浅议复合顶板下巷道的锚杆支护

1、浅议复合顶板下巷道的锚杆支护安全072 孙博摘 要:煤巷锚杆支护在实际施工中 ,经常会遇到各种各样的问题 ,给煤巷锚杆支护带来很多困难 ,复合顶板就是其中之一。文章主要从锚杆的支护原理、 支护设计、 支护监测等方面 ,对复合顶板锚杆支护设计相关依据进行了阐述 ,以期对复合顶板条件下巷道支护设计起到一定指导作用。关 键 词：复合顶板、锚杆支护、锚杆锚索 煤巷沿顶板掘进时常遇到复合顶板 ,所谓复合顶板是指在煤层顶板由多层岩层和煤线间隔复合而成 ,层间粘结力弱 ,暴露易发生离层 ,支护不良时还可能发生大面积垮落事故。过去采用的是工字钢架棚支护 ,由于架棚支护是一种被动支护 ,易造成巷道两帮及顶底板移

2、近量大 ,支架损坏严重 ,造成前掘后修的现象 ,严重影响安全生产。为解决这一施工难题 ,在现阶段的技术条件下 ,复合顶板支护方式很多 ,锚杆支护以其良好的优越性排在所有支护方案的前列。但大量的实践又证明 ,选用单一的、 一成不变的支护设计方案 ,是不符合复合顶的复杂性和多变性支护要求的 ,只有因地制宜 ,根据现场的复合顶板的状况 ,采用不同参数的锚杆支护设计方案 ,才能取得比较好的效果。锚杆支护的出现，实现了巷道支护方面的一次重大革命。以前传统的支护方式存在一些弊端，如砌谴巷道，巷道掘进断面大，支护厚度大，工人劳动强度大，掘进速度慢，材料消耗大，支护成本高等缺点。又如，棚式支架，首先是支护成本

3、高，钢材消耗量巨大，无法实现机械化作业，工人劳动强度大，因而造成掘进速度也较慢。这两种支护方式均属被动支护，即随着巷道地应力的增大，巷道的支护厚度或工字钢的。支护技术目前美国澳大利亚巷道锚杆支护率达90以上西欧一些主要产煤国锚杆支护率也达到了80%以上。我国经过多年的推广应用锚杆支护技术，岩巷锚杆支护率达到了80%。煤巷锚杆支护率仅为40%，与发达国家相比仍有一定的差距。随着开采深度的增加及地质条件的复杂化，巷道围岩应力增大。另外，沉积岩类顶板一般较软弱，且裂隙较发育，煤矿巷道更难维护，现根据锚杆支护相关理论 ,并结合多年锚杆支护设计经验 ,对支护原理、 支护设计进行分析。1. 支护原理随着锚

4、杆支护的实践应用，锚杆支护的理论也在不断的产生和完善。目前国内外关于锚杆支护理论主要有以下几种形式:11悬吊理论1.1.1悬吊理论简述 1952年路易斯阿帕内科L(ui.Apnake)等发表了悬吊理论，悬吊理论认为锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳固的岩层上，在预加张紧力的作用下，每根锚杆承担其周围一定范围内岩体的重量，锚杆的锚固力应大于其所悬吊的岩体的重力。 2组合梁理论2.1组合梁理论22.1组合梁理论简述基本假设:沉积岩类岩石的空间分布是层状结构，每层岩石都有一定的抗压强度、抗拉强度和抗剪强度，但相互间缺少粘结力或粘结力很弱。基于这一假设，按材料力学理论可知，无锚杆时巷道

5、顶板岩石为叠合梁结构，在受到其上部围岩的应力作用后，各层单独变形，层与层之间容易产生滑移从而导致离层;而顶板采用锚杆支护时，锚杆穿过各层状岩层形成组合梁，共同抵抗围岩应力，故变形较小，从而起到支护的作用。见图1一2组合梁作用原理。即多层组合梁的最大拉应力为多层迭合梁最大拉应力的1n/，最大挠度为多层迭合梁的，可见组合梁的应力状态要比迭合梁的应力状态好得多。2.3减跨理论2.3.1减跨理论简述在悬吊作用理论及组合梁作用理论的基础上，提出了减跨理论，该理论认为:锚杆末端固定在稳定岩层内，穿过薄层状顶板，每根锚杆相当于一个铰支点，将巷道顶板划分成小跨，从而使顶板挠度降低。见图1一3减跨作用原理。通过

