沖擊地壓巷道掘進(jìn)過斷層錨桿支護(hù)技術(shù)研究

竇世文 賈偉東 趙文琪 張滿倉 戴若州

1.新疆煤炭設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，中國·新疆 烏魯木齊 830000

2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，中國·遼寧 阜新 123000

1 引言

煤炭是中國最主要的一次能源之一，中國煤礦生產(chǎn)的主要形式是地下開采。近年來，隨著綜采技術(shù)的不斷發(fā)展，煤礦開采深度以及開采強(qiáng)度不斷提高，所面臨的開采環(huán)境、地質(zhì)問題也越來越復(fù)雜。在煤礦井下回采過程中需要挖掘大量的巷道，巷道的通暢以及圍巖的穩(wěn)定性關(guān)系著煤礦的生產(chǎn)穩(wěn)定及安全穩(wěn)定，為了保障煤礦生產(chǎn)穩(wěn)定安全，需要安全可靠的巷道支護(hù)技術(shù)。同時，隨著綜掘機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用，掘進(jìn)以及開采工作的效率提高，也需要更為規(guī)范高效、安全可靠的支護(hù)技術(shù)。

2 錨桿支護(hù)理論

錨桿支護(hù)促使圍巖由載荷體轉(zhuǎn)化為承載體。盡管錨桿在不同地質(zhì)條件下作用機(jī)理有所不同，但都是在巷道周邊圍巖內(nèi)部對圍巖加固，形成圍巖承載體，有利于圍巖的穩(wěn)定。中國與其他國家現(xiàn)場對比試驗表明，在同一條件下錨桿支護(hù)與剛性金屬支架支護(hù)比較，巷道圍巖移近量減少一半左右。傳統(tǒng)的錨桿支護(hù)理論都是以一定假說為基礎(chǔ)，各自從不同角度、不同條件闡述錨桿支護(hù)的作用機(jī)理，其力學(xué)模型簡單，計算方法簡捷，適用于不同的圍巖條件。近年來，錨桿支護(hù)理論研究有了進(jìn)一步發(fā)展，提出了巷道錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論，并且把錨固技術(shù)作為一個系統(tǒng)進(jìn)行整體研究，進(jìn)一步揭示了錨桿支護(hù)的實質(zhì)。

2.1 懸吊理論

懸吊理論認(rèn)為，錨桿支護(hù)的作用是將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在上部穩(wěn)定巖層上，增強(qiáng)較軟弱巖層的穩(wěn)定性。如果巷道淺部圍巖松軟破碎，頂板出現(xiàn)松動破裂區(qū)，錨桿的懸吊作用是將這部分易冒落巖體錨固定在深部未松動的巖層上。

2.2 組合梁理論

如果頂板巖層中存在若干分層，錨桿的作用一方面提供錨固力增加各巖層間的摩擦力，阻止巖層沿層面繼續(xù)滑動，免出現(xiàn)離層現(xiàn)象。另一方面錨桿桿體可增加巖層間的抗剪強(qiáng)度，阻止巖層間的水平錯動，從而將巷道頂板錨固范圍內(nèi)的幾個薄巖層鎖成一個較厚的巖層。

2.3 組合拱理論

組合拱理論認(rèn)為，在拱形巷道圍巖的破裂區(qū)中安裝預(yù)應(yīng)力桿，從桿體兩端起形成圓錐形分布的壓應(yīng)力區(qū)。

如果錨桿間距足夠小，各個錨桿形成的壓應(yīng)力圓錐體相互交帶在巖體中形成一個均勻的壓縮帶，即壓縮拱。壓縮拱內(nèi)巖石徑向、切向均受壓，處于三向應(yīng)力狀態(tài),圍巖強(qiáng)度得到提高,支承能力相應(yīng)增大。

