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文學(xué)寬研究員煤炭科學(xué)研究總院
1.煤礦巷道頂板事故概況
1954~1985年期間,頂板事故死亡人數(shù)占總事故死亡人數(shù)的45%,采煤工作面頂板事故占75%,巷道頂板事故占25%。1986~1992年期間頂板事故占總事故死亡人數(shù)的40%,采煤工作面頂板事故占頂板事故的66%,巷道頂板事故上升到34%。
1.1巷道頂板事故比例上升原因〔1〕為了滿足大井型的生產(chǎn)系統(tǒng)需要,巷道斷面大,效勞年限長(zhǎng);〔2〕掘進(jìn)和維護(hù)過(guò)程中,對(duì)關(guān)鍵部位、地點(diǎn)〔交叉點(diǎn)等〕,措施不力,管理不嚴(yán);〔3〕隨著開(kāi)采深度的增加,巖性發(fā)生變化和礦山壓力產(chǎn)生影響。全國(guó)每年以8-12m的延伸開(kāi)采。1.2煤礦巷道冒頂分類
(1)無(wú)老頂時(shí)層狀頂板采動(dòng)時(shí)圍巖變形破壞
(2)有老頂時(shí)層狀頂板采動(dòng)時(shí)
圍巖變形破壞
(3)無(wú)直接頂時(shí)層狀頂板采動(dòng)時(shí)
圍巖變形破壞煤礦巷道支護(hù)經(jīng)歷了木支護(hù)、砌碹支護(hù)、型鋼支護(hù)到錨桿支護(hù)的漫長(zhǎng)過(guò)程。
木支架鋼筋混凝土支護(hù)工字鋼可縮性梯形支架工字鋼可縮性梯形支架結(jié)構(gòu)適用巷道:圍巖比較穩(wěn)定受動(dòng)壓影響變形200—500mm。U型鋼可縮性拱形支架適用巷道:效勞時(shí)間長(zhǎng),圍巖不穩(wěn)定,受動(dòng)壓影響大,變形大于400mm,無(wú)底臌。U型鋼拱梯形可縮性支架U型鋼可縮性圓形支架適用巷道:效勞時(shí)間長(zhǎng)圍巖不穩(wěn)定受動(dòng)壓影響大變形大于800mm有底臌U型鋼方環(huán)形可縮性環(huán)形支架適用巷道:效勞時(shí)間長(zhǎng)圍巖不穩(wěn)定受動(dòng)壓影響大變形大于1000mm有底臌錨桿支護(hù)梯形巷道錨桿支護(hù)拱形巷道2.2錨桿支護(hù)的優(yōu)越性及開(kāi)展2.3.1錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用(1)錨桿桿體的作用
如圖2-1所示,錨桿可以起到抗拉和抗剪作用。常用錨桿鋼材的力學(xué)強(qiáng)度見(jiàn)表2-1,錨桿鋼筋的剪切極限強(qiáng)度見(jiàn)表2-2?!?〕錨桿托板的作用托板是錨桿尾部接觸圍巖的構(gòu)件,通過(guò)托板給錨桿施加預(yù)緊力,傳遞圍巖載荷至錨桿桿體。托板本身失效,以及托板下方的圍巖松散脫落,導(dǎo)致托板與外表不緊貼,都會(huì)使錨桿失去支護(hù)作用。
托板的作用可分為兩個(gè)方面:一是通過(guò)給螺母施加一定的扭矩使托板壓緊巷道外表,給錨桿提供預(yù)緊力,并使預(yù)緊力擴(kuò)散到錨桿周?chē)拿簬r體中,從而改善圍巖應(yīng)力狀態(tài),抑制圍巖離層,結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)和節(jié)理裂隙的張開(kāi),實(shí)現(xiàn)錨桿的主動(dòng)、及時(shí)支護(hù)作用;
二是圍巖變形使載荷作用于托板上,通過(guò)托板將載荷傳遞到錨桿桿體,增大錨桿的工作阻力,充分發(fā)揮錨桿控制圍巖變形的作用。托板力學(xué)性能應(yīng)與錨桿桿體的性能相匹配,才能充分發(fā)揮錨桿的支護(hù)作用。托板強(qiáng)度缺乏、安裝質(zhì)量差.、受較大偏載都會(huì)顯著降低錨桿的作用。
托板對(duì)全長(zhǎng)錨固的受力分布有明顯的影響。圖2-2所示是有、無(wú)托板時(shí)錨桿軸力與剪力分布示意圖。無(wú)托板時(shí)錨桿軸力在巷道外表處為零,在一定深處到達(dá)最大值,剪力在軸力最大處為零;有托板時(shí),由于錨桿施加的預(yù)緊力和圍巖通過(guò)托板作用在錨桿桿體上的力,使得錨桿軸力在巷道外表處,到達(dá)一定值,而且使錨桿軸力最大的位置向孔口移動(dòng),更接近巷道外表。〔3〕錨固劑的作用1)錨固劑的黏結(jié)作用錨固劑的主要作用是將鉆孔孔壁巖石與桿體黏結(jié)在一起,使錨桿發(fā)揮支護(hù)作用。同時(shí)錨固劑也具有一定的抗剪與抗拉能力,與錨桿共同加固圍巖。
2)錨固劑的抗拉與抗剪作用我國(guó)樹(shù)脂錨固劑的抗拉強(qiáng)度一般可取11.5MPa。如果Ф28mm的鉆孔中不安裝錨桿,只注樹(shù)脂錨固劑,那么錨固劑可提供7.08kN的抗拉力。如Ф20mm的桿體,安裝在Ф28mm的鉆孔中,那么錨固劑可提供3.47kN的抗拉力??梢?jiàn)錨固劑可提供一定的抗拉能力。樹(shù)脂錨固劑的抗剪強(qiáng)度一般可取35MPa。如果Ф28mm的鉆孔中不安裝錨桿,只注樹(shù)脂錨固劑,那么錨固劑可提供21.54kN的抗剪力。如果Ф20mm的桿體,安裝在Ф28mm的鉆孔中,那么錨固劑可提供10.55kN的抗剪力,分別是圓鋼〔Q235〕、高強(qiáng)度螺紋鋼〔BHRB400〕、超高強(qiáng)度螺紋〔BHRB600的剪斷載荷的12.4%、8.4%、5.9%??梢?jiàn)錨固劑可提供一定的抗剪能力。3〕端部錨固與全長(zhǎng)錨固的區(qū)別對(duì)于端部錨固錨桿,錨固劑的作用在于提供黏結(jié)力,使錨桿能承受一定的拉力。錨桿拉力除錨固外,沿長(zhǎng)度方向是均勻的〔圖2-5〕。由于錨桿與鉆孔間有較大空隙、所以錨桿抗剪能力只有在巖層發(fā)生較大的錯(cuò)動(dòng)后才能發(fā)揮出來(lái)。
對(duì)于全長(zhǎng)錨固錨桿,主要有兩方面:將錨桿桿體與鉆孔孔壁黏結(jié)在一起,使錨桿隨巖層移動(dòng)承受拉力;當(dāng)巖層發(fā)生錯(cuò)動(dòng)時(shí),與桿體共同起抗剪作用,阻止巖層發(fā)生滑動(dòng)。對(duì)于端部錨固錨桿,支護(hù)剛度低;對(duì)于全長(zhǎng)錨固錨桿,支護(hù)剛度高。如圖2-5所示,這是全長(zhǎng)錨固錨桿與端部錨固錨桿的根本區(qū)別?!?〕鋼帶的作用鋼帶是錨桿支護(hù)系統(tǒng)中的重要構(gòu)件,對(duì)提高錨桿支護(hù)整體支護(hù)效果,保持圍巖的完整性起著關(guān)鍵作用。鋼帶的作用主要表現(xiàn)在以下3方面:1)錨桿預(yù)緊力和工作阻力擴(kuò)散作用。單根錨桿作用于巷道外表可近似看成點(diǎn)載荷,鋼帶可擴(kuò)大錨桿作用范圍,實(shí)現(xiàn)錨桿預(yù)緊力和工作阻力擴(kuò)散,使載荷趨于均勻。
