摘要:随着开采深度的不断加大,各种非线性力学现象愈演愈烈,围岩大变形、高地应力、难支护等现象越来越严重,这些给支护与开采带来了很大的难度 文章主要介绍几种在深部巷道支护中常用的技术方法。
关键词:深部矿井;岩石巷道;原则;支护技术
随着矿井开采深度的增加,矿山压力不断增大,巷道围岩所受的压应力、剪应力超过围岩的强度极限,使围岩普遍处于破裂状态,巷道围岩的大量变形常常使支护难以承受。因此,提高围岩强度和自承力、降低岩体应力集中是深井巷道支护技术的中心任务。
1 巷道支护设计原则
从巷道的受力角度考虑,其轴向方向与最大水平主应力的夹角越小越好,但各种巷道的走向往往受煤层赋存状态所限制。在这种受地质条件约束,主要大巷方向又不能改变的情况下,支护设计就要从巷道布置的位置、巷道断面形状及支护方式上进行综合考虑。比如将巷道布置在较稳定的底板岩层中,若将巷道布置在煤层中,应尽量使巷道圆拱部分处在顶板岩层内且选择联合支护形式对巷道进行支护。对于一些地质条件复杂和围岩不稳定地段的巷道,如顶板锚杆不能锚固在稳定岩层内,锚杆起不到吊挂作用,而巷道顶板岩层又较软和破碎,组合梁作用较弱,故而可造成巷道顶板破坏或下沉量过大。当巷道穿层掘进时,巷道处于煤岩交界处或完全处于煤层内时,锚杆同样不能锚固在稳定岩层上,也会造成巷道围岩位移量加大。在这种情况下,要考虑对巷道进行加强支护,如采用锚杆+锚索加强支护方式。
2 支护技术
2.1 可缩性金属支架
拱形U型钢可缩性支架结构比较简单,承载能力大,可缩性较好,是可缩性支架中使用最广泛的一种。分为:(1)半圆拱可缩性支架;(2)三心拱直腿可缩性支架;(3)三心拱曲腿可缩性支架拱形U型钢可缩性支架的优点是:(1)支架受力均匀,特别是对非均匀载荷,不稳定围岩和动压巷道有良好的适应性。(2)由于支架铰接处弯矩较小,从而使支架承载能力提高了2~3倍。(3)支架的可缩性较好,支护效果好。拱形U型钢可缩性支架的缺点是:(1)在煤层开采厚度较小的情况下掘进巷道时,不利于保持巷道顶板的完整性和稳定性,在工作面与巷道连接处比较难以安装;(2)在非机械化掘进的条件下,拱形巷道断面施工也比较困难。
环形可缩性支架又称封闭形可缩性支架,支架各节连接形成一个环形。封闭形支架与拱形、梯形支架的不同之处在于其底部是封闭的,其优点是:由于支架本身是一个闭合体,其承载能力较拱形、梯形支架有较大的提高,支架变形损坏小;由于支架底部封闭,对巷道底臌有良好的控制作用,对巷道两帮也有较强的控制能力。环形可缩性支架缺点是结构复杂、钢材消耗多、成本高。通常只在围岩松软、采深大、压力大、底臌严重、两帮移近量很大的巷道才使用这种支架。环形可缩性支架的主要类型有马蹄形、圆形、方环形、长环形等。
2.2 锚杆支护
锚杆支护作用通常是指锚杆群及其辅助构件对岩层所起的整体支护作用,这里强调的是锚杆系统的整体性,有区别于单体锚杆的作用。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定岩层上,以增强较软弱岩层的稳定性。对于回采巷道经常遇到的层状岩体,当巷道开挖后,直接顶因弯曲、变形与老顶分离,如果锚杆及时将直接顶挤压并悬吊在老顶上,就能减小和限制直接顶的下沉和离层,以达到支护的目的。巷道浅部围岩松软破碎,或者开掘巷道后应力重新分布,顶板出现松动破裂区,这时锚杆的悬吊作用就是将这部分易冒落岩体悬吊在深部末松动岩层上。