2.4 最大水平應(yīng)力理論

該理論由澳大利亞學(xué)者WJ·Gale 提出，他認(rèn)為礦井巖層的水平應(yīng)力通常大于鉛直應(yīng)力，巷道頂?shù)装宓姆€(wěn)定性主要受水平應(yīng)力的影響；圍巖層狀特征比較突出的回采巷道開挖后引起應(yīng)力重新分布時，鉛直應(yīng)力向兩幫轉(zhuǎn)移，水平應(yīng)力向頂?shù)装遛D(zhuǎn)移；鉛直應(yīng)力的影響主要顯現(xiàn)于兩幫而導(dǎo)致兩幫的破壞，水平應(yīng)力的影響主要顯現(xiàn)于頂?shù)装鍘r層。錨桿的作用是沿錨桿軸向約束巖層膨脹和在垂直錨桿軸向方向約束巖層剪切錯動[1]。

3 錨桿支護(hù)設(shè)計原則

錨桿支護(hù)設(shè)計一般有四個步驟，分別是初始設(shè)計、實施設(shè)計、礦壓觀測、修改初始。各個步驟設(shè)計原則分別為：

初始設(shè)計：要根據(jù)巷道生產(chǎn)技術(shù)條件和地質(zhì)條件、相似條件下礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律和圍巖變形特點，圍巖的巖性、節(jié)理和層理的發(fā)育程度等，采用工程類比法、數(shù)值模擬法或理論計算法，提出巷道基本支護(hù)形式、確定主要支護(hù)參數(shù)，并根據(jù)有關(guān)規(guī)定進(jìn)行校核，形成初始設(shè)計[2]。

實施設(shè)計：根據(jù)初始設(shè)計編制掘進(jìn)作業(yè)規(guī)程，嚴(yán)格按初始設(shè)計及作業(yè)規(guī)程進(jìn)行施工。

礦壓觀測：在前期施工過程中要進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)測和礦壓觀測，驗證支護(hù)參數(shù)的合理性、支護(hù)設(shè)計的正確性，并及時反饋支護(hù)信息，為修改初始設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

修改設(shè)計：根據(jù)反饋的支護(hù)信息，對初始設(shè)計進(jìn)行修改。根據(jù)修改完善后的支護(hù)設(shè)計補(bǔ)充技術(shù)措施，保證施工安全和支護(hù)效果。

4 錨桿支護(hù)施工方法

預(yù)應(yīng)力錨索加固巖體或土層的實質(zhì)，就是通過錨索對被加固的巖體或土層預(yù)先施加壓應(yīng)力，限制有害變形的發(fā)展，從而保持圍巖的穩(wěn)定。對于礦山井巷工程的錨索支護(hù)設(shè)計，目前采用的主要有以下三種方法。

4.1 工程類比法

工程類比法發(fā)展較早，也是當(dāng)前應(yīng)用最廣的方法。目前中國有關(guān)的支護(hù)規(guī)范仍以此法為主，現(xiàn)在的工程類比法主要在圍巖分類的基礎(chǔ)上，根據(jù)擬建工程的圍巖等級和工程尺寸等，參照已建工程的經(jīng)驗，直接確定支護(hù)參數(shù)與施工方法。

4.2 理論計算法

理論計算方法是在測得巖體和支護(hù)力學(xué)參數(shù)的前提下，根據(jù)圍巖力學(xué)特征建立數(shù)學(xué)模型，通過計算來確定支護(hù)參數(shù)的方法。因圍巖地質(zhì)條件復(fù)雜多變，其力學(xué)模型和巖體力學(xué)參數(shù)不易準(zhǔn)確測定，在計算方法中很難全面反映施工方法和支護(hù)時機(jī)等因素，所以，理論計算法只作為設(shè)計參考。

4.3 現(xiàn)場監(jiān)控法

現(xiàn)場監(jiān)控法又叫信息設(shè)計法，是新近發(fā)展起來的一種以現(xiàn)場量測為手段的設(shè)計方法。這一方法以現(xiàn)場監(jiān)測的信息為依據(jù)，邊施工邊量測，不斷把量測結(jié)果反饋到設(shè)計和施工中去，從而不斷修改設(shè)計。

