大倾角煤层回采巷道的锚固分析

摘　要　结合理论分析及工程实践, 提出回采巷道支护的四个基本原则。用离散元法对大倾角煤层回采巷道锚杆的作用原理进行分析, 说明综合支护的必要性。建立大倾角煤层回采巷道锚杆支护的倾斜组合梁模型, 并进行解算, 给出锚杆支护参数的表达式。对回采巷道锚杆支护中几个应注意的问题进行了分析。
关键词　大倾角煤层　回采巷道　锚杆支护　组合梁
0　引　言
在我国煤矿的地下井巷中, 回采巷道长度占矿井巷道总长度的60% 以上, 大倾角煤层的比例更大。据1988 年统计[ 1 ] , 我国统配煤矿采准巷道的总长度约7 077 km。近年来, 随着现代支护理论的形成与发展, 回采巷道支护技术也得到相应的发展。锚杆作为对岩层起加固作用的内部加强支护形式, 具有很大的优越性, 因此, 我国在推广快硬水泥锚固剂、树脂锚固剂以及应用管缝式锚杆、发展小孔径锚固技术, 在动压巷道中采用锚梁网组合锚杆支护, 以及研制和试验可拉伸锚杆、桁架锚杆等等诸多方面做了许多工作, 同时对于如何充分发挥和利用回采巷道自稳力的问题, 也进行了研究和探索[ 1～ 9 ] , 取得了诸如“分段非等强联合支护”、“释能型支护”、“离壁支护”等成果, 丰富了矿压理论, 改进了回采巷道的支护状况。但是, 由于这些研究都是针对缓倾斜及近水平煤层巷道的, 且对于支护和施工缺少具体的指导, 因此, 本文在总结有关研究成果的基础上, 用离散元法模拟巷道围岩与锚杆的相互作用, 并建立倾斜组合梁模型, 提出解算方法。最后, 对回采巷道锚杆支护中应注意的四个问题进行分析, 提出相应的解决方案。结合现代井巷支护理论, 在多年现场实践和理论研究的基础上, 认为回采巷道支护应遵循以下四个原则[ 7 ]: 综合支护原则; 支护与围岩共同作用原则; 控制原则; 短期临时加强支护原
则。显而易见, 锚杆支护所具备的优点, 可作为巷道的基本支护, 再配合以适当的临时加强支护方式则更易于满足上述支护原则。只要条件适宜, 参数合理, 施工技术措施得当, 就能取得良好的经济技术效益。鉴于此, 煤炭部将回采巷道锚杆支护技术的研究与推广应用, 作为“九五”重点攻关项目, 足见其重要性。
1　大倾角煤层回采巷道锚杆支护作用分析
1. 1　锚杆支护作用分析
锚杆在层状岩层中, 对围岩所起的加固作用十分显著, 其作用机理, 主要为悬吊作用和组合梁作用。在顶板没有坚固岩层得以悬吊, 或顶板由厚度较大(通常超过常规锚杆长度) 的不稳定岩层组成时, 锚杆的作用就表现为组合梁作用。其实质在于通过锚杆的预紧力和张力, 将邻近顶板的若干岩层挤紧, 增大岩层各分层间的摩擦力; 同时, 锚杆本身也能提供一定的抗剪能力, 阻止层间相互错动, 使全部锚固层共同变形。因而在巷道上方形成具有一定厚度及抗弯刚度的组合梁, 在提高自身强度的同时, 还可对其上位的不稳定岩层起支承作用。
1. 2　大倾角煤层回采巷道锚杆支护的离散元模拟
在计算模型中, 离散元采用了可充分变形单元, 模型的计算参数和条件取自文献[7 ]。巷道两帮及顶板安设了预应力锚杆, 顶板布置4 根长1. 6m 锚杆, 端头锚固, 垂直岩层层面设置; 巷道上帮和下帮煤体中各安设一根锚杆, 上帮杆长2. 0 m , 下帮杆长1. 4 m。煤层倾角35°。模型分两种情况模拟: 第一种情况, 只锚固顶板; 第二种情况, 顶板和两帮煤体都锚固。只锚固顶板时, 顶板强度和抗弯刚度明显提高, 初期表现出具有较强的抗变形能力, 只有微小的下沉。但是随着两帮煤体的片落, 支承点的内移顶板跨度增加, 顶板开始进入不平衡状态, 下沉、离层。但这种下沉与离层是经过40 多万次迭代才出现, 说明顶板锚杆的作用相当有效。
通过与不支护巷道相比较, 可以看出, 顶板有锚杆支护的巷道即使最终失效, 其保持稳定的时间要比无支护时长数百倍, 直到最终失稳也能使顶板保持只离层而不至于垮落下来。为了保证围岩的稳定性, 在顶板和两侧煤帮均安设锚杆。计算结果表明, 两帮煤体片帮已得到控制, 顶板下沉也只有很小的数值, 在块体图上几乎看不到有块体的变形, 围岩处于稳定状态。即使考虑到回采影响时, 也只是煤层有破坏, 而顶板仍相当稳定。
从离散元分析可以看出, 锚杆虽可有效地控制围岩的变形与破坏, 但仍必须综合支护和分段加强支护才能避免在受到采动影响时, 使两帮与顶板被逐个击破, 而导致整个系统的崩溃。

3. 1　锚杆的预紧力
