馬忠強(qiáng)

(山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安分公司,山西高平 048400)

錨網(wǎng)支護(hù)在軟巖巷道中的應(yīng)用研究

馬忠強(qiáng)

(山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安分公司,山西高平 048400)

本文詳盡分析了軟巖巷道的性質(zhì)、穩(wěn)定性以及影響軟巖巷道圍巖與支架變形的主要因素、軟巖巷道錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)的原理和作用等理論,指出采用錨網(wǎng)支護(hù)是行之有效的控制軟巖巷道圍巖變形的先進(jìn)而經(jīng)濟(jì)的支護(hù)形式,應(yīng)大力推廣和應(yīng)用。

軟巖巷道 錨網(wǎng)支護(hù) 控制

1 概述

隨著煤礦開采深度和強(qiáng)度不斷增加,井下軟巖具有變形大,高地壓,支護(hù)難等特點(diǎn),長期以來制約著煤礦生產(chǎn)。

由于巷道掘進(jìn)后破壞了圍巖原有的應(yīng)力平衡狀態(tài),同時(shí)在受到地應(yīng)力、水應(yīng)力、工程擾動力及膨脹力等工程力動壓下,圍巖發(fā)生卸載回彈和應(yīng)力重新分布,產(chǎn)生應(yīng)力集中。容易發(fā)生很大的塑性變形,圍巖應(yīng)力成倍急劇增長,支護(hù)十分困難,而軟巖巷道自身強(qiáng)度低,若沒有采取及時(shí)有效控制措施,則巷道很快被破壞。

因此,傳統(tǒng)的工字鋼、U型鋼可縮支架等支護(hù)形式支護(hù)斷面大、支護(hù)強(qiáng)度低,已無法有效控制巷道圍巖變形及被破壞,并存在片幫和頂板巖體架前冒落等安全隱患。

2 軟巖巷道性質(zhì)及特點(diǎn)

軟弱、松散、破碎、流變、膨脹、強(qiáng)風(fēng)化蝕變及高應(yīng)力的巖體總稱為軟巖,一般地,軟巖的抗壓強(qiáng)度小于20MPa,軟巖的抗壓強(qiáng)度有以下經(jīng)驗(yàn)公式估算:

式中,r表示巖石容重,h表示深度。

軟巖具有可塑性、崩解性、流變性、膨脹性及易擾動性等特點(diǎn),軟件的實(shí)質(zhì)具有相對性。能使巖石產(chǎn)生明顯變形的最小載荷和巷道埋深分別稱為軟巖的軟化臨界載荷和軟化的臨界深度。有關(guān)試驗(yàn)結(jié)論表明,當(dāng)向軟巖施加的載荷小于軟巖的軟化臨界載荷時(shí)或巷道位置小于軟化的臨界深度時(shí),巖石處于的變形狀態(tài)較為穩(wěn)定,而施加的載荷大于臨界載荷或巷道位置大于臨界深度時(shí),巖石則出現(xiàn)明顯的加速塑性變形現(xiàn)象。

研究學(xué)者指出,根據(jù)軟巖巷道圍巖的性質(zhì),軟巖可劃分為塑性、松塌、松弛和彈性四個(gè)區(qū)域。巷道圍巖變形主要包括彈塑性變形、碎脹變形和離層變形。

巖體本身的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、膠結(jié)程度、膨脹性礦物的含量、各種工程擾動應(yīng)力等都是影響軟巖巷道圍巖與錨網(wǎng)支架變形的主要因素,此外,還有地下水、工程用水及時(shí)間等因素,也會造成黏土質(zhì)巖的膨脹和巖石強(qiáng)度的降低。

3 錨網(wǎng)支護(hù)原理及作用

錨網(wǎng)支護(hù)是由錨桿、網(wǎng)筋、圍巖組成整體承載結(jié)構(gòu)的一種主動支護(hù)方式,由于網(wǎng)筋的作用,使錨桿與錨網(wǎng)形成相互制約的整體,大大提高了支護(hù)層的抗拉、抗剪和抗變形能力,增強(qiáng)了支護(hù)的整體強(qiáng)度和剛度,可以有效抑制和減少塑性變形和碎脹變形,防止頂板巖層離層變形,改善圍巖巖性,實(shí)現(xiàn)支護(hù)與圍巖體系的穩(wěn)定。

地下巖體在巷道掘進(jìn)以前一直處于三軸平衡壓力狀態(tài),巷道掘進(jìn)破壞了原有的巷道壁面圍巖應(yīng)力平衡狀態(tài),使巷道臨空自由面失去了法向應(yīng)力,由二軸應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)閱屋S應(yīng)力狀態(tài),引起巖石產(chǎn)生法向位移,繼而產(chǎn)生新的反向應(yīng)力,使圍巖應(yīng)力重新分布,直至達(dá)到新的應(yīng)力平衡。當(dāng)巷道埋深超過軟化臨界深度時(shí),靠近壁面的巖體由于應(yīng)力高于巖土強(qiáng)度最先發(fā)生破壞,主應(yīng)力集中區(qū)向圍巖內(nèi)部轉(zhuǎn)移。此時(shí),巷道圍巖應(yīng)力可劃分為塑性流變區(qū)、塑性軟化區(qū)、塑性硬化區(qū)、彈性區(qū)。在軟巖巷道中,難以靠變形位移來形成反向應(yīng)力,因此力量始終無法平衡,位移進(jìn)一步產(chǎn)生,原有的巖石的層狀面最終由于抵御不了自身的重力而剝落。

