浅析煤矿深部掘进锚杆支护技术应用
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摘要：随着经济的快速发展，人们对于煤炭能源的需求量也越来越大，煤矿规模随着不断扩大在煤炭开采过程中，巷道的稳定性对掘进和回采都有着十分重要的影响，但由于地下的地质、水文情况对巷道的影响很大，在地质水文复杂区，尤其是在“三软两高”煤层的巷道掘进中，巷道维护变得十分困难。本文通过分析论述煤巷预应力锚杆支护作用的机理，提出了煤巷预应力锚杆支护设计新方法，对煤矿深部掘进锚杆支护技术的应用多出了论述。
关键词：煤矿，掘进，锚杆支护，应用
中图分类号：U455.7+1文献标识码： A
引言：随着我国对煤炭的需求量的加大，煤炭开采由浅部向深部发展速度加快，我国煤矿开采深度以8~12m/年的速度增加。深部矿井重力引起的垂直应力明显增大，构造应力场复杂，地应力高；在高地应力作用下，开采扰动影响强烈，围岩破坏严重。高地应力环境和煤岩体变形特征决定了深部矿井会遇到一系列动力灾害，包括冲击矿压、煤岩与瓦斯突出、瓦斯爆炸、矿井突水、矿压显现剧烈、巷道围岩大变形、冒顶片帮等灾害，对深部矿井的安全、高效开采带来巨大威胁。在深入研究高地压巷道支护理论的基础上，开发研制支护材料与配套设备，为深部煤炭资源开采提供技术支持具有非常重要的意义。
1、锚杆的主要作用
（1）锚杆的悬吊作用
通常而言，在一些缓倾斜的煤层里面，这些锚杆能够把其下部的相对不太稳定的岩层（直接顶或者是块状结构中不很稳定的岩块）悬吊在上部相对稳固的岩层之上，进而能够较好的抑制岩层与岩块的冒落。而对于锚杆本身来说，锚杆本身承担的拉力源于被悬吊的岩体的本身重量，然后依据这个认识来设计锚杆的支护参数。
（2）锚杆的组合梁作用
在没有较为稳定的岩层提供悬吊支点的薄层状岩层里，通过锚杆的拉力把这些层状地层有机地组合起来，最终形成组合梁结构进行巷道围岩的支护。组合梁作用的实质就是利用锚杆的预拉应力把我们原看作叠合梁(板)的某些岩层相对的挤紧，进而大幅度地加强岩层间的相互摩擦力。而且锚杆自身同样会提供某种程度的抗剪切的作用，来相对阻止他们的层间的相对错动。利用这些锚杆将数层相对薄的岩层组合成像是用铆钉加固的组合梁结构，当这个时候，被我们锚固的岩层就能够当成组合梁，全部的锚固岩层都可以一起进行变形，顶板岩层抗弯刚度同样会有较为显著的增强。
（3）减跨理论
减跨理论是建立在上述两种组合梁和悬吊理论的基础上的，这种理论将两者的有机的结合起来。这种理论既强调锚杆的悬吊作用，又强调锚杆对顶板的缝合作用。这种理论将相对而言较为不稳定的顶板岩层视为是支撑在两帮的叠合梁(板)。人们在进行巷道围岩支护的时候，锚杆可以越过叠合梁并且锚固在相对而言较为稳定的岩层里面。当施加紧固以后，锚杆一方面能够很好地将这些岩层缝合成有机的组合梁，与此同时，另一方面又能够很好地将组合梁悬吊在相对而言较为稳定的一些岩层里面。在紧固端处就相当于构成了一个较为稳定的支点。这样就能够在一定程度上使岩石相对难以产生变形与破坏。
2、影响锚杆支护巷道围岩稳定的因素
（1）巷道围岩应力
随着煤矿开采深度的增加，煤矿巷道周围承受的压力增大，岩体结构的控制作用在很大程度上受岩体内的应力和岩体(煤层)赋存环境的影响。围岩的应力环境取决于岩体(煤层)的赋存环境和工程活动。环境因素包括地应力、地下水、煤层厚度、煤层倾角等。影响巷道围岩应力的环境因素有原岩应力、巷道埋深、断面形状、采掘应力等。
（2）支护时间、巷道掘进速度
随着煤矿开采进度的进行，需及时对巷道进行锚杆支护，巷道开挖后在围岩表面为二向受力状态，围岩径向应力的变化越来越大，如不及时进行锚杆支护，可能使围岩在应力的作用下不断变形，在支护时间上要准确掌握时机，另外巷道掘进的速度影响到巷道围岩和支护体的力学状态。速度过慢会造成支架)围岩共同作用体系的破坏而处于不稳定状态，影响安全生产。
3、煤矿深部掘进锚杆支护的应用
3.1锚杆形式
