煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)研究現(xiàn)狀

朱慶山

摘要:隨著煤炭的不斷開采,淺部、易開采的煤層已所剩無幾,因而需要有新的巷道支護(hù)理論與技術(shù)來指導(dǎo)巷道維護(hù),確保煤炭的安全生產(chǎn)。

Abstract: With the exploitation of the coal, the coal seams that are shallow are easy to explore become less and less. New theory and techniques should be found to guide the maintenance of the roof bolt support to guarantee the security of coal exploitation.

關(guān)鍵詞:煤炭;巷道支護(hù);錨桿支護(hù);研究現(xiàn)狀

Key words: coal; roof bolt support;pole support;research on the current situation

中圖分類號:TD35 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1006-4311(2010)04-0054-01

0引言

煤炭是目前我國國民經(jīng)濟(jì)賴以生存和發(fā)展的最主要能源。2008年中國煤炭產(chǎn)量27.16億噸,創(chuàng)歷史最高水平,即世界第一位。隨著國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,我國經(jīng)濟(jì)進(jìn)入重工業(yè)化階段,處于工業(yè)化中期和新一輪經(jīng)濟(jì)周期的上升期。隨著國民經(jīng)濟(jì)將持續(xù)保持適度的發(fā)展速度,主要耗煤行業(yè)的一些基建項(xiàng)目也將陸續(xù)投產(chǎn),將增加對煤炭的需求。

1實(shí)例分析

XX礦IV528工作面為XX礦IV水平首采工作面。IV水平開采的5煤及其頂?shù)装迮c已經(jīng)開采或現(xiàn)開采煤層地質(zhì)條件存在明顯差別。具體困難表現(xiàn)為:煤質(zhì)軟,f<1.5,工作面處于深部褶曲構(gòu)造帶,構(gòu)造應(yīng)力集中,煤層裂隙發(fā)育;頂?shù)装褰詾檐泿r,行道維護(hù)困難。直接頂為深灰～灰色塊狀、破碎的松軟泥巖,平均3.2m;煤層直接底為灰～深灰色致密塊狀泥巖,平均6.5m;工作面機(jī)風(fēng)巷原設(shè)計(jì)支護(hù)形式為錨帶網(wǎng)支護(hù),由于在施工過程中地壓大,巷道變形嚴(yán)重,兩巷支護(hù)不得不改為“U”型鋼棚支護(hù);回采巷道在掘進(jìn)施工中,巷道傾角和煤層傾角較大,掘進(jìn)施工困難,嚴(yán)重制約支護(hù)工藝過程和掘進(jìn)進(jìn)度;煤層埋藏深,該工作面為深部區(qū)域,工作面切眼標(biāo)高為-500m,最低標(biāo)高為-730m,原巖應(yīng)力大,裂隙、斷層發(fā)育,對掘進(jìn)造成較為嚴(yán)重影響。因此,對IV52采區(qū)“三軟”煤層的巷道支護(hù)技術(shù)進(jìn)行綜合研究,是確?；夭晒ぷ髅姘踩⒏咝a(chǎn)的配套技術(shù),無論從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)或社會效益上都具有極其重要的意義。

2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國外錨桿支護(hù)研究現(xiàn)狀

自從19世紀(jì)末期英國北威爾士露天頁巖礦首次應(yīng)用錨桿加固邊坡起,錨桿支護(hù)方法逐漸被廣泛應(yīng)用于水利、交通、礦山等巖土工程領(lǐng)域,此后錨桿支護(hù)技術(shù)得以改進(jìn)和提高,錨桿支護(hù)理論也不斷得到完善和發(fā)展。1912年,德國謝列茲礦最先將錨桿支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于地下巷道的圍巖控制。20世紀(jì)40年代以后,錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展迅速,現(xiàn)已成為世界主要產(chǎn)煤國家煤礦的主要支護(hù)形式。

美國、澳大利亞因煤層賦存條件好,巷道全部采用錨桿支護(hù),處于世界領(lǐng)先水平。歐洲一些主要產(chǎn)煤國家,過去巷道中主要采用金屬支架支護(hù),隨著巷道維護(hù)日益困難和支護(hù)成本的增加,各國均在積極發(fā)展錨桿支護(hù)。英國是錨桿支護(hù)發(fā)展最快的國家之一,在20世紀(jì)八十年代以前,英國煤礦90%以上都采用金屬支架支護(hù),由于回采工作面單產(chǎn)及效率低下,支護(hù)成本過高,造成嚴(yán)重虧損。1987年英國從澳大利亞引進(jìn)了錨桿支護(hù)技術(shù)以后,煤巷錨桿支護(hù)得到了迅猛發(fā)展,1994年在巷道支護(hù)中的比重已達(dá)到80%以上。

澳大利亞是世界主要產(chǎn)煤國之一,煤炭儲量極為豐富,位居美國、中國之后排世界第三位。其中使用最多的是樹脂錨桿,占錨桿使用量的98%。澳大利亞主要推廣全長樹脂錨桿,其錨桿強(qiáng)度較高,并且錨桿參數(shù)設(shè)計(jì)方法有獨(dú)到之處,將地質(zhì)調(diào)研、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測、信息反饋等相互關(guān)聯(lián)、相互制約的各部分作為一個(gè)系統(tǒng)工程進(jìn)行考察,使他們形成一個(gè)有機(jī)的整體,形成了錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

