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快速掘进中锚杆支护技术分析

发表时间：2021/6/3 来源：《基层建设》2021年第2期作者：孙成发

[导读] 摘要：在煤矿快速的掘进中，锚杆支护的技术发挥着重要的作用，它能够有效改变巷道支护的状况，促进安全和稳定生产。

        安徽恒源煤电股份有限公司五沟煤矿安徽濉溪 235100
        摘要：在煤矿快速的掘进中，锚杆支护的技术发挥着重要的作用，它能够有效改变巷道支护的状况，促进安全和稳定生产。因此，研究快速掘进中锚杆支护技术具有重要意义。下面笔者就对此展开探讨。
        关键词：快速掘进；锚杆支护；支护技术；
        引言
        锚杆是一种支撑结构，具体位置是在巷道围岩内部。使用锚杆支撑巷道，在巷道开挖过程中钻孔然后将锚杆插入其中，并通过该系统的结构来加固附近的围岩结构，保障采矿工作在安全的条件下进行。
        1锚杆支护原理
        1.1悬吊作用
        悬吊功能主要是指通过将悬架将锚杆固定在岩石上，并且连接上即将塌陷的岩石，通过锚杆来共同承受岩石的总重量。
        1.2组合梁作用
        组合梁就是由多层梁重叠在一起组成的结构形式。在非常大的外部负载的作用下，由于压力的作用，每一层的梁和板将具有单独的弯曲力矩。一个单独的梁结构因承载能力不强很容易被破坏，但是，所有平板梁都用锚杆压缩后，所有支撑层将形成一个统一的整体。
        1.3加固作用
        将锚杆安装在巷道周围区域后，锚杆发挥其自身作用将内部岩石碎块全部合并在一起，同时，在一定的程度上形成具有超强承载能力的连续、整体拱形构件，共同构成了一个坚固的承载结构。对于来自周围岩石的整体重量和顶板上的压力，组合承载结构可以共同承担，减少风险。
        1.4减跨作用
        锚杆在巷道中进行设置的好处在于可以有效减小整体结构的尺寸。例如将锚杆设置在巷道的中间部位，该锚杆的功能就是支撑构件，并且可以连接边上两个曲面的结构。如果在这个位置再加2根锚杆，那么整个区域就会被分成4个小拱。于是，承载力也会被均分，每个小拱的承载能力是原始拱门的四分之一，整体结构更加安全稳定。
        1.5围岩加固作用
        位于巷道深处的围岩会受到三维力的作用，但是有一侧的围岩会受到来自2个方向的力的作用。这个三维的力和二维的力明显不平衡。于是，系统受到不稳定力的作用，结构很容易被破坏。将锚杆安装在巷道中后，基本结构就会都受到3个方向的力，大大提高了系统的强度。此外，锚杆的另一个重要功能是增强薄弱区域的抗剪强度，改善围岩的稳定性并防止坍塌。
        2工程概述
        某煤矿在15#煤层开采中，矿井原来锚杆支护是锚杆、金属网和钢筋的梯子梁方式，顶板的锚杆材料是高强度的螺纹钢，是Φ20mm×2.4m的规格，间排距都是800mm；顶板的锚索是Φ17.8mm×5m的规格，排距达到2.4m；帮锚杆的材料也是高强度的螺纹钢，是Φ20mm×2.4m的规格，间排距都是800mm，支护断面如图1

        图 1    支护断面的示意图
        3对原锚杆支护方式的优化处理
        3.1对煤和岩层的物理力学开展试验
        按照试验的要求，针对此矿内14#的煤层、15#的煤层、14#与15#的煤层间泥岩、14#煤层的直接顶位置K2石灰岩，共4组煤和岩石的试样实施取样，后依照煤炭行业的标准开展巴西劈裂、单轴的压缩、常规三轴的压缩等试验，获取岩石的物理力学方面参数数据[2]。
        3.2支护方式的理论计算
        依据悬吊的理论，其锚杆长L是L1、L2、L3的和，且L1是锚杆外露的长度，往往为0.15m的取值，L2是锚杆有效的长度，L3是锚杆锚固的长度，通过拉拔试验对锚杆确定是0.95m长。通过自然平衡拱相关理论对松动的破碎区高度确定，要求L2和普式的免压拱高相等。若f不低于3时，则：L2=0.5B/f如f不超过2时，则：L2=[B/2+hcot（45°+，Φ/2）]/f在上式中，f表示岩石的坚固性方面系数；h表示巷道掘进的高度；Φ表示岩体内的摩擦角；而B表示巷道的宽度。按照每根锚杆所悬吊岩体的质量情况，对锚杆S1和S2的间排距计算。往往按照锚杆等距的排列进行考虑：