2)支護(hù)巷道外表和改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)作用。鋼帶對(duì)巷道外表提供支護(hù),抑制淺部巖層離層,裂隙張開(kāi),保持圍巖的完整性,減少巖層彎曲引起的拉伸破壞,改善巖層應(yīng)力狀態(tài),防止錨桿間松動(dòng)巖塊掉落。3)均衡錨桿受力和提高整體支護(hù)作用。鋼帶將數(shù)根錨桿連接在一起,可均衡錨桿受力,共同形成組合支護(hù)系統(tǒng),提高整體支護(hù)能力。如以下圖:(5)網(wǎng)的作用一般認(rèn)為,網(wǎng)可以維護(hù)錨桿間的圍巖,防止松動(dòng)小巖塊掉落。其實(shí),網(wǎng)的作用遠(yuǎn)不止這一個(gè),特別是在高地應(yīng)力、破碎圍巖條件下,網(wǎng)是錨桿支護(hù)系統(tǒng)中不可或缺的重要部件。網(wǎng)的作用主要表現(xiàn)在以下3方面:1)維護(hù)錨桿之間的圍巖,防止破碎巖塊垮落。2)緊貼巷道外表,提供一定的支護(hù)力。
已有的研究成果說(shuō)明,我國(guó)現(xiàn)用菱形金屬網(wǎng),在保證施工質(zhì)量的條件下,可提供0.01MPa的支護(hù)力,一定程度上改善巷道外表巖層受力裝況。同時(shí),將錨桿之間巖層的載荷傳遞給錨桿,形成整體支護(hù)系統(tǒng)。3)對(duì)深部圍巖也有良好的支護(hù)作用。網(wǎng)不僅能有效控制巷道淺部圍巖的變形與破壞,而且對(duì)深部圍巖也有良好的支護(hù)作用。如圖2—7所示,有網(wǎng)的情況下,雖然巷道外表圍巖已破壞,但沒(méi)有松散、垮落。2.3.2錨桿支護(hù)理論評(píng)述〔1〕懸吊理論錨桿支護(hù)的作用是將頂板下部不穩(wěn)定的巖層懸吊在上部穩(wěn)定的巖層中。懸吊理論是最早的錨桿支護(hù)理論,它具有直觀、易懂及使用方便等特點(diǎn)。特別是在頂板上部有穩(wěn)定巖層,而其下部存在松散、破碎巖層的條件,這種支護(hù)理論應(yīng)用比較廣泛。在比較軟弱的圍巖中,巷道開(kāi)掘后應(yīng)力重新分布,出現(xiàn)松動(dòng)破碎區(qū),在其上部形成自然平衡拱,錨桿支護(hù)的作用是將下部松動(dòng)破碎的巖層懸吊在自然平衡拱上。
懸吊理論存在以下明顯缺陷:1)錨桿受力只有當(dāng)松散巖層或不穩(wěn)定巖層完全與穩(wěn)定巖層脫離的情況下才等于破碎巖層的重量,而這種條件在井下巷道中并不多見(jiàn)。2)錨桿安設(shè)后,由于巖層變形和離層,會(huì)使錨桿受力很大,而遠(yuǎn)非破碎巖層重量。
3)當(dāng)錨桿穿過(guò)破碎巖層后,錨桿提供的徑向和切向約束不同程度地改善破碎巖層的整體強(qiáng)度,使其具有一定的承載能力。而懸吊理論沒(méi)有考慮圍巖的自承能力。4)當(dāng)圍巖松軟,巷道寬度較大時(shí),錨桿很難錨固到上部穩(wěn)定的巖層或自然平衡拱上。懸吊理論無(wú)法解釋在這種條件下錨桿支護(hù)仍然有效的原因??傊瑧业趵碚搩H考慮了錨桿的被動(dòng)抗拉作用,沒(méi)有涉及其抗剪能力及對(duì)破碎巖層整體強(qiáng)度的改變。因此,理論計(jì)算的錨桿載荷與實(shí)際出入比較大。
(2)組合梁理論
從巖層受力角度考慮,錨桿將各個(gè)巖層夾緊形成組合梁。
組合梁理論適用于層狀巖層。對(duì)于端部錨固錨桿,其提供的軸向力將對(duì)巖層離層產(chǎn)生約束,并且增大了個(gè)巖層間的摩擦力,與錨桿桿體提供的抗剪力一同阻止巖層間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。對(duì)于全長(zhǎng)錨固錨桿,錨桿和錨固劑共同作用,明顯改善錨桿受力狀況,增加了控制頂板離層和水平錯(cuò)動(dòng)的能力,支護(hù)效果優(yōu)于端部錨固錨桿。組合梁厚度越大,梁的最大應(yīng)變值越小。組合梁理論考慮了錨桿對(duì)離層及滑動(dòng)的約束作用,但是它存在以下明顯缺陷:1)組合梁有效組合很難確定。它涉及影響錨桿支護(hù)的眾多因素,目前還沒(méi)有一種方法比較可靠的估計(jì)有效組合厚度。
2)沒(méi)有考慮水平應(yīng)力對(duì)組合梁強(qiáng)度、穩(wěn)定性及錨桿載荷的作用。其實(shí),在水平應(yīng)力較大的巷道中,水平應(yīng)力是頂板破壞、失穩(wěn)的主要原因。3)只使用于層狀頂板,而且僅考慮了錨桿對(duì)離層及滑動(dòng)的約束作用,沒(méi)有涉及錨桿對(duì)巖體強(qiáng)度、變形模量及應(yīng)力分布的影響。(3)加固拱理論大量的試驗(yàn)說(shuō)明,即使在軟弱、松散、破碎的巖層中安裝錨桿,也可以形成一個(gè)承載結(jié)構(gòu)。只要錨桿間距足夠小,各根錨桿形成的壓應(yīng)力圓錐體將相互重疊,就能形成在巖體中產(chǎn)生一個(gè)均勻壓縮帶,如圖2-13所示,它可以承受壓力破壞區(qū)上部破碎巖石的載荷。加固拱內(nèi)的巖石受徑向和切向的約束,處于三向應(yīng)力狀態(tài),巖石承載能力得到提高。錨桿支護(hù)的作用是形成較大厚度和較大強(qiáng)度的加固拱,拱的厚度越大,越有利于圍巖的穩(wěn)定。
加固拱理論充分考慮了錨桿支護(hù)的整體作用,在軟巖巷道中得到較為廣泛的應(yīng)用。但是這種理論同樣存在一些明顯的缺陷:〔1〕只是將各錨桿的支護(hù)作用簡(jiǎn)單相加,得出支護(hù)系統(tǒng)的整體承載結(jié)構(gòu),缺乏對(duì)錨桿巖體力學(xué)特性及影響因素的深入研究?!?〕加固拱厚度涉及的影響因素很多,很難較準(zhǔn)確的估計(jì)。(4)最大水平應(yīng)力理論國(guó)內(nèi)外井下地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果說(shuō)明,巖層中的水平應(yīng)力在很多情況下大于垂直應(yīng)力,而且水平應(yīng)力具有明顯的方向性;最大水平主應(yīng)力明顯高于最小水平主應(yīng)力,這種趨勢(shì)在淺部礦井尤為明顯。澳大利亞學(xué)者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與數(shù)值模擬分析,得出水平應(yīng)力對(duì)巷道圍巖變形與穩(wěn)定性的作用〔圖2-14〕。他認(rèn)為,巷道頂?shù)装遄冃闻c穩(wěn)定性主要受水平應(yīng)力的影響;當(dāng)巷道軸線與最大水平主應(yīng)力平行,巷道受水平應(yīng)力的影響最小,有利于頂?shù)装宸€(wěn)定;當(dāng)巷道軸線與最大水平主應(yīng)力垂直,巷道受水平應(yīng)力的影響最大,頂?shù)装宸€(wěn)定性最差;當(dāng)兩者呈一定夾角時(shí),巷道一側(cè)會(huì)出現(xiàn)水平應(yīng)力集中,頂?shù)装宓淖冃闻c破壞會(huì)偏向巷道的某一幫。
