煤礦巷道影響錨桿支護(hù)質(zhì)量的因素淺析

前言

　　 目前, 錨噴技術(shù)在煤礦巷道支護(hù)中雖已廣泛應(yīng)用, 但在實(shí)際施工中由于多種因素, 錨噴支護(hù)質(zhì)量受到嚴(yán)重不良影響。

　　錨噴支護(hù)首先在支護(hù)形式和理論有所突破, 將被動支護(hù)變?yōu)榉e極主動地支護(hù)方式, 有效地保持了圍巖的穩(wěn)定性和整體性; 其次, 錨噴支護(hù)可以最大化發(fā)揮圍巖自身的支撐作用, 將圍巖從荷載轉(zhuǎn)化成為載體, 有效地抑制了圍巖的位移和變形。最終使圍巖、錨噴層和錨桿形成一個(gè)有機(jī)的整體, 在三者的共同作用下, 圍巖巖體的整體性得以保持。

　　2 影響錨桿支護(hù)質(zhì)量的因素

　　錨桿的支護(hù)作用主要是通過圍巖的相互作用來實(shí)現(xiàn)的。其表現(xiàn)形式為: 徑向和切向錨固力的作用,以此來提高圍巖的穩(wěn)定性。目前錨桿支護(hù)初始設(shè)計(jì)方法主要有: 工程類比法、理論計(jì)算方法和數(shù)值計(jì)算方法的結(jié)合。由于在支護(hù)設(shè)計(jì)理論研究方面還有許多的欠缺, 在我國目前主要是采用工程類比的方法進(jìn)行錨桿的初始設(shè)計(jì), 在定量設(shè)計(jì)方面突破不大。在測試技術(shù)和手段、支護(hù)材料、支護(hù)的可靠性等方面與國外發(fā)達(dá)國家仍然有很大的差距。

　　2. 1 錨桿材質(zhì)對支護(hù)質(zhì)量的影響。錨桿常用的金屬材料多采用Q235(A3)圓鋼作為錨桿桿體, 其屈服強(qiáng)度為240MPa。這種材料的力學(xué)性能直接影響著錨桿的強(qiáng)度和可延伸性等力學(xué)性能, 再加上加工工藝的局限性使其錨尾有效直徑比錨桿實(shí)際公稱直徑小1.8 mm―2.1 mm, 截面面積減少20%―25%。大量研究表明, 錨尾的受力十分復(fù)雜, 不但承受軸向拉應(yīng)力, 還要受到彎曲應(yīng)力的作用, 工作條件惡劣, 受力大, 因此, 要求錨尾的螺紋強(qiáng)度有效截面直徑不小于桿體的實(shí)際公稱直徑。采用高強(qiáng)度或者超高強(qiáng)度金屬材料作為桿體材料, 可以大大提高錨桿的力學(xué)性能。比如采用16Mn鋼并對其進(jìn)行冷拉、滾絲處理, 或者選用20MnSi鋼對其經(jīng)特殊工藝熱軋為左旋無縱筋螺紋鋼錨桿, 可以使其屈服強(qiáng)度提高到650MPa, 這樣會提高錨桿的適用范圍。近年來, 各國正大力發(fā)展高強(qiáng)、超高強(qiáng)錨桿, 破斷荷載一般為200kN ― 300kN。例如澳大利亞研究的HS1045高強(qiáng)度錨桿用鋼等。

　　2. 2 錨固劑對支護(hù)質(zhì)量的影響。錨固劑材料原先都是采用快硬水泥錨固劑, 這種錨固劑在使用過程中, 存在水灰比難于掌握、凝結(jié)時(shí)間長、施工難度大、人為因素影響波動大等缺陷。錨桿與圍巖緊密接觸, 可以使錨桿與巖體之間具備良好的傳力性能。采用樹脂錨固劑可以使桿體強(qiáng)度大大提高, 尾部螺紋強(qiáng)度基本上與桿體本身等強(qiáng)。