在具體設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)礦山井巷的工程地質(zhì)條件，三種方法結(jié)合應(yīng)用。礦山井巷工程的地質(zhì)條件一般比較復(fù)雜，外荷載不明確，所以設(shè)計錨索加固方法多以工程類比法為主，有時也用一些經(jīng)驗公式。近年來礦山井巷支護(hù)工作推行新奧法施工，即判定準(zhǔn)則。工程地質(zhì)調(diào)查，是設(shè)計的重要依據(jù)。設(shè)計方法是：按工程特點和施工條件選擇合適的錨索形式；錨索布置密度，按工程類比法或經(jīng)驗估計，一般控制在每根間距5m，對于松軟夾層局部補(bǔ)強(qiáng)，也可根據(jù)具體情況確定；錨索安設(shè)方向原則上應(yīng)正交于結(jié)構(gòu)或?qū)用?，一般也可按巷道徑向均勻布置，設(shè)計系統(tǒng)錨索應(yīng)充分適應(yīng)這一條件[3]。

5 掘進(jìn)巷道錨桿支護(hù)的應(yīng)用

5.1 懸臂支護(hù)方式

當(dāng)前，煤礦行業(yè)的不斷發(fā)展促進(jìn)了開采技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展，在整個開采過程中，通過合理的支護(hù)方式對其進(jìn)行保障。一般來說，錨桿支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效提升巷道安全，而懸臂式技術(shù)應(yīng)用較多，常應(yīng)用于一些大型煤礦的開采。錨桿支護(hù)與傳統(tǒng)支付相比，通過懸臂技術(shù)的應(yīng)用，有效提升了煤礦的穩(wěn)定性與開采效率。在開采過程中，使用較多的機(jī)械設(shè)備，包括能夠伸縮的輸送機(jī)、懸臂掘進(jìn)機(jī)等，通過此技術(shù)的應(yīng)用，大大提升了開采效率。隨著開采技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前，中國引入新的掘進(jìn)設(shè)備，不僅提升了開采效率，還有效提升了掘進(jìn)的安全性[4]。

5.2 采掘一體方式

煤礦掘進(jìn)工作開展過程中，把開采與掘進(jìn)融為一體的方法得到有效應(yīng)用，在提升了開采質(zhì)量與效率同時，也有效確保了開采安全性，促進(jìn)中國煤礦企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會效率的提升。通過此技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)雙向掘進(jìn)與開采，并通過采取間歇性與連續(xù)性的方式，提升了開采效率。間歇性重點是近段式與連續(xù)性兩種運(yùn)輸方式，結(jié)合鏟車等設(shè)備進(jìn)行操作，而連續(xù)性操作則采取的是連續(xù)性運(yùn)輸系統(tǒng)。

5.3 錨桿支護(hù)方式

煤礦進(jìn)行開采的過程中，怎樣提升錨桿支護(hù)與掘進(jìn)技術(shù)之間的配合，是相關(guān)單位需重視的關(guān)鍵點。目前，在應(yīng)用錨桿支護(hù)技術(shù)方式下，通過兩種方式的結(jié)合，有效提升了煤礦的開采率。另外，通過將杠桿轉(zhuǎn)車以及傳統(tǒng)采煤機(jī)的銜接，有效發(fā)揮出其效能，把鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定，提升了巷道的自固性。此方式的應(yīng)用，其應(yīng)用流程簡便，消耗能源小，通過有效應(yīng)用各類設(shè)備與方式，為煤礦掘進(jìn)巷道提供一個良好的支護(hù)環(huán)境。