采用錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)后又一下幾方面的。

(1)當(dāng)在圍巖彈性區(qū)上以適當(dāng)?shù)拈g距排列安裝具有預(yù)應(yīng)力的錨桿時(shí),從圍巖表面到內(nèi)部形成一個(gè)由人工結(jié)構(gòu)聯(lián)接的巖石連續(xù)加固帶,能夠發(fā)揮巖自身承載能力。

(2)松動、軟弱、不穩(wěn)定的巖土體被錨桿懸吊于穩(wěn)定的巖土體中,錨桿提供的支護(hù)力使圍巖的抗剪切破壞能力大大提高,防止了離層剝落,維持工程穩(wěn)定。

(3)錨桿支護(hù)后,使薄層狀巖體緊固壓縮和相互擠壓,增加了摩擦阻力,大大減少了內(nèi)應(yīng)力和繞度,因此增加了薄層狀巖體整體的抗剪能力。而錨網(wǎng)增大了錨桿支護(hù)層的柔性和整體性,能較好的適應(yīng)圍巖的復(fù)雜應(yīng)力變化,阻止錨桿間巖體的松動。

(4)錨網(wǎng)支護(hù)的支護(hù)強(qiáng)度和柔性調(diào)節(jié)范圍很寬,可適應(yīng)不同圍巖支護(hù),還可以進(jìn)行分級支護(hù)。

綜上所述,錨網(wǎng)支護(hù)作用的實(shí)質(zhì)是改善錨固區(qū)圍巖強(qiáng)度和力學(xué)性能,特別是提高圍巖破裂后的強(qiáng)度,從而保持巷道掘進(jìn)時(shí)圍巖穩(wěn)定。

4 錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)應(yīng)用概況

(1)錨桿的極限承載力、錨固力的集中度和長度不斷提高。我國自行設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力錨桿的承載力已達(dá)6000-10000kN已投入實(shí)用階段,達(dá)到世界先進(jìn)水平。

(2)當(dāng)前,許多國家都先后開發(fā)了特別使用于礦山軟巖巷道的全長摩擦錨固的鋼管錨桿,我國先后自主開發(fā)了自鉆式錨桿、可拆芯式錨固技術(shù)均已投入實(shí)際應(yīng)用,錨桿的發(fā)展逐漸多樣化。

(3)錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用已擴(kuò)展到煤礦巷道、邊坡工程、橋梁工程,甚至抗地震工程等各領(lǐng)域,近十年我國僅邊坡工程與深基坑工程中錨桿的年用量就達(dá)到了3500km。

(4)中國、英國、日本等國已先后研究和應(yīng)用了單孔復(fù)合錨固方法。即在同一個(gè)鉆孔中安裝幾個(gè)具有各自獨(dú)立的桿體、固定長度和自由長度的單元錨桿,分別承受由各自獨(dú)立的張拉千斤頂施加的荷載,通過預(yù)先的位移補(bǔ)償張拉,達(dá)到所有單元錨桿始終承受相同的荷載的目的。

(5)目前,我國開發(fā)了可重復(fù)灌漿技術(shù),使軟土中錨桿的承載力大大提高,初步掌握了軟土中錨桿的蠕變變形和預(yù)應(yīng)力值變化的規(guī)律,找到了控制軟土周邊位移的若干有效方法并已投入工程應(yīng)用。

(6)從1970年以來,由美國、德國、澳大利亞等國倡導(dǎo)制定了錨桿規(guī)范與推薦性標(biāo)準(zhǔn),1986年,我國先后頒發(fā)了《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》、《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),促進(jìn)了錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展。

5 結(jié)語

錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)有施工快速、方便、效率高、成本低廉、支護(hù)效果好等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)在技術(shù)上仍有很大發(fā)展空間,在軟巖巷道支護(hù)中具有很高的應(yīng)用和推廣價(jià)值,其在軟巖巷道中的應(yīng)用也會隨著技術(shù)水平的提高而不斷地發(fā)展。

[1]張茂.錨桿支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景分析[J].太原科技,2005年.

[2]李守柱,黃鼎成,邢念信,徐復(fù)安.軟弱破碎圍巖變形特性[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),1993年01期.

[3]何滿朝.中國煤礦軟巖巷道支護(hù)理論與時(shí)間[M].中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1996年.

馬忠強(qiáng)(1983—),男,山西高平人,本科,技術(shù)員,主要從事煤礦井下開拓掘進(jìn)工作。