（1）锚杆杆体，目前锚杆支护技术中使用的锚杆均是钢锚杆，随着技术的发展，左旋螺纹钢锚杆被制造出来并应用在锚杆支护中，这种锚杆是采用优质钢材轧制而成的，其强度比普通的杆体高，3~4倍，达到了高强度、超强度的级别，在高应力区的巷道支护中有着很好的应用效果，且由于其表面有纹理，不需要再对其进行特殊的处理就能是锚杆和锚固剂之间有较大的粘结力，有效地提高了围岩的强度和刚度，在高应力区巷道，尤其是服务时间较长的巷道中的作用十分显著。
（2）锚固方式，锚杆支护中锚杆的锚固方式有很多中，其中最常用的时树脂锚固式，这种方式的锚固力较大，稳定可靠，且安装方便，是一种比较理想的锚固方式。在锚固中，根据锚固长度的不同有全长锚固、端锚固和加长锚固。使用全长锚固方式锚杆能够提供较大的支护力，锚固体的刚度和强度都比较大，且就算局部出现问题，对整体的锚固影响也不大，但这种方式需要的树脂量大，施工难度较大，成本较高&端锚固使用的树脂量小、费用低，但锚杆的尾端承受压力较大，尾端的螺丝和锚杆的附件容易被破坏，且局部有问题会直接导致整根锚杆失去作用，一般只在围岩整体性较好巷道中才使用这种锚固方式&加长锚固的锚固力比全长锚固略低，但要明显高于端锚固，在施工中，使用的树脂量也不是太大，在一些围岩完整性相对较好的巷道中，会使用采用这种方式。
3.2深部煤巷锚杆支护监控设计法
在深部掘进锚杆支护施工前，需对锚杆支护的参数进行精确的设计计算，目前常用的设计方法是一种动态设计方法，该方法是以对地应力场及其对巷道稳定性的影响方式，围岩变形失稳规律，锚杆支护机理与支护特性3个方面的正确认识为理论依据，以现场调查、工程实例为依托手段和表现形式，以解释实测和观测结果从而实施监控所应遵循的工程准则为核心内容的一种系统性的煤巷锚杆支护设计方法。分析岩体条件，对于具体巷道作细致的调查分析，弄清楚围岩的岩石强度，岩石性质，以及岩体的节理裂隙发育程度、沉积变化和构造影响等。初步设计，根据调查的岩体，采动构造条件，试验资料及同类条件的工程实践等，借助于工程类比确定支护结构、形式和参数，对支护参数进行预设计，并在实施过程中根据工程反馈的信息作出修改。矿压观测，了解巷道施工与初步设计的一致性，并排除施工质量影响因素。矿压观测采用常规观测法，观测巷道围岩变化和顶板离层量，观测锚杆受力以及锚杆、锚索应力检测，观测结束后，对矿压观测数据进行全面分析，评价巷道支护设计的适应性，合理性及存在的问题，提出修改意见，使其不断完善。
3.3施工技术要求及保障措施
在锚杆支护技术施工中，须按照设计和相关的施工要求进行。锚杆间的误差范围要控制在50mm。短掘、快锚、及时支护，最大控顶距不得超过2.4m，顶板破碎时不得超过1. 0m，锚索紧跟工作面。以下五采3、左五路深部煤层煤巷支护参数进行预设计:斜顶矩形，锚、索、网联合支护，锚杆1. 0×1. 0m，锚索2m一对。锚杆(索)孔采用单体风动锚杆钻机施工，保证三径匹配合理，孔深误差正负30mm，钻孔角度符合规定，必须清孔。保证锚固力，锚固剂按规定使用，尤其搅拌时间必须保证使锚杆达到设计预紧力。
结语
通过开展锚杆强化支护体系的应用研究，采用超高强预应力组合锚杆支护技术及各种补强措施，充分调动围岩自身承载能力，有效控制了巷道围岩变形，实现了巷道长期稳定，满足了矿井的安全、高效、稳定、和谐发展，并为该类煤层巷道推行锚杆支护技术提供了参考和借鉴。全煤巷道组合锚杆支护技术对于顶、帮煤体支护效果好，形成锚固平衡拱，有效地保持了其完整性和稳定性，巷道在整个服务期限内不需维护，简化了综采面端头的维护工序，确保了综采面稳产高产及安全生产。基于动态设计思想进行巷道支护设计，从而克服以往设计方法的不足，对在煤巷中推广和发展锚杆支护技术有着重要的现实意义。
参考文献
[1]赛云秀,现代矿山井巷施工技术,西安:陕西科学出版社, 2000
[2]何满朝等,5中国煤矿锚杆支护理论与实践6,北京:科学出版社,2004
[3]袁和生,5煤矿巷道锚杆支护技术6,北京:煤炭工业出版社, 1997
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