由于地下岩体的抗拉强度很小, 加之回采开巷等原生和采动裂隙、层理面等弱面的切割破坏, 使弱面的抗拉强度大大降低。而弱面的抗剪强度, 则主要取决于作用在该面上的正应力, 当正应力较小时, 抗剪强度也不大。因此, 开巷后在围岩很小变形时就出现开裂、挠曲、离层、滑动、裂纹扩展和松动等破坏现象, 使围岩强度大大降低。如果开巷后, 虽然立即安装了锚杆, 但未施加预紧力或预紧力很低, 则锚杆由于初始滑移以及较高的可变形量而仍无法阻止围岩的弯曲、开裂、层面滑移和弱化。只有当围岩变形达到一定程度时, 锚杆才能发挥作用, 但这时围岩几乎已丧失抗拉和抗剪能力, 只能依靠锚杆构件自身的强度去抵抗围岩破坏, 这显然无法实现主动支护和充分利用围岩强度的支护原则。而许多锚杆失效与破坏的情况, 往往正是由此而造成的。
如果能在及时安设锚杆的同时, 立即施加足够的预紧力, 不仅可以消除锚杆构件的初始滑移量, 而且还给围岩以一定的预压力。这样, 既可以抵消一部分拉应力, 又可增大摩擦力而提高围岩的抗剪强度, 减缓围岩弱化, 提高围岩强度, 保证巷道的稳定性。
3. 2　锚杆的及时支护与综合支护
层状岩层中形成回采巷道后, 顶板及两帮煤体即产生变形。对于由多个分层组成的顶板,如果不及时支护而任其下沉, 一旦产生层间离层, 使岩体整体强度降低, 就不能起到加固围岩,发挥其支撑能力的作用。而及时地安设锚杆, 并给予合理的预紧力, 则可以尽快地减小围岩的拉应力区并可使之转变成压力区, 而且还可以尽早地改变围岩应力状态, 提高围岩强度, 充分发挥锚杆支护的优势。对由松软、破碎、分层多、厚度小岩层组成的顶板, 及时支护更有实际意义, 还可辅以网或梁使之形成联合支护或采用桁架锚杆, 以控制围岩的早期变形。根据围岩松动圈测试结果[ 8 ] , 证实回采巷道两帮煤体的破坏松动范围一般超过2. 0 m , 大倾角煤层巷道的上帮更是如此, 因此必须对其加固。这就是提出综合支护原则的依据。
3. 3　锚杆支护质量监控
由以上分析可知, 锚杆预紧力偏低以及预紧力的不均衡, 都会对回采巷道锚杆支护产生极其不利的影响, 尤其对破碎顶板。根据现场需要, 作者研制了锚杆预紧力标示圈(已获得国家实用新型专利[ 9 ]) , 用以标示锚杆安装预紧力。标示圈由上盖、弹性垫圈和外壳组成。通过标示圈可保证锚杆预紧力达到设计要求并能使之均衡分布。该标示圈通过在集贤等矿的使用证明, 凡安装标示圈的巷道, 区域由于锚杆的预紧力均匀, 预紧力值得以充分保证, 巷道顶板岩层均无明显裂隙产生, 顶板的完整程度和稳定性也明显好转, 且无一标示圈失效现象。由于锚杆标示圈安装工艺简单、标力显示明显、可靠, 制作成本低廉, 可给施工及验收提供标尺, 已得到现场普遍欢迎。
4　结论和认识
通过以上分析、总结和计算, 可得出以下主要结论和认识:
(1) 回采巷道的支护应充分遵循综合支护原则、支护与围岩共同作用原则、控制原则和短期临时加强支护的原则。
(2) 锚杆及其组合支护(锚网、锚梁、桁架等) , 可以充分发挥围岩的自身支承能力, 提高围岩的强度, 适于动压作用, 是回采巷道大有前途的支护形式。
(3) 在层状岩层中, 不破顶回采巷道的锚杆作用机理, 主要是起悬吊和组合梁作用。倾斜复合岩层组合梁模型, 适合于大倾角煤层回采巷道锚杆支护, 可以准确、合理地确定锚杆的支护参数。
(4) 提高锚杆的预紧力, 对于增加围岩强度、控制岩层早期变形、充分发挥围岩自承能力等方面有重要意义。锚杆的及时支护有利于控制围岩的早期变形和破坏, 有利于充分发挥围岩的自支承能力, 护好两侧煤帮(尤其是上帮) , 是大倾角煤层回采巷道锚杆支护成功的关键。
(5) 锚杆预紧力标示圈结构合理, 可以保证锚杆预紧力及其均衡程度, 对于实现锚杆支护质量验收标准化及取得预期的支护效果均有积极意义。
参考文献
1　李效圃, 姚建国等. 回采巷道支护形式与支护参数选择专家系统. 北京: 煤炭工业出版社, 1993.
2　侯朝炯等. 可拉伸锚杆控制巷道围岩变形效果的模拟研究. 矿山压力, 1989; (1).
3　郑雨天, 朱浮声. 预应力锚杆体系. 矿山压力与顶板管理, 1995; (1).
4　陈炎光等. 中国煤矿巷道围岩控制. 徐州: 中国矿业大学出版社, 1994.
5　李世平. 动压变形巷道锚杆受力分析与参数设计. 中国矿业大学学报, 1982; (3).
6　李先炜. 回采巷道锚杆的机理和参数探讨. 矿山压力, 1988; (2).
7　陶连金. 大倾角煤层开采矿山压力显现及其控制. 东北大学, 博士学位论文, 1996.
8　陶连金. 宝山煤矿巷道围岩松动范围测试. 建井技术, 1993; (344).
9　陶连金, 刘明远等. 锚杆预紧力标示圈. 国家专利号: 93208997. 6, 1993.