6 綜采工作面過斷層時的頂板控制措施

6.1 煤層深孔爆破預(yù)裂

預(yù)裂爆破是指進(jìn)行石方開挖時，在主爆區(qū)爆破之前沿設(shè)計輪廓線先爆出一條具有一定寬度的貫穿裂縫。以緩沖、反射開挖爆破的振動波，控制其對保留巖體的破壞影響，使之獲得較平整的開挖輪廓。預(yù)裂爆破不僅在垂直、傾斜開挖壁面上得到了廣泛應(yīng)用，在規(guī)則的曲面、扭曲面以及水平建基面等也得到了廣泛應(yīng)用。預(yù)裂爆破適用于穩(wěn)定性差而又要求控制開挖輪廓的軟弱巖層。在過斷層時可以結(jié)合爆破機(jī)理，爆破炸藥參數(shù)，設(shè)置合理的爆破孔間距并且預(yù)裂爆破孔布置方案，使頂板松軟破裂巖石垮落且不破壞巖層整體結(jié)構(gòu)[5]。

6.2 注漿加固施工

綜采工作面回采經(jīng)過斷裂帶時，會出現(xiàn)頂板破損、片幫、端面距增加和工作面頂板開裂等現(xiàn)象，因此，需要對煤層周圍和頂板采取注漿施工，使其更加堅固。根據(jù)巷道的實際情況，需選用強(qiáng)度高，能快速凝固及塑性好的注漿材料，并要求材料與圍巖的充分黏結(jié)。井下注漿主要有單液注漿和雙液注漿，根據(jù)各自工藝的優(yōu)缺點及實際注漿環(huán)境，選用合適的工藝。最后計算總的注漿量之后對施工方案進(jìn)行設(shè)計并施工。

6.3 超前支護(hù)

對巖石和金屬網(wǎng)注漿只能對頂層板起到暫時的支護(hù)，時間長了就會失效，作用力會使頂板遭到損壞，因此，用插板支護(hù)法對頂板進(jìn)行支護(hù)是一種比較可行的方法。它是一種適用與松軟破碎巖層中的方法。在巷道即將掘進(jìn)到松軟巖層時，先緊貼工作面架好支架，再從頂板上部及兩側(cè)打入一排前端尖形的木板（或木樁、鋼管等），超前插入圍巖起加固作用，然后挖一段，再打入一段，使插板前端始終保持超前工作面插在巖層內(nèi)，以防止冒頂、片幫。待挖入一架棚的空間后立即架好一架棚，并用拉桿、扒釘釘牢。如此循環(huán)，使巷道穿過松軟巖層。

7 結(jié)語

隨著煤礦開采技術(shù)的不斷進(jìn)步，煤礦企業(yè)安全管理意識也隨之增強(qiáng)。煤礦巷道掘進(jìn)期間所用的支護(hù)技術(shù)是確保掘進(jìn)作業(yè)安全的關(guān)鍵所在。為此，工作人員必須全面勘察煤礦地質(zhì)構(gòu)造，結(jié)合實際選取合理的掘進(jìn)技術(shù)與掘進(jìn)設(shè)備，制定出合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建方案，有效保障巷道掘進(jìn)質(zhì)量安全，這樣才能在復(fù)雜地質(zhì)條件下全面保障煤礦開采工作效率與安全，促進(jìn)煤礦產(chǎn)業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展。通過對斷層帶處頂板厚煤層采取深孔爆破預(yù)裂后，工作面在后期回采中斷層帶上盤厚煤層充分垮落，解決了厚煤層放煤不充分，導(dǎo)致采空區(qū)遺煤量大等難題。大大改善了端面頂板破碎以及煤壁片幫現(xiàn)象，端面距減小，工作面在移架時保證了支架頂梁與頂板充分接觸，增加了液壓支架工作阻力，提高了支護(hù)效果。在工作面煤體布置超前鋼針支護(hù)后，高了超前應(yīng)力區(qū)頂板穩(wěn)定性，削弱了超前集中應(yīng)力對頂板破壞作用，保證了工作面安全高效回采。