2.3 锚索支护
煤巷围岩的变形较大,当支护不当,顶板容易产生冒落拱。当冒落拱高度大于锚杆锚固范围时,易造成冒顶事故。所以,煤巷使用锚索支护的目的是防止因锚杆支护不可靠时,通过锚索的悬吊作用阻止顶板冒顶。因此,在煤巷中,锚索的主要作用是悬吊作用,而不是加固作用。然而,发挥锚索的悬吊作用仅仅是人们使用锚杆-锚索联合支护的出发点或目的,并不是煤巷锚杆-锚索联合支护的实际作用效果。锚杆-锚索联合支护的作用不是锚杆支护作用与锚索悬吊作用的简单组合,其联合支护的作用机理和作用效果与围岩条件、支护方法、施工工艺及支护参数有关,必须根据不同情况进行分析。
锚索与单体锚杆的作用功能是一样的,既有加固围岩的作用,也有悬吊下部松动岩石的作用。两者的区别在于锚索可以锚固在围岩深部的稳定岩层中,而锚杆因其长度较短,在围岩条件较差的情况下,锚杆不能锚固在稳定的岩石中,此时锚杆的悬吊作用很小,主要靠其加固作用和锚杆群的成拱作用控制围岩变形,提高围岩的承载能力。
当锚杆和预应力锚索同时安装时,锚杆与锚索对围岩起到共同的加固作用。由于锚索的工程延伸量较小,围岩在该变形范围内产生的松动破坏区较小。所以,锚杆和锚索均以加固围岩的作用为主,共同提高锚岩支护体的承载能力,保持围岩稳定。根据前述分析,如锚岩支护体和锚索的特性曲线不能与曲线1相交,说明单独采用锚杆支护或锚索支护,都不能控制围岩达到稳定。如锚杆-锚索联合支护时,其共同支护作用特性曲线2与曲线1相交,表明联合支护提高了支护体的承载能力,在线的交点(A)处,围岩的变形破坏得到控制,保持了围岩的稳定。锚杆和锚索同时安装时,保证锚杆-锚索联合支护成功的前提是围岩达到稳定时的变形量U0小于锚索的延伸量。满足这一条件的围岩的稳定性一般较好,在多数情况下,可以通过合理选择锚杆支护形式和参数,单独采用锚杆支护来保持巷道围岩的稳定。但有些情况例外,如复合顶板和淋水大的巷道,这类巷道顶板锚杆的加固作用很小,锚岩支护体的承载能力低,在顶板下沉量较小时就可能造成冒顶,所以,必须采用锚杆-锚索联合加固作用原理,保证巷道支护的可靠。
2.4 锚网支护
锚网支护对围岩稳定作用金属网的主要作用:(1)能够有效控制锚杆之间非锚固岩层的变形,托住挤入巷道的岩石,防止碎裂岩体垮落;(2)将锚杆之间非锚固岩层载荷传递给锚杆;(3)金属网托住已碎裂的岩石,虽然巷道周边围岩已破裂,由于碎石的碎胀作用和传递力的媒介作用,使巷道深部岩仍保持三向应力状态,大大提高岩体的残余强度。总之,锚网支护能及时加固与阻止围岩风化,改善围岩应力状态,提高了喷层的整体性,改善了抗拉性能,有效地阻止围岩位移。
3结束语
煤矿的安全不仅关系到煤矿的经济效益,特别关系到社会的稳定以及和谐的社会秩序,而支护技术做得如何,直接关系到煤矿的安全,同时也关系到煤矿的开采效率的高低,特别是在深部矿井复杂的地质条件下,支护技术的高低直接关系到旷工的生命,所以必须加强对支护技术研究,在提高效率的同时保证开采安全。
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