        在上式中，Q表示拉拔试验所确定锚固力的值；K表示锚杆安全性的系数，一般取值在1.5-2.0的范围；γ表示岩石的体积力。通过试验所测得到Q为100kN，锚杆对14#的煤层、K2石灰岩和泥岩贯穿，因此岩石的体积力就取均值，可以推算γ是20kN/m3，且K取值为2。
        根据悬吊理论实施计算，得到锚杆的长度L是2.4m，进而算出L2是1.3m，而间排距S1和S2是1.4m的值。根据自然平衡拱的理论实施计算时，岩石其平均坚固性的系数f约是3，此时通过0.5B/f对L2进行计算，从而得出L2约为0.8m，后代入到锚杆排距公式内得出S1和S2是1.76m的值。按照以上2种的计算方法获取结论，后再按照生产中巷道实际条件实施分析，选取顶锚杆的间排距是1000mm×1200mm、帮锚杆的间排距是800mm×1200mm比较合理[3]。
        3.3   支护数值的模拟分析
        通过FLAC的软件来对采矿的工程内围岩活动的规律、围岩的稳定性所涉及岩体力学的特性、支护围岩的相互作用和围岩压力等复杂性力学的问题实施研究。在此巷道的模型模拟分析中，主要分作2种支护的方案。第1种是顶板锚杆与帮锚杆间排距采取原来800mm×800mm的规格；第2种是顶板锚杆的间排距是1000mm×1200mm、帮锚杆的间排距是800mm×1200mm的规格。对参数检测，并使用计算机对数值实施模拟，就能够获取2种不同支护方式中巷道水平以及垂直位移的分布、1.2m排距下应力的分布情况。通过对这些计算机所模拟的结果分析，对于方案1的支护中，巷道的变形比较小，且顶底板的移近量在10~20mm范围，两帮的移近量在20~25mm范围，没有出现明显的底鼓。在方案2的支护中，巷道的变形也比较小，其顶底板的移近量也在10~20mm范围，而两帮的移近量在20~30mm范围，也没有明显的底鼓。这说明两种支护的方式都能够实现支护顶板效果，但方案2可以有效减少施工的时间，促进巷道的掘进速度提升。
        4 试验效果分析和比较
        在观测的时间段，此试验段内巷道的顶底板所累计达到15mm的最大变形值，而巷道两帮所累计达到10mm的变形值，顶板的离层量达到10mm的平均值，这说明了巷道的顶底板以及巷帮的变形并不大，且顶板也未发生较大离层的情况，整体的巷道具有良好稳定性。在对此工作面内两巷的支护参数实施调整前，每日的进尺约是8.5m，在把间排距从原来实施优化处理后，在进风巷道的试验段内100m的范围，沿着15#的煤顶板实施掘进，每个循环会掘进3排的长度，为3.6m，且每班掘进循环为1.5个，则每日达到14.4m的进尺，每月平均掘进量能够达到450m，比原来250m得到显著提高；同时每2.4m的掘进比原来的方法少用8根数量锚杆，对单位的巷道内所用锚杆数量实现了减少，因此不仅能够有效实现巷道掘进速度的提升，而且还能够促进经济效益的增加；另外，若采红帮锚杆和锚索滞后的安装，每班能够达到2个循环的工作，则每日能够达到20m进尺，对巷道掘进的速度进一步实现提升。
        结束语
        综上所述，在矿井快速的掘进中，锚杆支护的技术发挥着重要的作用，它能够有效改变巷道支护的状况，促进安全和稳定生产，而为了充分发挥此技术的优势，还需要做好对此技术的优化，根据实际情况财务科学的支护方案，从而为矿井的快速掘进提供保障。
        参考文献：
        ［1］安刚．采矿工程巷道掘进和支护技术的应用分析［J］．当代化工研究，2020（16）：117－118．
        ［2］权军军．煤矿高预应力、强力锚杆巷道支护技术研究［J］．能源与环保，2020（8）：245－249．
        ［3］张辉．锚杆支护巷道冒顶事故原因分析及防范措施［J］．石化技术，2020（01）：297-300．