(5)圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論董方庭等提出圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論。巷道開(kāi)挖后,當(dāng)圍巖應(yīng)力超過(guò)圍巖強(qiáng)度時(shí)將在圍巖中產(chǎn)生新的裂紋,其分布區(qū)域類似圓形或橢圓形,稱之為圍巖松動(dòng)圈。圍巖一旦產(chǎn)生松動(dòng),圍巖的最大變形載荷是松動(dòng)圈產(chǎn)生過(guò)程中的碎脹變形,圍巖破裂過(guò)程中的巖石碎裂變形是支護(hù)的對(duì)象?,F(xiàn)有支護(hù)無(wú)法有效阻止圍巖松動(dòng)圈的產(chǎn)生與開(kāi)展。
根據(jù)圍巖松動(dòng)圈理論,將錨噴支護(hù)分為3種類型:①小松動(dòng)圈〔厚度小于400mm〕,錨桿支護(hù)作用不明顯,只需進(jìn)行噴射混凝土支護(hù)。②中松動(dòng)圈〔厚度在400~1500mm之間〕,支護(hù)比較容易,采用懸吊理論設(shè)計(jì)錨桿參數(shù),懸吊點(diǎn)在松動(dòng)圈之外。
③大松動(dòng)圈〔厚度大于1500mm〕,錨桿的作用是給松動(dòng)圈內(nèi)破裂圍巖提供約束力,使其恢復(fù)到接近原巖的強(qiáng)度并具有可縮性,采用加固拱理論設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)??梢?jiàn),松動(dòng)圈支護(hù)理論確定了使用各種經(jīng)典錨桿支護(hù)理論的適用條件和范圍。(6)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論侯朝炯等提出巷道錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論?!?〕錨桿支護(hù)的實(shí)質(zhì)是錨桿與錨固區(qū)域的巖體相互作用組成錨固體,形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu);〔2〕錨桿支護(hù)可提高錨固體的力學(xué)參數(shù),包括錨固體破壞前與破壞后的力學(xué)參數(shù)〔彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角等〕,改善被錨巖體的力學(xué)性能;
〔3〕巷道圍巖存在破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū),錨桿錨固區(qū)域巖體的峰值強(qiáng)度、峰后強(qiáng)度及剩余強(qiáng)度均能得到強(qiáng)化;〔4〕錨桿支護(hù)可改變圍巖的應(yīng)力狀態(tài),增加圍壓,提高威嚴(yán)的承載能力,改善巷道支護(hù)狀況;
〔5〕圍巖錨固體強(qiáng)度提高后,可減小巷道周?chē)钠扑閰^(qū)、塑性區(qū)范圍和巷道外表位移,控制圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)的開(kāi)展,從而有利于巷道圍巖的穩(wěn)定。為了解錨固前后力學(xué)參數(shù)的變化,進(jìn)行了相似材料模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明:錨固體的強(qiáng)度總比無(wú)錨桿時(shí)提高,而且隨著錨桿密度增加錨固體的強(qiáng)化系數(shù)也不斷增加。在錨桿強(qiáng)度一定時(shí),錨桿對(duì)剩余強(qiáng)度的強(qiáng)化作用大于對(duì)極限強(qiáng)度的強(qiáng)化,這對(duì)控制破碎區(qū)圍巖的變形,保持其穩(wěn)定性具有重要作用。
其一是支護(hù)強(qiáng)度太高,不僅浪費(fèi)支護(hù)材料,而且影響掘進(jìn)速度;其二是支護(hù)強(qiáng)度不夠,不能有效控制圍巖變形,出現(xiàn)冒頂事故。目前,國(guó)內(nèi)外錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法主要分為三大類:工程類比法、理論計(jì)算法和數(shù)值模擬法。近10年來(lái),我國(guó)在錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法方面做了大量工作。在借鑒國(guó)外先進(jìn)設(shè)計(jì)方法的根底上,結(jié)合我國(guó)煤礦巷道的特點(diǎn),提出動(dòng)態(tài)化、信息化的設(shè)計(jì)方法,符合煤礦巷道地質(zhì)條件復(fù)雜性、多變性的特點(diǎn)。
這種設(shè)計(jì)方法已經(jīng)在多個(gè)礦區(qū)得到推廣應(yīng)用,錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的可靠性、合理性和科學(xué)性得到顯著提高。3.1錨桿支護(hù)工程類比設(shè)計(jì)法工程類比法是應(yīng)用比較廣泛的方法。它是根據(jù)已經(jīng)支護(hù)的類似工程的經(jīng)驗(yàn),通過(guò)工程類比,提出錨桿支護(hù)參數(shù)。
根據(jù)已有工程直接提出支護(hù)設(shè)計(jì)這種方法是將已開(kāi)掘的、成功應(yīng)用錨桿支護(hù)巷道的地質(zhì)與生產(chǎn)條件與待開(kāi)掘的巷道進(jìn)行比較,在各種條件根本相同的情況下,參照已掘巷道的支護(hù)形式與參數(shù),由設(shè)計(jì)人員根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)提出待掘進(jìn)巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)。
因此,已掘巷道與待掘巷道條件的比較與設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)是直接工程類比應(yīng)用成功的關(guān)鍵。沒(méi)有兩條巷道的地質(zhì)與生產(chǎn)條件完全相同,甚至同一條巷道在不同地段的條件也存在著差異。而直接工程類比法使用的是根底是要求兩條巷道的條件根本類似,不能有較大的差異。進(jìn)行工程類比時(shí),要求比較的內(nèi)容全面、細(xì)致、可靠,不僅要抓住關(guān)鍵因素,而且不能忽略細(xì)節(jié)。在充分、詳細(xì)比較的根底上,根據(jù)已掘進(jìn)巷道的支護(hù)設(shè)計(jì),進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,確定待掘巷道的支護(hù)形式與參數(shù)。3.1.2經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)驗(yàn)公式是在大量支護(hù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的根底上,得出的指導(dǎo)支護(hù)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單公式。目前,國(guó)內(nèi)外有多種錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式,以以下舉數(shù)例?!?〕錨桿長(zhǎng)度選取1某學(xué)者:錨桿長(zhǎng)度與錨桿間排距之比應(yīng)為1.2~1.5,錨桿長(zhǎng)度可作為巷道寬度的函數(shù)確定,如其中L為錨桿長(zhǎng)度,B為巷道寬度。2〕某學(xué)者:最小錨桿長(zhǎng)度=max[錨桿間距的兩倍,三倍不連續(xù)面平均間距確定的不穩(wěn)定巖石寬度,巷道跨度之半]?!?〕錨桿間排距選取1〕某學(xué)者:最大錨桿間距=min[錨桿長(zhǎng)度之半,1.5倍不連續(xù)間距確定的不穩(wěn)定巖石寬度]。2〕某學(xué)者:錨桿間排距與錨桿長(zhǎng)度之比為2/3~5/6比較合理。