6、比较可知，在巷道顶板上安装锚杆之后，将巷道顶板划分成多个小跨，成为多跨连续梁结构，其冒落拱高度及顶板下沉量均有大幅度的降低，从而使巷道围岩更加稳定。24三铰拱理论2.4.1三铰拱理论简述危险岩块在锚杆作用下，岩块相互搭接，形成一个三铰拱，其计算简图见图1一4。计算原理如下:2.5组合拱理论2.5.1组合拱理论简述对于拱形巷道，前四种理论均不符合，而拱形断面巷道又是煤矿井下最常见的巷道断面形式。组合拱理论认为:在沿拱形巷道周边布置锚杆后，在预紧锚固力的作用下，每根锚杆都有一定的应力作用范围，只要取合理的锚杆间距，其应力作用范围会相互重迭，从而形成一连续的挤压加固带即厚度较大组合拱，该加固带的厚度

7、是普通砌暄支护厚度的数倍。故能更为有效地抵抗围岩应力，减少围岩变形，其支护效果明显好于普通砌暄支护。按组合拱理论，锚杆的间排距与压缩拱厚度的关系可由下式确定。锚杆长度按L=1.6-1.8m，锚杆间排距按a=0.6-0.8m取值时，则挤压加固拱的厚度b=0.9一1.2m，且锚固体具有较好的可缩性。锚杆设计主要采用组合拱理论 ,锚索设计主要采用悬吊补强理论。1.1锚杆的作用锚杆形成承载基础 ,既然锚杆支护无法阻止深层岩体的松动 ,那么也无需特别提高顶板支护体强度 ,只需把锚杆的延展性、 高抗拉强度、 抗剪强度的优越性发挥出来。锚杆锚固厚度小 ,锚固体扩容变形量相对较小 ,扩容应力也较小 ,利用全长

8、锚固等强螺纹钢锚杆支护 ,可满足复合顶板底层锚固体的扩容变形和扩容应力 ,形成初期支护阶段的顶板挤压加固拱平衡状态。1.2锚索的作用锚索形成稳定承载体 ,利用钢绞线锚索预应力对岩体挤压加固作用 ,使锚索与锚杆支护相互促进、相互补强。锚索有很好的延展性和抗拉强度 ,使锚索形成的锚固岩体在巷道顶板中部形成一条强度大、 结构稳定的承载体。锚索锚固点处在松动圈之外 ,增加了顶板承载体的稳定性。锚索布置在两排锚杆之间 ,增加了支护的密度 ,锚索的高延展性、 高强度 ,进一步提高了承载体的强度、 塑性和抗弯曲破坏能力 ,提高了承载体的自稳能力。1.3金属网的作用金属网能够托住挤入巷道的岩石 ,将锚杆之间非

9、锚固岩层载荷传递给锚杆 ,有效地控制锚杆之间非锚固岩层的变形;金属网托住已碎裂的岩石 ,防止碎裂岩体的垮落 ,虽然巷道围岩已破裂 ,由于碎石的碎胀作用 ,使巷道深部岩石仍保持三向应力状态 ,大大提高了岩体的残余强度。2.支护设计巷道初始设计采用工程类比法与理论计算相结合的方法 ,在组织施工过程中 ,灵活运用支护参数动态设计法 ,对初始设计予以修正。在锚杆支护范围内无稳定顶板，顶板岩层均为相对较薄的层状顶板。在锚杆预紧力作用下，每一根锚杆周围形成母线与轴线成45“夹角的双锥体结构，多根锚杆联合作用时，其重迭区域形成压缩岩梁见图4一5。该压缩岩梁的厚度为锚杆支护的有效厚度，设锚杆长度为L，锚杆间距

10、为w，则压缩岩梁厚度为:由式4一15至4一19可知，由于锚杆组合了j层岩石，其上岩层相应减少j层，自重应力也随之减小，而顶板的厚度则变为l>h，剪应力和拉应力都有很大的降低。要考察顶板是否破坏，应比较最大拉应力是否超过顶板加锚杆后的容许拉应力若超过了顶板就会破坏，否则，巷道顶板稳定。与式4一12相比，若板锚杆使多层顶板挤压加固，其抗拉强度提高至8MPa，且a值由2m变为1.6m，此时所需的锚杆加固岩层的厚度为:考虑到顶板岩层原生缺陷，按此计算则锚杆的长度至少要达4m以上，而锚杆加长后，锚杆本身的变形量大，且实际施工也很困难，因而目前煤炭系统实际应用的锚杆长度一般不超过2.5m。否则，则考