總結(jié)國外的錨桿發(fā)展經(jīng)驗(yàn),主要有以下幾個(gè)特點(diǎn):(1)發(fā)展適合本國巷道圍巖地質(zhì)及生產(chǎn)條件的錨桿類型。美國主要以樹脂錨桿、機(jī)械及摩擦式錨桿作為主要的適用類型。澳大利亞及英國則以全長樹脂錨桿作為主要發(fā)展方向,德國除了發(fā)展樹脂錨桿外,還大力發(fā)展可伸長錨桿。俄羅斯則是多種類型兼用。(2)國外錨桿日益朝著高強(qiáng)度及超高強(qiáng)度的方向發(fā)展。其主要有兩種發(fā)展途徑:一是研制強(qiáng)度較高和具有較好延伸率的錨桿材料。二是繼續(xù)加大錨桿直徑。(3)繼續(xù)完善錨桿施工配套機(jī)具也是促進(jìn)各國錨桿技術(shù)發(fā)展的重要原因。掘錨一體機(jī)的發(fā)展為巷道掘進(jìn)和錨桿施工創(chuàng)造了極為有利的條件。(4)建立一套適合自身?xiàng)l件的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法。目前,新奧法、收斂約束法在國際上較為流行,澳大利亞、英國等國家在從分考慮水平地應(yīng)力作用的條件下,采用了“地質(zhì)力學(xué)評估-計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬進(jìn)行初始設(shè)計(jì)-現(xiàn)場施工、監(jiān)測-信息反饋、修改完善設(shè)計(jì)”的設(shè)計(jì)方法。(5)完善錨桿支護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)。錨桿支護(hù)是一種隱蔽性很強(qiáng)的工具,只有完善錨桿支護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)才能保證錨桿支護(hù)巷道的安全可靠性。

2.2 國內(nèi)錨桿支護(hù)研究現(xiàn)狀

我國的錨桿支護(hù)技術(shù)研究開始于1956年,至今已有50多年的歷史。60年代錨桿支護(hù)開始進(jìn)入采區(qū),由于煤層巷道圍巖松軟,受采動影響后圍巖變形量很大,對支護(hù)技術(shù)要求很高,加之錨桿支護(hù)理論及支護(hù)工具不夠完善,因而發(fā)展較慢。1995年國有重點(diǎn)煤礦當(dāng)年新掘進(jìn)巷道中錨桿支護(hù)所占比重為28.19%,其中巖巷占57.2%,半煤巷中占30.07%,煤巷中占15.15%。

我國的煤巷錨桿支護(hù)在發(fā)展工程中取得了以下寶貴的經(jīng)驗(yàn)及成果:(1)錨桿研制方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。能采用多種材料制作各種形式的適用于不同條件的錨桿。目前能夠生產(chǎn)出木錨桿、竹錨桿等,為擴(kuò)大錨桿的應(yīng)用范圍提供了必要的基礎(chǔ)。(2)研究出了適用于不同圍巖條件的錨固方式,如端頭錨固、全長錨固等。(3)能夠根據(jù)不同的巷道類型采用不同的錨桿支護(hù)形式。當(dāng)圍巖穩(wěn)定性類別為Ⅰ、Ⅱ類時(shí),可用單錨。Ⅲ、Ⅳ類時(shí)采用組合錨桿,包括錨網(wǎng)梁組合支護(hù)和 架錨桿組合支護(hù)等。Ⅴ類巷道可采用聯(lián)合支護(hù),也可試驗(yàn)高強(qiáng)、超高強(qiáng)錨桿支護(hù)系統(tǒng)。(4)錨桿施工機(jī)具不斷改進(jìn)。機(jī)械化施工是提高錨桿支護(hù)效果和普及應(yīng)用程度的重要因素之一,是提高施工速度、保證工程質(zhì)量、減輕勞動強(qiáng)度以及改善勞動條件等有效途徑,因此,錨桿機(jī)具的改進(jìn)一直受到重視,高新科技不斷得到應(yīng)用。(5)錨桿監(jiān)測技術(shù)得到了完善,頂板離層指示儀能夠測定錨桿錨固范圍以及離層情況,錨桿拉力計(jì)、托盤式壓力盒、傳感器以及空芯錨桿等可對錨桿錨固力及軸向力進(jìn)行測量,為巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)提供了直接的依據(jù)。

2.3 大傾角煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)研究現(xiàn)狀

近年來,我國不少煤礦遇到了大傾角煤巷難以維護(hù)的問題,大傾角煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)與普通煤巷錨桿支護(hù)有許多相似之處,但也存在一定的區(qū)別。大傾角的煤巷,由于上幫的支護(hù)體受重力作用,原始應(yīng)力的重新分布導(dǎo)致的水平側(cè)壓力作用,引起巷道兩幫的變形和底臌,尤其是上幫及靠近上幫底角附近變形嚴(yán)重,使巷道發(fā)生非對稱變形。而存在滑面和層理發(fā)育的巷道變形更快,從而導(dǎo)致巷道失穩(wěn),進(jìn)而引起片幫。