　　樹脂錨固劑可以縮短固化時(shí)間, 安裝后15min, 樹脂固化程度就可以達(dá)到80%―90%。與傳統(tǒng)錨固劑相比樹脂錨固劑具有: 初錨力大、錨固可靠、超早強(qiáng)、微膨脹、承載快、便于操作等特性, 可以減少人為因素的影響, 達(dá)到最佳的錨固效果。近年來隨著礦井開采深度的增加和地質(zhì)條件的不斷變化, 使樹脂錨固劑的應(yīng)用研究也進(jìn)一步拓寬。

　　2. 3 錨桿錨固形式對支護(hù)質(zhì)量的影響。在我國煤礦巷道錨噴支護(hù)所選用的錨桿直徑大部分在14mm――20mm 之間, 鉆孔直徑在32mm ―42 mm 之間, 這時(shí)端錨錨桿的桿體與鉆孔壁之間有15 mm 左右的空隙, 空隙使得錨桿切向錨固力得不到充分的發(fā)揮。在采用全錨錨桿時(shí), 錨桿與鉆孔壁之間的空隙被錨固劑所填充, 當(dāng)圍巖發(fā)生變形時(shí), 全錨錨桿切向錨固力可以及時(shí)承載, 起到支護(hù)巷道的效果。全長錨桿不但比端錨錨桿錨固力大, 而且其徑向錨固剛度也比端錨錨桿要大, 而端錨錨桿也只能在桿體的兩端起到作用, 其徑向錨固力也增長的很慢?，F(xiàn)在大多數(shù)煤礦采用端錨錨桿錨固, 雖然端錨錨桿錨固操作簡單, 經(jīng)濟(jì)實(shí)用, 但是端錨錨桿對于圍巖松軟、破碎、地應(yīng)力大的巷道的支護(hù)有著其局限性, 只有采用全長錨固錨桿才能克服端錨錨桿的局限性。

　　全長錨固錨桿與端錨錨桿相比具有以下優(yōu)勢:全長錨固時(shí), 錨桿及圍巖的受力狀態(tài)好, 實(shí)際錨固力大; 全長錨固可以使錨桿具有較高的錨固力和抗剪能力; 全長錨固能有效地提高錨桿支護(hù)系統(tǒng)的剛度,限制圍巖變形的發(fā)生; 全長錨固可有效地約束頂板圍巖的變形和位移。

　　2. 4“ 三徑”匹配不合理對支護(hù)質(zhì)量的影響?！叭龔健逼ヅ洳缓侠硎侵稿^桿的直徑、孔徑、錨固劑直徑三徑匹配不合理。鉆孔的直徑與錨桿直徑相差過大或者過小時(shí)錨桿的錨固力就會很小, 鉆孔直徑過大時(shí), 錨桿不能有效地刺破樹脂藥卷和均勻地?cái)嚢杌旌襄^固劑; 過小時(shí)錨固劑得不到有效的空間, 只有達(dá)到合理的匹配后才能獲得最大的錨固力。在保證能夠順利安裝的條件下, 樹脂藥卷的直徑應(yīng)該盡量地增大, 使其能夠充分固化, 使錨桿獲得最大的錨固力。樹脂藥卷直徑較大時(shí)可以減少樹脂在孔中的原始長度, 當(dāng)巷道高度較小時(shí)可以使錨桿安裝時(shí)有足夠的空間。由于“三徑”匹配不合理使煤巷錨桿支護(hù)失效形式主要有: 錨桿與錨固劑同時(shí)沿著鉆孔壁滑動; 錨桿可以從錨固劑中拔出; 錨固劑被剪切破壞。