11、虑增加锚索支护。在顶板岩层中有稳定岩层此时要考虑该稳定岩层的位置及其厚度在锚杆预紧力作用下，其受力简图如图4一6所示。锚杆固定在稳定岩层内(第j层岩石)，将下部不稳定岩层悬吊起来。在锚杆预紧力作用下，薄层状顶板形成组合梁，并与其上的稳定岩层共同形成组合悬吊岩梁结构。下变化:顶板岩梁总厚度为:此时顶板岩梁的剪应力和拉应力作如2.1设计方法1)工程类比法:根据要设计巷道的地质条件 ,通过类比相似地质条件的巷道支护设计 ,得出支护方案。2)顶板悬吊理论验算:根据顶板复合层的厚度来确定顶板冒落拱的高度 ,采用理论公式进行验算。3)支护参数动态设计法:核心是顶板岩层结构探测与支护后顶板变形监测和稳定性预

12、测技术 ,采用打锚索孔或地质探测孔的方法探测顶板的岩层结构 ,根据探测结果 ,优化、 调整支护参数。随着掘进面的推进 ,动态监测顶板的岩层变化趋势 ,根据探测的结果及时发现隐患。并修改和调整待掘进区域设计。消除对围岩条件变化反应滞后的现象 ,对每个区域都能根据最新的实时反馈信息 ,得到符合实际的锚杆支护参数。确保支护安全可靠 ,经济合理 ,技术可行 ,取得良好支护效果。2.2设计内容 锚杆、 锚索间排距及长度 ; 支护材料选择。2.3设计流程 锚杆支护参数初始设计; 现场施工组织; 顶板岩层结构的动态探测; 支护效果监测; 参数修改 ,完善锚杆支护设计。2.4矿压观测及优化支护参数1)观测内容

13、:包括顶板离层仪内外离层、 巷道表面位移、 顶板钻孔窥探仪观测。2)支护参数优化:根据矿压信息 ,不断修正设计 ,循环往复最后达到参数的最优化。同时对支护后的巷道顶板进行变形监测 ,预测顶板危险区域采取控制措施 ,消除安全隐患。2.5煤壁管理在巷道施工过程中 ,往往由于断面大、 受地质构造影响、 受动压影响等 ,全锚支护容易高顶、 片帮 ,导致顶部、 帮部在没有来得及支护之前 ,煤就已经塌帮。严重影响到巷道成形质量 ,且给锚杆打设质量的控制增加难度。针对复合顶板条件下 ,大部分煤体松软的特性可采取以下一系列改进措施: 1)钢筋网全封闭支护: 针对巷道施工过程中常出现掉渣空肩现象 ,为有效地对围

14、岩起到保护支撑作用 ,能更好地把顶网和帮网连接成一个整增强钢筋网的支撑和传递力的作用 ,采用全封闭支护。2)缩小间排距: 顶帮锚杆间排距由常规800 mm × 800 mm改为 600 mm × 600 mm。3)塘材笆片护帮: 由于煤比较松软 ,普通的钢筋网网格较大 ,煤容易外漏 ,在钢筋网内充填塘材笆片 ,能更好地防止煤壁片帮。4)加用木垫板: 在锚杆托盘下加一层木垫板 ,能起到让压作用 ,增加弹性 ,防止由于帮顶来压 ,造成托盘损坏、 锚杆螺帽崩掉等现象。3结语1)复合顶板下的锚杆支护应因地制宜 ,根据巷道内复合顶的厚度不同以及岩性的差异来灵活确定锚杆支护的方式和密度

15、。2)在复合顶板淋水的特殊地段 ,巷道易片帮 ,顶板易破碎、 离层、 冒落 ,巷道掘进工作面环境较恶劣 ,锚杆、 锚索孔淋水 ,影响了锚杆、 锚索支护质量 ,使支护难度增大 ,影响巷道掘进速度。3)对于顶板淋水的地段 ,顶板因淋水造成泥岩膨胀和强度弱化 ,并对锚杆、 锚索有腐蚀破坏作用 ,为加强锚索锚固强度 ,保证巷道支护质量 ,在以后的施工过程中建议采用 D l8 mm或以上锚索加强。4)锚梁网巷道支护技术是解决复合顶板条件下巷道支护的一条有效途径 ,可供参考。5)目前的锚杆锚索施工质量的检测技术有待进一步提高 ,目前大多的传统检测手段基本上都停留在有损检测阶段。顶部 1 . 2 m煤体 ,打注锚杆后再起底 ,然后打帮锚杆。4)煤层倾角在 45° 以上时 ,防止底