3〕某學(xué)者:從拱形巷道頂部能夠形成有效的壓力拱出發(fā),錨桿長(zhǎng)度與錨桿間距的比值應(yīng)接近2。4〕新奧法對(duì)錨桿間距的選擇提出一些準(zhǔn)那么:硬巖,錨桿間距取1.5~2.0m;中硬巖石,錨桿間距取1.5m;松軟破碎的巖體,錨桿間距取0.8~1.0m。經(jīng)驗(yàn)公式最大的特點(diǎn)是使用簡(jiǎn)單、方便,但存在兩方面的弊端:一是經(jīng)驗(yàn)公式只能提供錨桿支護(hù)的主要參數(shù)〔錨桿長(zhǎng)度、間排距等〕,而其他參數(shù),如錨桿桿體結(jié)構(gòu)、預(yù)緊力、錨固長(zhǎng)度、托板結(jié)構(gòu)與尺寸、組合構(gòu)件形式與尺寸等,很難在經(jīng)驗(yàn)公式中全面反映,這些參數(shù)卻在錨桿支護(hù)中同樣起著十分重要的作用;
二是經(jīng)驗(yàn)公式中考慮影響錨桿支護(hù)效果的因素很少,如上述的經(jīng)驗(yàn)公式中,只考慮了巷道寬度、高度,巖石軟硬程度,結(jié)構(gòu)面分布,而影響巷道圍巖變形與破壞的因素還有很多。因此,經(jīng)驗(yàn)公式提供的支護(hù)參數(shù)只能作為參考,不能不顧巷道的具體條件而照搬套用。3.1.3以圍巖為根底的支護(hù)設(shè)計(jì)(1)圍巖分類方法直接工程類比法與支護(hù)設(shè)計(jì)者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)關(guān)系很大,是決定支護(hù)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵因素。然而,要求每一個(gè)設(shè)計(jì)人員都具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是不切實(shí)際的。
為了將待定巖體條件下的設(shè)計(jì)與個(gè)別工程相應(yīng)條件下的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行工程類比,做出比較合理的設(shè)計(jì)方案,進(jìn)行圍巖分類是非常必要的。在圍巖分類的根底上,根據(jù)不同類別的圍巖提出支護(hù)形式和參數(shù)設(shè)計(jì)的建議這種方法在國(guó)內(nèi)為得到廣泛應(yīng)用。我國(guó)學(xué)者在巖體分類方面做了大量工作。如制定了?工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)?;根據(jù)巖石單軸抗壓強(qiáng)度和巖體完整性系數(shù)對(duì)巖體進(jìn)行根本質(zhì)量分級(jí),然后根據(jù)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、應(yīng)力狀態(tài)及地下水等修正巖體根本質(zhì)量指標(biāo);綜合考慮巖石強(qiáng)度、巖體完整性指標(biāo)、巖體結(jié)構(gòu)和分布、地應(yīng)力及圍巖自穩(wěn)時(shí)間等,比較全面、合理地提出錨噴支護(hù)圍巖分類(GBJ86-1985);將圍巖變形量作為分類的根底,并提出分類方法?!?〕回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類及支護(hù)設(shè)計(jì)建議煤炭系統(tǒng)1988年公布試用?我國(guó)緩傾斜、傾斜煤層回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類方案?后,經(jīng)過(guò)多年的應(yīng)用和不斷的完善,開(kāi)展成為包括緩傾斜、傾斜、急傾斜煤層及不同煤層厚度的回采巷道,煤層上、下山及其他煤巷、巖石巷道在內(nèi)的全部采準(zhǔn)巷道圍巖穩(wěn)定性分類。煤巷圍巖的穩(wěn)定性分為5個(gè)類別:
一類非常穩(wěn)定、二類穩(wěn)定、三類中等穩(wěn)定、四類不穩(wěn)定、五類極不穩(wěn)定。在圍巖穩(wěn)定性分類的根底上,結(jié)合已有的支護(hù)設(shè)計(jì)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),提出了巷道錨桿支護(hù)根本形式與主要參數(shù)選擇的建議,見(jiàn)表4—1。(3)巷道圍巖松動(dòng)圈分類及支護(hù)設(shè)計(jì)建議根據(jù)巷道圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論,現(xiàn)場(chǎng)圍巖松動(dòng)圈測(cè)試,松動(dòng)圈大小與巷道支護(hù)難易程度的關(guān)系,結(jié)合錨噴支護(hù)機(jī)理,將圍巖分為小松動(dòng)圈穩(wěn)定圍巖〔厚度小于400mm〕、中松動(dòng)圈一般穩(wěn)定圍巖〔厚度在400~1500mm之間〕及大松動(dòng)圈不穩(wěn)定圍巖〔厚度大于1500mm〕三大類,然后提出圍巖分類及相應(yīng)的支護(hù)機(jī)理與方法,見(jiàn)表4—3。
3.2錨桿支護(hù)懸吊理論分析設(shè)計(jì)法
理論計(jì)算法是根據(jù)巷道圍巖條件,選擇某種錨桿支護(hù)理論,如懸吊理論、組合梁理論、加固拱理論及其他力學(xué)分析方法,在測(cè)得支護(hù)理論所需巖體物理學(xué)參數(shù)的前提下,建立力學(xué)模型,通過(guò)計(jì)算確定錨桿支護(hù)參數(shù)。
懸吊理論認(rèn)為錨桿的作用是將下部不穩(wěn)定的巖層懸吊在上部穩(wěn)定的巖層中,阻止軟弱破碎巖層垮落。懸吊理論只考慮了錨桿的被動(dòng)抗拉作用,根據(jù)不穩(wěn)定巖層厚度計(jì)算錨桿長(zhǎng)度,根據(jù)錨桿懸吊的不穩(wěn)定巖層重量計(jì)算錨桿直徑和間排距。(1)錨桿長(zhǎng)度