　　2. 5 錨桿支護(hù)時(shí)間對支護(hù)質(zhì)量的影響。煤礦巷道在開挖后, 圍巖的受力狀態(tài)發(fā)生了改變, 由原來的三向變?yōu)槎蚴芰顟B(tài), 變形和位移開始加大。如果這時(shí)得不到及時(shí)支護(hù), 就有可能對巷道的安全造成隱患, 準(zhǔn)確把握支護(hù)時(shí)間, 對于巷道支護(hù)效果至關(guān)重要, 在工程實(shí)踐中, 一般從放炮到錨桿的安裝以不超過4h為宜, 在一些穩(wěn)定性較差的巖層中, 支護(hù)應(yīng)緊跟工作面, 以不超過2h為宜。

　　3   噴射混凝土對支護(hù)質(zhì)量的影響

　　噴射混凝土在煤礦錨噴支護(hù)可以防止巷道壁面風(fēng)化; 加固和改善圍巖應(yīng)力狀態(tài); 降低應(yīng)力集中, 避免應(yīng)力集中點(diǎn)的有害移動; 混凝土漿液嵌入裂縫, 增強(qiáng)松動巖塊間粘結(jié)力; 防止危石或者錨桿間危石墜落; 可以使掘進(jìn)工作面淋水集中, 便于處理。

　　3. 1 混凝土材料對支護(hù)質(zhì)量的影響。錨噴用混凝土應(yīng)當(dāng)采用普通硅酸鹽水泥, 這種水泥凝結(jié)硬度快, 保水性好, 早期強(qiáng)度增長快?？墒腔鹕交屹|(zhì)水泥、礦渣水泥的性質(zhì)與它相反, 故不宜采用, 且標(biāo)號以不低于400 號為宜。粗骨料石子使用前應(yīng)進(jìn)行篩選, 河卵粒徑應(yīng)不大于25mm, 碎石粒徑應(yīng)不大于20 mm, 級配適中, 應(yīng)不含有雜質(zhì), 實(shí)驗(yàn)表明, 選用級配適當(dāng)?shù)男×剿槭鳛閲娚浠炷凉橇洗婧由? 可獲得良好的噴射混凝土效果。速凝劑的摻量必須嚴(yán)格進(jìn)行控制, 而且應(yīng)在噴射前的最短時(shí)間內(nèi)加入, 盡量做到隨攪隨噴, 否則,對速凝效果和混凝土質(zhì)量都有不良影響。據(jù)實(shí)驗(yàn)資料表明, 摻速凝劑后, 混凝土的后期強(qiáng)度會有明顯的降低, 與不摻速凝劑時(shí)對比, 強(qiáng)度降低20 % ~30%, 抗?jié)B性和收縮性也會有所下降, 當(dāng)速凝劑的用量大于7% 時(shí), 會產(chǎn)生一種水泥的急凝現(xiàn)象, 會大大降低混凝土的強(qiáng)度。

　　隨著建材行業(yè)的快速發(fā)展, 一些水泥廠相繼研制出來了超早強(qiáng)水泥、煤矸石速凝早強(qiáng)水泥和噴射水泥, 并在井下做了噴射混凝土支護(hù)工業(yè)性實(shí)驗(yàn), 顯示出了速凝、快硬、早強(qiáng)、高強(qiáng)和微膨脹等優(yōu)良技術(shù)性能。

　　3. 2 混凝土噴射過厚對支護(hù)質(zhì)量的影響?；炷羾妼拥淖饔弥饕w現(xiàn)在2個(gè)方面, 一是起著參與并形成組合拱結(jié)構(gòu)的作用, 為了起到這個(gè)作用, 必須是混凝土噴層與圍巖緊密結(jié)合并伴隨著圍巖的變形而不發(fā)生離層的現(xiàn)象, 所以噴層并不是越厚越好, 隨著混凝土噴層厚度的增加, 其剛度也隨之增加, 這就使得噴層與圍巖容易發(fā)生離層現(xiàn)象, 從而最終導(dǎo)致巷道的破壞。二是起到保護(hù)巷道不被侵蝕的作用。在工程實(shí)踐中, 一般巷道混凝土噴層以80mm―― 120 mm 為宜; 對于穩(wěn)定的巷道, 也可在30mm――50mm 之間; 對于噴層厚度在50mm――100mm以上時(shí), 應(yīng)該分層噴射, 以達(dá)到噴射效果, 并可降低成本。

