通過將錨桿/錨索的形式與金屬網(wǎng)進(jìn)行結(jié)合來開展支護(hù)，確保巷道得到有效支護(hù)，強(qiáng)化巷道表面的圍巖，從而使圍巖所具有的自承力得到完全發(fā)揮。通過大量的實(shí)踐可知，隨著巷道越來越深入的掘進(jìn)，其對(duì)支護(hù)體系提出了越來越高的要求，且增強(qiáng)錨桿/錨索的支護(hù)強(qiáng)度是發(fā)展的必然趨勢。

2)深部巷道進(jìn)行的支護(hù)工作需要采取具備較高強(qiáng)度及預(yù)應(yīng)力的錨桿/錨索結(jié)合金屬網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)，特別是增強(qiáng)頂板的支護(hù)效果，避免其出現(xiàn)離層、垮落等問題。

3)對(duì)巷道的兩幫開展高強(qiáng)度的支護(hù)工作，通過運(yùn)用錨桿/錨索等形式來進(jìn)行支護(hù)，確保兩幫不會(huì)產(chǎn)生較大的位移。

4)通過在幫角部位加設(shè)錨桿/錨索來避免巷道底鼓發(fā)生變形問題。

5)將錨桿/錨索的預(yù)緊力及錨固力進(jìn)行增強(qiáng)，促使巷道內(nèi)的支護(hù)系統(tǒng)具備較高的穩(wěn)定性，確保圍巖的自承結(jié)構(gòu)具備較高的強(qiáng)度。

6)對(duì)于巷道中所進(jìn)行的礦壓觀測工作，當(dāng)圍巖的地質(zhì)、施工技藝等出現(xiàn)過大的變形時(shí)，需要對(duì)支護(hù)工作的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。尤其是一些出現(xiàn)嚴(yán)重變形問題的區(qū)域，應(yīng)當(dāng)針對(duì)各個(gè)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行完善及加強(qiáng)，以確保掘進(jìn)工作的正常進(jìn)行。

4 結(jié)語

在淺部巷道中，其所采取的支護(hù)方式大多是依據(jù)圍巖松動(dòng)圈來展開，通過采取錨桿/錨索等各種形式來增強(qiáng)該松動(dòng)圈的高效性。而針對(duì)深部圍巖來講，其所具備的地應(yīng)力要明顯高于淺部，因此其巖體所具有的流動(dòng)性較大，圍巖將會(huì)發(fā)生各種形式的變形，導(dǎo)致巷道支護(hù)的難度不斷提高。因此，在明確巷道支護(hù)的形式及參數(shù)時(shí)，必須選擇最佳的支護(hù)方式，以嚴(yán)格控制巷道在深部惡劣圍巖狀況下發(fā)生的變形故障。