如圖4—1a所示,錨桿長(zhǎng)度用下式計(jì)算:L-錨桿長(zhǎng)度,m;L1-錨桿外漏長(zhǎng)度,取決于錨桿類型與錨固方式,一般取0.15mL2-錨桿有效長(zhǎng)度,不小于不穩(wěn)定巖層的厚度,m;L3-錨桿錨固長(zhǎng)度,端部錨固一般取0.3~0.4m(2)錨桿錨固力與直徑錨桿錨固力應(yīng)不小于被懸吊不穩(wěn)定巖層的重量,用下式計(jì)算:式中Q-錨桿錨固力,MN;K-平安系數(shù),一般取1.5~2;a1、a2-錨桿間排距,m;-不穩(wěn)定巖層平均重力密度,MN/m3如果錨桿錨固力與桿體的破斷力相等,那么錨桿直徑可由下式得出:式中:d-錨桿直徑,m;-錨桿材料的抗拉強(qiáng)度,MPa。3〕錨桿間距排如圖4-1b所示,當(dāng)錨桿間排距相等時(shí),即,那么間排距為
3.3.錨桿支護(hù)預(yù)緊力設(shè)計(jì)
預(yù)緊力是錨桿支護(hù)中的關(guān)鍵參數(shù),對(duì)支護(hù)效果起著決定性作用。但是,長(zhǎng)期以來(lái),沒(méi)有認(rèn)識(shí)到預(yù)緊力的重要性,而且錨桿施工機(jī)具不能提供較大的預(yù)緊力,導(dǎo)致我國(guó)煤礦錨桿預(yù)緊力普遍偏低。一般預(yù)緊力矩為100-150N.m,預(yù)緊力為15-20kN,有的甚至為零,嚴(yán)重影響了錨桿支護(hù)作用的發(fā)揮。
3.3.1錨桿預(yù)緊力值的選擇實(shí)踐證明,如果選擇合理的預(yù)緊力值,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)離層與滑動(dòng)的有效控制。根據(jù)國(guó)外經(jīng)驗(yàn),以及國(guó)內(nèi)局部礦區(qū)的試驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)合我國(guó)煤礦巷道條件與施工機(jī)具,一般可選擇錨桿預(yù)緊力為桿體屈服載荷的30%-50%。表4-5列出了不同錨桿的預(yù)緊力值(桿體屈服載荷的50%)??梢?jiàn),錨桿直徑越大,桿體材質(zhì)強(qiáng)度越高,要求的預(yù)緊力值越高。影響K值大小的關(guān)鍵因素為:1)螺母與錨桿螺紋段間的摩擦系數(shù);2〕螺母、墊圈端面間的摩擦系數(shù);3)錨桿直徑。國(guó)內(nèi)普遍采用單體錨桿鉆機(jī)鉆裝錨桿,這種錨桿鉆機(jī)輸出扭矩一般為100~150N.m,頂推力在10kN左右,無(wú)法實(shí)現(xiàn)錨桿的高預(yù)力。為了大幅度提高錨桿的預(yù)緊力矩,措施之一是采用專門(mén)的高扭矩螺母擰緊設(shè)備(如氣動(dòng)扳機(jī)),但是給錨桿安裝增加了一道工序;其二是在適宜的條件下,引進(jìn)、開(kāi)發(fā)錨桿臺(tái)車(chē)和掘錨聯(lián)合機(jī)組,保證錨桿快速、高質(zhì)量安裝。
(2)提高錨桿預(yù)緊力與螺母預(yù)緊力矩的轉(zhuǎn)換系數(shù)k
提高錨桿預(yù)緊力與螺母預(yù)緊力矩轉(zhuǎn)換系數(shù)k值的主要措施是:降低螺母與錨桿螺紋段間的摩擦系數(shù)f1;減小螺母、墊圈端面問(wèn)的摩擦系數(shù)f。。降低f1的措施包括:提高螺紋加工精度等級(jí),減少摩擦阻力和摩擦扭矩;采用油脂對(duì)螺紋部進(jìn)行潤(rùn)滑,減少摩擦阻力。因此,改善錨桿螺紋加工工藝與設(shè)備,提高錨桿螺紋加工精度,對(duì)提高錨桿預(yù)緊力和支護(hù)效果具有重要意義。
減小f。的措施是采用高效減摩副,減少螺母、墊圈和托盤(pán)之間的摩擦阻力和摩擦扭矩。上述試驗(yàn)說(shuō)明,在螺母與托板之問(wèn)加減摩墊片,可減少摩擦阻力,而且減摩墊片的材質(zhì)起關(guān)鍵作用。井下使用時(shí)應(yīng)選擇適宜的減摩墊片,實(shí)現(xiàn)高效減摩,顯著提高錨桿預(yù)緊力。3.3.3錨索預(yù)緊力錨索與錨桿相比,具有長(zhǎng)度大、拉斷載荷高等特點(diǎn),因此錨索的預(yù)緊力應(yīng)更大。錨索預(yù)緊力設(shè)計(jì)的原那么為:錨索與錨桿預(yù)緊力形成的有效壓應(yīng)力區(qū)相互連接、重疊,形成以錨索為骨架、錨桿為連續(xù)帶的骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),對(duì)錨桿、錨索之間圍巖的起到有效的主動(dòng)支護(hù)作用。錨索越長(zhǎng)、直徑越大、強(qiáng)度越高,施加的預(yù)緊力應(yīng)越大。根據(jù)我國(guó)煤礦巷道條件、現(xiàn)有錨索規(guī)格及張拉設(shè)備,錨索預(yù)緊力一般應(yīng)為其拉斷載荷的40%~70%。
3.4錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)
除錨桿預(yù)緊力參數(shù)外,錨桿支護(hù)參數(shù)還包括錨桿幾何參數(shù)(直徑、長(zhǎng)度等)、錨桿力學(xué)參數(shù)(屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及延伸率等)、鉆孔與錨固參數(shù)、錨桿布置參數(shù)(錨桿間距、排距、安裝角度等)、組合構(gòu)件與網(wǎng)的參數(shù)、錨索參數(shù)等。
2)錨桿預(yù)緊力選擇錨桿直徑時(shí),應(yīng)結(jié)合巷道圍巖具體條件,支護(hù)要求的預(yù)緊力大小確定。預(yù)緊力越大,在相同材質(zhì)的條件下,錨桿直徑應(yīng)越大。3)錨桿強(qiáng)度在桿體材質(zhì)相同的情況下,錨桿直徑越大,強(qiáng)度越高。數(shù)值計(jì)算和井下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)說(shuō)明,錨桿直徑對(duì)巷道圍巖變形有明顯影響。隨著錨桿直徑增大,圍巖變形量逐漸減小,對(duì)變形量較大的巷道這種影響更為明顯。因此,一般對(duì)于圍巖破碎、應(yīng)力大的巷道,應(yīng)選用直徑大的錨桿;相反,對(duì)于頂板比較完整、變形量較小的巷道宜選用直徑較小的錨桿。
2)與錨桿預(yù)緊力、直徑、強(qiáng)度相匹配錨桿長(zhǎng)度的選擇應(yīng)與錨桿預(yù)緊力、直徑、強(qiáng)度相匹配。顯然,直徑小、強(qiáng)度低、預(yù)緊力低的錨桿,選擇過(guò)大的長(zhǎng)度是不合理的。錨桿長(zhǎng),預(yù)緊力低,在頂板不能形成有效的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),不能充分發(fā)揮錨桿的支護(hù)作用。
