预应力锚固技术在巷道围岩控制中的应用

发表时间:2019/12/16   来源:《防护工程》2019年16期   作者:高玉超 孙放
[导读] 巷道在掘进的过程中破坏了围岩的原始应力状态,围岩的稳定性受到破坏,对于巷道围岩的稳定性控制在当今煤矿生产中尤为重要。

高玉超  孙  放
        微山金源煤矿  山东微山  277600
        摘要:巷道在掘进的过程中破坏了围岩的原始应力状态,围岩的稳定性受到破坏,对于巷道围岩的稳定性控制在当今煤矿生产中尤为重要。预应力锚固技术是在不破坏原结构并通过锚固措施,合理地提高了可利用岩体自身的强度,变被动支护为主动支护,在煤矿巷道支护中得到较好的发展。
        关键词:预应力锚固、围岩稳定、巷道支护
       
       
        引言
        我国煤矿主要是地下开采,在开采的过程中需要掘进大量的巷道,巷道围岩稳定性的控制对煤矿建设和生产具有重要的意义。随着煤矿开采的进行,巷道进入深部,由于地压大、煤系地层岩体强度小,巷道围岩稳定性问题更为重要。预应力锚固技术是在预应力混凝土技术及楔式锚杆原理基础上发展起来的新的两点式预应力结构。其对于巷道围岩的加固,是通过在围岩中钻孔并对孔中锚固的锚杆或锚索施加预应力,起到稳定岩体的作用。
        1 巷道围岩的变形破坏特征
        巷道在掘进过程中使原岩应力的平衡状态遭到破坏,造成原来的三向应力状态,改变为二向应力状态,甚至单向应力状态。使围岩的强度大大减小,造成应力转移或应力集中,使巷道周围的岩体发生变形乃至破坏。
        一般情况下,根据破坏程度及继续变形的能力差别,将岩体的破坏范围划分成四个部分,第Ⅰ部分为破碎岩体,完全丧失了结构能力,在自重的作用下可随时发生冒落;第Ⅱ部分遭到一定程度的破坏,具有一定的变形能力,可以承受一定的外载;第Ⅲ部分受到破坏影响较小,变形能力较大,可承受较大的荷载;第Ⅳ部分未受到采动影响,如图1。
        
        图1  巷道围岩破坏示意图
        煤矿中巷道围岩的破坏主要是由于岩层的破裂和分层引起的,控制巷道稳定的关键在于如何控制巷道围岩破碎和分层的发生。巷道掘进的过程中及较短的时间内,围岩已发生弹性变形和塑性变形,阻止围岩进一步变形是巷道稳定性控制的目的关键所在。
        巷道掘进后,巷道围岩变形与支护抗力存在一定的相关性,关系曲线如图2所示。由图2可以看出,当围岩变形在允许值范围内,支护抗力越大,围岩产生的变形越小;当变形超过允许值时,围岩遭到破坏,形成了一种松散压力作用在结构体上,此时支护结构的荷载随着变形而增大。在K点处进行支护,是以最小的支护抗力支护围岩。采用预应力锚固技术可以及时均匀地提供支护抗力,有效地限制围岩有害变形的发展,维护围岩的整体稳定。
        
        图2  围岩变形与支护抗力P之间关系曲线
        2 预应力锚固技术作用原理
        预应力锚杆是预应力锚固技术的一种具体应用。预应力锚杆在锚固巷道围岩时,由于受采动的影响其作用机理比较复杂,很难用固定的指标衡量其锚固作用。预应力锚杆对巷道围岩的加固作用主要有以下几个方面:
        (1)为巷道围岩提供一种较高的支护抗力,阻止巷道围岩进一步变形。
        在巷道掘进的过程中,巷道围岩发生一定的弹性变形和塑性变形。要维护巷道围岩的稳定,就必须限制变形的进一步发生。预应力锚杆具有较高的抗拉强度和一定的抗剪强度,能够在巷道掘进完成时及时的给巷道围岩较高的初撑力,有效阻止巷道围岩剪胀变形的发展,起到较强的支护作用。
        (2)预应力锚杆作用时,能够使巷道围岩整体化,使其形成具有较高承载能力的组合梁和组合拱。
        在预应力锚杆的作用下,塑性变形和弹性变形区岩块之间的摩擦力增大,锚杆在变形区内也起到了销钉作用,增大了破坏面的抗剪强度。在预紧力锚杆锚固范围内,巷道顶板被销钉成一个较厚的岩层,使其最大弯曲应变和应力均大大减小。根据巷道顶板围岩强度大小,设置合理的锚杆间排距,在锚固范围内形成一个均匀的压缩带,其强度得到较大的提高。
        (3)改善巷道围岩的应力场和受力状态。
        巷道掘进的过程中破坏了围岩的原始应力状态。在顶板上施工预应力锚杆,可以给围岩产生附加的锚固应力,使围岩接近原始应力状态,变成三向应力状态,从而有效的提高了巷道围岩的稳定性。
        (4)提高围岩的力学参数,使岩体具有较高的强度,岩体整体作用加强。
        巷道掘进后,周边围岩向临空面移动,巷道周边附近发生较大的变形,在0~2.5 m范围内产生第一张拉区,岩石的粘聚力 C、内摩擦角φ、弹性模量 E等均下降,用预应力锚杆加固后可以有效提高岩石强度,限制第一张拉区的发展,维护围岩的稳定。
        预应力锚杆在实际的作用过程中,是以上几个方面共同作用,只是在特定的围岩条件下,某一方面占了主导地位。
        3结论
        预应力锚固技术是一种安全、高效的支护技术,尽可能的减小对锚固岩体的扰动,合理地提高可利用岩体的自身强度,变被动支护为主动支护。随着矿井向深部延伸,预应力锚固技术将得到充分的发展应用,将进一步提高巷道支护水平。
        参考文献:
        [1]王皓.浅谈预应力锚固支护技术.[J].四川建材,2019(1).
        [2]赵西在.矿坑边坡支护中预应力锚固技术的实践研究.[J].低碳世界,2018(9).
        [3]陈东印,连传杰,于军.预应力锚杆在煤矿中的应用前景[J].山东煤炭科技,2005(2).
        [4]陈东印.地下工程预应力锚杆支护数值模拟分析[D].青岛:山东科技大学,2005.

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