　　3. 3 噴射混凝土工藝對支護(hù)質(zhì)量的影響在實(shí)際操作中, 由于工作風(fēng)壓、噴頭與受噴面的距離、噴射方向等混凝土噴射工藝的問題導(dǎo)致混凝土回彈率高, 目前回彈率一般在30%, 一些礦井甚至高達(dá)40%――50% , 嚴(yán)重影響支護(hù)質(zhì)量、成本和勞動效率。

　　實(shí)踐表明, 正確的控制噴射風(fēng)壓對于減少回彈率、保證混凝土的質(zhì)量和降低噴射作業(yè)時(shí)的粉塵飛揚(yáng)都有良好的效果。中國建筑科學(xué)院曾用下式計(jì)算風(fēng)壓:

　　空載壓力= 輸料管長度(m) x 0.013 x 105 Pa。

　　工作壓力= 1 + 輸料管長度(m) x 0. 013 x 105 Pa。

　　調(diào)節(jié)噴頭至噴面的距離, 可以保證噴射混凝土的回彈率最小, 并獲得較高的噴體強(qiáng)度。距離一般掌握在0. 8m―1. 2m 為宜。噴頭噴射方向與受噴面垂直時(shí)回彈率最小, 除了噴巖幫側(cè)墻下部時(shí), 噴頭的噴射角可下俯100°―150°外, 其余情況始終要與噴射方向垂直。

　　4 煤礦錨噴支護(hù)中應(yīng)該采取的措施

　　通過分析錨噴支護(hù)中存在的問題, 提出了解決這些問題的一些措施, 為錨噴支護(hù)的改進(jìn)與完善提供借鑒。主要途徑如下:

　　a. 完善錨噴支護(hù)的監(jiān)測工作。錨噴支護(hù)是一種隱蔽性很強(qiáng)的工程, 只有完善錨噴支護(hù)的監(jiān)測工作才能確保巷道的安全可靠性。由于理論和技術(shù)條件的限制, 錨噴支護(hù)技術(shù)必然存在支護(hù)不足區(qū)域, 只有采用各種監(jiān)測方法, 及時(shí)地發(fā)現(xiàn)問題, 才能最大限度地控制事故的發(fā)生。

　　b. 選擇合理的錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)。由于井下地質(zhì)條件復(fù)雜, 巖體結(jié)構(gòu)多變, 在應(yīng)用錨噴支護(hù)技術(shù)時(shí)必須根據(jù)具體情況分析, 因地制宜, 制定合理的錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)。開發(fā)推廣適用性強(qiáng)的錨噴聯(lián)合支護(hù)形式, 如錨噴網(wǎng)支護(hù)、錨噴網(wǎng)加型鋼聯(lián)合支護(hù)等。

　　c. 進(jìn)一步研究錨噴支護(hù)機(jī)理, 完善支護(hù)工藝。研究高強(qiáng)度噴射混凝土及高強(qiáng)度的錨桿、錨索等支護(hù)材料, 以解決深部巷道錨噴支護(hù)問題。

　　d. 建立一套合理的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法。隨著新奧法、收斂約束法在國際上的流行, 美國、澳大利亞等國采用了“地質(zhì)力學(xué)評估- 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬進(jìn)行初始設(shè)計(jì)- 現(xiàn)場施工、監(jiān)測- 信息反饋、修改完善設(shè)計(jì)“的設(shè)計(jì)方法。

　　e. 煤層巷道中采用錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。由于煤礦綜放面回采巷道斷面大, 圍巖松軟變形大, 采用單一的錨桿支護(hù)已難以適應(yīng)。在煤層巷道中采用錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù), 變得越來越普遍。錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù)既能最大限度地發(fā)揮錨桿和錨索各自的支護(hù)性能, 又能根據(jù)其各自的支護(hù)特性, 聯(lián)合取得最大的支護(hù)效果。