如圖:隨著錨桿長(zhǎng)度增加,壓應(yīng)力區(qū)范圍與厚度增加,錨桿作用范圍擴(kuò)大。但錨桿長(zhǎng)度中上局部的壓應(yīng)力減??;兩錨桿之問(wèn)中部圍巖的壓應(yīng)力減小。在預(yù)緊力一定的條件下,錨桿越長(zhǎng),預(yù)緊力的作用越不明顯,主動(dòng)支護(hù)性越差。錨桿越長(zhǎng),施加的預(yù)緊力應(yīng)越大。反過(guò)來(lái),通過(guò)提高預(yù)緊力,可適當(dāng)減小錨桿長(zhǎng)度。
因此,合理的錨桿長(zhǎng)度應(yīng)與錨桿預(yù)緊力、強(qiáng)度相匹配,形成有效的支護(hù)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)良好的支護(hù)效果。3)滿足井下施工要求
錨桿長(zhǎng)度的選擇應(yīng)滿足井下施工的要求。過(guò)長(zhǎng)的錨桿不宜度,甚至無(wú)法施工。(3)錨桿外表粗糙度錨桿外表粗糙度對(duì)桿體與錨固劑之間的黏結(jié)力與作用力的傳遞有顯著影響。桿體與錨固劑之問(wèn)的黏結(jié)力由兩局部組成:錨固劑對(duì)桿體的吸附力與機(jī)械作用力。同光圓桿體相比,桿體外表粗糙具有更大的外表積,吸附力更大;錨固劑嵌入桿體外表凹進(jìn)去的局部,具有更大的機(jī)械作用力。因此,粗糙桿體與錨固劑的黏結(jié)力明顯大于光圓桿體,而且桿體外表越粗糙,黏結(jié)力越大。3.4.2錨桿力學(xué)參數(shù)(1)優(yōu)先選擇高強(qiáng)度錨桿選擇高強(qiáng)度鋪桿,以提高支護(hù)效果,保證巷道平安。數(shù)值模擬與井下應(yīng)用說(shuō)明,提高錨桿強(qiáng)度可有效減小巷道圍巖變形,控制圍巖破壞范圍。
(2)與錨桿預(yù)緊力相匹配一味地提高錨桿強(qiáng)度,而無(wú)視預(yù)緊力的作用,只能導(dǎo)致錨桿的作用不能充分發(fā)揮,達(dá)不到應(yīng)有的支護(hù)效果。結(jié)合控制圍巖離層、滑動(dòng)等所需要的預(yù)緊力,確定合理的錨桿強(qiáng)度,不僅能顯著提高支護(hù)效果,而且能降低錨仟支護(hù)密度,有利于提高掘進(jìn)速度,
(3)因地制宜對(duì)于圍巖穩(wěn)定、地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、地應(yīng)力小的巷道條件「如神東礦區(qū)),應(yīng)因地制宜,可以選用圓鋼等低強(qiáng)度錨桿,在滿思支護(hù)要求的前提下,降低支護(hù)本錢(qián)。3.4.3鉆孔與錨固參數(shù)(1)鉆孔參數(shù)鉆孔參數(shù)包括鉆孔直徑、深度與外表粗糙度。我國(guó)煤巷錨桿鉆孔直徑有28mm、33mm,43mm等幾種,尤以28mm最為普遍。不同鉆孔直徑與錨桿直徑的錨固參數(shù)見(jiàn)表4-7??梢?jiàn),孔徑差越大,錨固劑環(huán)形厚度越大,錨固長(zhǎng)度越小。孔徑差過(guò)大的會(huì)引起以下問(wèn)題:1)錨桿不能有效攪拌錨固劑,導(dǎo)致錨固劑攪拌不均勻,反響不充分,甚至出現(xiàn)錨固劑包裝薄膜沒(méi)有攪破,出現(xiàn)所渭的“手套效應(yīng)〞,嚴(yán)重影響錨固力。2)錨固劑環(huán)形厚度過(guò)大,不利于錨固力的提高。試驗(yàn)說(shuō)明,錨桿錨固力與錨固劑環(huán)形厚度有很大關(guān)系,當(dāng)鋪固劑環(huán)形厚廢在3-4mm時(shí),黏結(jié)力最強(qiáng),錨桿錨固力最大。隨著環(huán)形厚度增大,錨桿錨固力反而顯著降低。
3)在錨固劑長(zhǎng)度相同的條件下,孔徑差越大,錨固長(zhǎng)度越小。為了到達(dá)同樣的錨固長(zhǎng)度,需用更多的錨固劑,浪費(fèi)材料。4)鉆孔百?gòu)竭^(guò)大,會(huì)導(dǎo)致鉆孔鉆迸速度低,時(shí)間長(zhǎng),影響支護(hù)速度。此外,鉆孔直徑大,需要的錨固劑直徑也大,材料本錢(qián)增加。孔徑差過(guò)小,錨固劑環(huán)形圈太薄,同樣影響錨桿錨固力。而且,引起錨桿插入鉆孔比較困難,影響施工速度,甚至導(dǎo)致錨桿安裝失敗。
鉆孔深度應(yīng)與錨桿長(zhǎng)度匹配合理的鉆孔深度應(yīng)保證錨桿端頭至孔底,尾部能順利安裝組合構(gòu)件、托板、墊片與螺母,并使外露長(zhǎng)度保持在合埋的范圍。鉆孔深度過(guò)大,會(huì)導(dǎo)致錨桿端頭不能到達(dá)孔底,無(wú)法攪拌孔底的錨固劑,使有效錨固長(zhǎng)度減??;相反,鉆孔深度過(guò)小,會(huì)使錨桿外露太長(zhǎng)。由于錨桿尾部螺紋長(zhǎng)度是有限的,過(guò)大的外露長(zhǎng)度有可能導(dǎo)致螺母已經(jīng)擰到螺紋底部,但托板和組合構(gòu)件還沒(méi)有貼緊頂板,無(wú)法施加預(yù)緊力,嚴(yán)重削弱了錨仟的作用。
鉆孔外表粗糙度明顯影響圍巖與錨固劑之間的黏結(jié)力與錨桿外表粗糙度類似,圍巖條件相同的情況下,外表粗糙的鉆孔與鋪固劑的黏結(jié)力明顯大于光滑鉆孔,而且鉆孔外表越粗糙,黏結(jié)力越大。鉆孔外表粗糙度與圍巖性質(zhì)、鉆孔設(shè)備、鉆頭鉆桿、推進(jìn)速度等多種因素有關(guān)。(2)錨固參數(shù)錨固參數(shù)包括錨固劑的型號(hào)、規(guī)格、尺寸,錨固長(zhǎng)度等。錨固劑直徑應(yīng)與鉆孔直徑和錨桿直徑相匹配。為了使錨固劑能夠順利安裝到鉆孔中,同時(shí)錨桿桿體又能充分?jǐn)嚢桢^固劑,比較合理的錨固劑直徑是比鉆孔百?gòu)叫?-5mm。如28mm直徑的鉆孔,采用23mm直徑的錨固劑;33mm直徑的鉆孔,采用28mm直徑的錨固劑。
錨桿錨固長(zhǎng)度主要分為端部錨固、加長(zhǎng)錨固和全長(zhǎng)錨固。端部錨固:錨桿錨固長(zhǎng)度不大于500mm或不大于鉆孔長(zhǎng)度的1/3;全長(zhǎng)錨固:錨桿錨固長(zhǎng)度不小于鉆孔長(zhǎng)度的90%加長(zhǎng)錨固:錨桿錨固長(zhǎng)度介于端部錨固和全長(zhǎng)錨固之間。3.4.4錨桿布置參數(shù)(1)錨桿密度錨桿支護(hù)密度應(yīng)遵循以下原那么:1)低支護(hù)密度原那么應(yīng)盡量提高單根錨桿的預(yù)緊力、強(qiáng)度與剛度,在保證支護(hù)效果與平安條件下,降低支護(hù)密度。我國(guó)煤巷錨桿間排距一般為,間排距偏小,支護(hù)密度偏大,而且將縮小錨桿間排距作為增加支護(hù)強(qiáng)度的一種主要手段。
相反,美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家,錨桿間排距比較大。如美國(guó)錨桿間排距一般選擇為1.2m,澳大利亞錨桿間排距一般在1.0m左右。降低支護(hù)密度,可降低巷道支護(hù)綜合本錢(qián),明顯提高成巷速度。2)支護(hù)密度與錨桿預(yù)緊力、強(qiáng)度、長(zhǎng)度相匹配原那么實(shí)踐說(shuō)明,通過(guò)提高錨桿預(yù)緊力、直徑、強(qiáng)度,可以增大錨桿間排距。特別是我國(guó)錨桿預(yù)緊力普遍很低,即使支護(hù)密度大,支護(hù)效果也不理想“通過(guò)大幅度提高錨桿預(yù)緊力,不僅能夠顯著減小圍巖變形,保持圍巖的完整性與穩(wěn)定性,而且可顯著降低支護(hù)密度。
3)支護(hù)密度與組合構(gòu)件相匹配原那么組合構(gòu)件(鋼帶、金屬網(wǎng))在預(yù)應(yīng)力支護(hù)系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用。通過(guò)選擇護(hù)外表積大、強(qiáng)度和剛度高的組合構(gòu)件,呵擴(kuò)大錨桿作用范圍,適當(dāng)減小錨桿支護(hù)密度。(2)錨桿角度錨桿角度主要指頂板靠近兩幫傾斜錨桿的角度。傳統(tǒng)的錨桿布置方式是將傾斜錨桿布置成與垂線呈20-30度角,使傾斜錨桿能夠深人到巷幫上方的頂板中。一般認(rèn)為,這樣布置一方面傾斜錨桿可以阻止頂板整體切落;另一方面,傾斜錨桿與鋼帶組成一個(gè)兜狀結(jié)構(gòu),防止頂板冒落。對(duì)已發(fā)生的冒頂事故分析說(shuō)明,傾斜錨桿的上述兩種作用郡比較小,不能阻止頂板垮落,相反,過(guò)大的角度削弱了錨桿對(duì)頂板的支護(hù)作用。頂板角錨桿不同角度時(shí)的錨桿預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布如圖4-10所示。從圖上可看出以下兒點(diǎn):1)當(dāng)頂板角錨桿垂直布置時(shí),角錨桿與中部錨桿形成的有效壓應(yīng)力區(qū)相互連接與疊加,在頂板形成厚度較大、分布比較均勻的壓應(yīng)力區(qū),覆蓋了錨固區(qū)的大多數(shù)面積,錨桿預(yù)緊力擴(kuò)散與疊加效果最好。(2)隨著頂板角錨桿角度增加,角錨桿形成的有效壓應(yīng)力區(qū)與申部鋪桿形成約有效壓應(yīng)力區(qū)逐步別離,疊加區(qū)域越來(lái)越小。當(dāng)頂板角錨桿角度到達(dá)嶼。,兩個(gè)壓應(yīng)力區(qū)明顯別離。繼續(xù)加大角錨仟角度,角錨桿與中部錨桿的壓應(yīng)力區(qū)分開(kāi)的更遠(yuǎn),成為彼此獨(dú)立的支護(hù)單元,錨桿支護(hù)的整體作用受到嚴(yán)重影響。
(3)頂板角錨桿角度越大,錨桿預(yù)緊力形成的有效壓應(yīng)力區(qū)越小。而且,較高的壓應(yīng)力主要集申在錨桿尾部附近,在錨桿中部與端部壓應(yīng)力那么較小,這不利于錨桿支護(hù)作用的充分發(fā)揮。由此可見(jiàn),在近水平煤層巷道申,頂板角錨桿最好垂直布置。如考慮施工需要一定的角度,最大角度不應(yīng)超過(guò)10。。、組合構(gòu)件與網(wǎng)的參數(shù)(l)組合構(gòu)件參數(shù)組合構(gòu)件有鋼帶、鋼筋托梁、鋼梁等形式。鋼帶又分平鋼帶、W形鋼帶、M形鋼帶等形式。組合構(gòu)件在錨桿支護(hù)系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用,對(duì)其有以下要求:1)有一定的護(hù)外表積、強(qiáng)度和剛度,起到擴(kuò)散錨桿預(yù)緊力、擴(kuò)大錨桿作用范圍,以及均衡錨桿受力,提高整體支護(hù)能力的作用。
2)幾何參數(shù)、力學(xué)參數(shù)應(yīng)與錨桿參數(shù)相匹配。組合構(gòu)件形式與參數(shù)選擇不合理,會(huì)導(dǎo)致組合構(gòu)件發(fā)生破壞,顯著降低支護(hù)系統(tǒng)的艾護(hù)能力。3)經(jīng)濟(jì)合理,便于施工。應(yīng)對(duì)組合構(gòu)件的斷面形狀、兒何參數(shù)、材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化,在獲得比較優(yōu)越的力學(xué)性能的條件下,節(jié)約材料,有利于井下施工。鋼筋托梁:由鋼筋焊接而成。鋼筋直徑一般為10-16mm,托梁寬度為60-100mm,長(zhǎng)度根據(jù)需要確定。鋼筋托梁最大的優(yōu)點(diǎn)是加工方便、重量小、本錢(qián)低,然而力學(xué)性能比較差,表現(xiàn)在:護(hù)外表積小、強(qiáng)度與剛度低;托梁鋼筋與巷道外表為線接觸,不利于錨桿預(yù)緊力擴(kuò)散和作用范圍的擴(kuò)大;組合作用和均衡錨桿受力的能力差,易出現(xiàn)鋼筋或焊接部位破斷的現(xiàn)象。鋼筋托梁適合用于地質(zhì)條件比較簡(jiǎn)單的巷道,在復(fù)雜困難條件下,不建議采用這種組合構(gòu)件。W形鋼帶:由鋼板滾壓成形的組合構(gòu)件。鋼板厚度為3-5mm,鋼帶寬度一般為180-280mm。W形鋼帶有以下優(yōu)點(diǎn):護(hù)外表積大、強(qiáng)度與剛度高;與巷道外表為面接觸,有利于錨桿預(yù)緊力擴(kuò)散和擴(kuò)大錨仟作用范圍;組合作用和均衡錨桿受力的能力強(qiáng)。W形鋼帶是適合復(fù)雜困難條件巷道的有效組合構(gòu)件。實(shí)際應(yīng)用時(shí),可根據(jù)錨桿預(yù)緊力、直徑和強(qiáng)度等參數(shù)選擇相適應(yīng)的鋼帶參數(shù)。
M形鋼帶也是一種性能比較優(yōu)越的組合構(gòu)件。這種鋼帶鋼材利用率高,抗彎截面利用率高;向上的截面模量明顯小于向下的截面模量,安裝鋼帶時(shí)易于緊貼頂板,而頂板下沉?xí)r,鋼帶向下的抗彎截面模量大,有利于阻止錨桿間的圍巖變形、松動(dòng)和破壞?!?〕網(wǎng)的參數(shù)網(wǎng)有多種形式,按材料可分金屬網(wǎng)和非金屬網(wǎng)。金屬網(wǎng)又分為鐵絲網(wǎng)和鋼筋網(wǎng):鐵絲網(wǎng)又分為經(jīng)緯網(wǎng)和菱形網(wǎng),其中菱形網(wǎng)柔性好、強(qiáng)度大、孔形不易變形、連接方便,逐步取代經(jīng)緯網(wǎng);鋼筋網(wǎng)強(qiáng)度與剛度大,護(hù)表能力強(qiáng),可有效擴(kuò)大錨桿作用范圍,提高支護(hù)系統(tǒng)的整體效果。非金屬網(wǎng)有塑料網(wǎng)相聚酷網(wǎng)等。塑料網(wǎng)輕便、抗腐蝕、本錢(qián)低,但強(qiáng)度與剛度低,護(hù)表能力差;聚酷網(wǎng)重量小,但強(qiáng)度與剛度比塑料網(wǎng)顯著增加,正逐步推廣應(yīng)用。
網(wǎng)的參數(shù)包括鐵絲(鋼筋)直徑、強(qiáng)度、網(wǎng)孔大小、網(wǎng)片的長(zhǎng)度與寬度等。根據(jù)網(wǎng)的作用,對(duì)其有以下要求::1)有一定的強(qiáng)度和剛度,不僅能阻止錨桿間的小煤巖塊掉落,而且能起到一定的抑制圍巖松動(dòng)和變形的作用。2〕當(dāng)巷道需要噴漿時(shí),網(wǎng)的參數(shù)應(yīng)滿足噴漿的需要。3)井下施工時(shí),網(wǎng)應(yīng)盡量緊貼巷道外表。網(wǎng)的形式與參數(shù)應(yīng)有利于施工。3.4.6錨索參數(shù)小孔徑樹(shù)脂錨固預(yù)應(yīng)力錨索參數(shù)主要包括錨索長(zhǎng)度、直徑,錨固長(zhǎng)度、外露長(zhǎng)度,錨索間、排距,錨索安裝角度,預(yù)緊力與拉斷力,錨索組合構(gòu)件形式、規(guī)格和強(qiáng)度等?!?〕錨索長(zhǎng)度錨索應(yīng)將錨桿支護(hù)形成的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖相連,發(fā)揮深部圍巖的承載能力,提高預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此,錨索應(yīng)錨固在圍巖內(nèi)部相對(duì)較穩(wěn)定的巖層中。錨索長(zhǎng)度可參考下式設(shè)計(jì):L=L1+L2+L3(4-26)式中L-錨索長(zhǎng)度,m;L1-錨索外露長(zhǎng)度,0·3-0·4m;L2-潛在的不穩(wěn)定巖層高度,m;L3-錨索錨固長(zhǎng)度,1·2-1·5m。錨索長(zhǎng)度的選取應(yīng)與錨索的預(yù)緊力相匹配,錨索越長(zhǎng),施加的預(yù)緊力應(yīng)越大。低預(yù)緊力的長(zhǎng)錨索支護(hù)效果比高預(yù)緊力的短錨索差?!?)錨索直徑考慮到錨索索體直徑與鉆孔直徑(一般為28mm)的差值控制在4-10mm之內(nèi)有利于樹(shù)脂藥卷錨固效果的發(fā)揮,應(yīng)優(yōu)先選用直徑18mm及以上錨索。(3)錨固長(zhǎng)度為了確定比較合理的錨固長(zhǎng)度,按不同孔徑、錨固長(zhǎng)度和錨固劑等分別在井下進(jìn)行了拉撥試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)的巖性為粉砂巖、細(xì)砂巖,局部含鋁土巖。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),考慮到巖性和施工等影響因素及平安系數(shù),確定樹(shù)脂錨固最小錨固長(zhǎng)度為1·0m,一般應(yīng)為1·2-1·5m。
(4)錨索密度錨索間、排距應(yīng)結(jié)合錨索預(yù)緊力選取,以與錨桿形成骨架網(wǎng)狀預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。但是,錨索支護(hù)密度不宜過(guò)大,否那么會(huì)顯著增加巷道支護(hù)本錢(qián),影響成巷速度。對(duì)于一般的巷道,每2-3排錨桿布置1-2根鋪索是比較可行的。特殊條件應(yīng)根據(jù)具體情況確定錨索的間排距。(5)錨索安裝角度錨索優(yōu)先選擇垂直于巷道外表的方向布置,有利于發(fā)揮錨索的預(yù)緊力與抗拉能力。(6)錨索拉斷力由于錨索施加較大的預(yù)緊力,宜采用高強(qiáng)度、較大直徑的索體,保證錨索的支護(hù)加固能力。(7)錨索外露長(zhǎng)度考慮到托板、錨具和張拉機(jī)具的要求,錨索外露長(zhǎng)度一般控制在300mm左右。
4.煤礦頂板事故發(fā)生的原因遇到斷層、破碎帶煤巖體層節(jié)理發(fā)育吸水膨脹軟巖采掘深度較深受地壓影響(1)地質(zhì)條件巷道附近出現(xiàn)隱含小斷層因巷道附近一定范圍內(nèi)無(wú)法發(fā)現(xiàn)的隱含小斷層導(dǎo)致冒頂事故。頂板一定范圍內(nèi)出現(xiàn)軟弱夾層圖2.3軟弱夾層導(dǎo)致巷道冒頂實(shí)例軟弱夾層層厚一般在幾mm~幾十mm。而普通錨桿無(wú)法將其納入錨固范圍之內(nèi)。冒頂原因:直接頂板泥巖與根本頂砂巖間突然出現(xiàn)煤線。
節(jié)理發(fā)育
由于地質(zhì)構(gòu)造作用,巖層節(jié)理發(fā)育,多組節(jié)理互相切割,破壞巖體的完整性,導(dǎo)致楔形冒落。褶曲構(gòu)造引起頂板局部變化,斜交節(jié)理發(fā)育,導(dǎo)致巷道頂板楔形冒落。圍巖出現(xiàn)鑲嵌型結(jié)構(gòu):俗稱:“鍋底矸〞(2)人的不平安行為采礦方法不合理或支護(hù)設(shè)計(jì)不合理缺乏平安知識(shí)及平安意識(shí)空頂作業(yè)和支護(hù)不及時(shí)巷道成形不好支護(hù)強(qiáng)度不夠或沒(méi)有劃嚴(yán)背緊爆破崩倒支架沒(méi)有進(jìn)行及時(shí)支護(hù)受采動(dòng)的影響缺乏平安知識(shí)及平安意識(shí)違章進(jìn)入采空區(qū)進(jìn)入封閉巷道不佩戴平安帽在年久失修巷道處逗留空頂作業(yè)和支護(hù)不及時(shí)第四十一條掘進(jìn)工作面嚴(yán)禁空頂作業(yè)。靠近掘進(jìn)工作面10m內(nèi)的支護(hù),在爆破前必須加固。爆破崩倒、崩壞的支架必須先行修復(fù),之前方可進(jìn)入工作面作業(yè)。修復(fù)支架時(shí)必須先檢查頂、幫,并由外向里逐架進(jìn)行。在松軟的煤、巖層或流砂性地層中及地質(zhì)破碎帶掘進(jìn)巷道時(shí),必須采取前探支護(hù)或其他措施。在堅(jiān)硬和穩(wěn)定的煤、巖層中,確定巷道不設(shè)支護(hù)時(shí),必須制定平安措施。巷道成形不好容易造成冒頂?shù)谌俣艞l炮眼深度和炮眼的封泥長(zhǎng)度應(yīng)符合以下要求:〔一〕炮眼深度小于0.6m時(shí),不得裝藥、爆破;在特殊條件下,如挖底、刷幫、挑頂確需淺眼爆破時(shí),必須制定平安措施,炮眼深度可以小于0.6m,但必須封滿炮泥。〔二〕炮眼深度為0.6~1m時(shí),封泥長(zhǎng)度不得小于炮眼深度的1/2?!踩撑谘凵疃瘸^(guò)1m時(shí),封泥長(zhǎng)度不得小于0.5m。巷道成形不好容易造成冒頂〔四〕炮眼深度超過(guò)2.5m時(shí),封泥長(zhǎng)度不得小于1m?!参濉彻饷姹茣r(shí),周邊光爆炮眼應(yīng)用炮泥封實(shí),且封泥長(zhǎng)度不得小于0.3m?!擦彻ぷ髅嬗?個(gè)或2個(gè)以上自由面時(shí),在煤層中最小抵抗線不得小于0.5m,在巖層中最小抵抗線不得小于0.3m。淺眼裝藥爆破大巖塊時(shí),最小抵抗線和封泥長(zhǎng)度都不得小于0.3m。第四十二條支架間應(yīng)設(shè)牢固的撐木或拉桿。可縮性金屬支架應(yīng)用金屬支拉桿,并用機(jī)械或力矩扳手?jǐn)Q緊。支架與頂幫之間的空隙必須塞緊、背實(shí)。巷道砌碹時(shí),碹體與頂幫之間必須用不燃物充滿填實(shí);巷道冒頂空頂局部,可用支護(hù)材料接頂,但在碹拱上部必須充填不燃物墊層
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