錨桿失效機(jī)理及其控制研究

　　錨桿支護(hù)是一種兼有支架和加固圍巖(煤壁)作用的控制技術(shù),它技術(shù)含量高、施工成本低、支護(hù)效果好、操作方便快捷,是當(dāng)前國內(nèi)較先進(jìn)、極具推廣潛力的支護(hù)形式。
　　近年來,隨著錨桿支護(hù)理論及設(shè)計方法的不斷完善,錨桿支護(hù)以其顯著的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢已逐漸成為煤礦巷道的重要支護(hù)形式。實踐應(yīng)用表明,錨桿支護(hù)能主動地加固圍巖,并與圍巖共同承載,最大限度地保持圍巖的完整性、穩(wěn)定性,有效地改善礦井支護(hù)狀況,具有降低支護(hù)成本、加快施工進(jìn)度、降低勞動強(qiáng)度、提高巷道斷面利用率等優(yōu)點。但錨桿支護(hù)通常為隱蔽工程,錨桿材質(zhì)選擇不當(dāng)、錨桿支護(hù)設(shè)計參數(shù)的不合理、地質(zhì)條件的不斷變化、施工質(zhì)量不能滿足設(shè)計要求等直接導(dǎo)致錨桿失效,造成頂板破壞,甚至引發(fā)事故。
　　
　　一、錨桿失效的機(jī)理及分析
　　
　　(一)錨桿質(zhì)地因素
　　錨桿質(zhì)地的好壞直接影響到支護(hù)質(zhì)量的優(yōu)劣。錨桿包括很多組成部分,其中錨桿桿體、托板、螺母、錨固劑等是比較重要的幾項,它們的規(guī)格、性能、強(qiáng)度與整個結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)匹配至關(guān)重要。質(zhì)地因素造成錨桿失效的情形如下:
　　
　　1.桿體斷裂失錨。錨桿桿體質(zhì)地較差,不能承受圍巖應(yīng)力而斷裂;采用車絲法加工絲扣時,破壞了桿體的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致絲扣段產(chǎn)生應(yīng)力集中而斷裂。
　　2.托板(托盤)失效失錨。常見的錨桿托板(托盤)的失效有3種情況:托板(托盤)質(zhì)地較差,碎裂失效;托板(托盤)尺寸、厚度達(dá)不到設(shè)計要求,強(qiáng)度降低變形失效;托板(托盤)與桿體脫離失錨。
　　3.螺母失效失錨。錨桿螺母失效主要表現(xiàn)為:螺母扭力太小、扭矩不夠,托板不能緊貼巖面(預(yù)緊力小)失錨。
　　4.錨固劑粘結(jié)失效失錨。錨固劑粘結(jié)失效主要是因為操作時攪拌不充分或工序不當(dāng),造成粘結(jié)力下降;眼孔深度、直徑與錨固劑直徑不匹配,桿體凝結(jié)面積小;眼孔內(nèi)巖塵、煤粉、水等雜質(zhì)未清理干凈,使錨固劑粘結(jié)性能降低;錨固劑質(zhì)量差,粘結(jié)性能低。
　　(二)錨桿支護(hù)參數(shù)因素
　　錨桿支護(hù)參數(shù)主要包括:錨桿種類、錨桿幾何參數(shù)、錨桿力學(xué)參數(shù)、錨桿密度(錨桿間、排距)、錨桿安裝角度、鉆孔直徑、孔深、錨固方式和錨固長度、錨桿預(yù)緊力矩或預(yù)緊力、錨桿錨固力拉拔試驗結(jié)果。支護(hù)參數(shù)的設(shè)計不可能將各種地質(zhì)變化情況考慮在內(nèi),這就存在著很多不確定因素,使支護(hù)設(shè)計出現(xiàn)局限性和缺陷性。在施工過程中,遇到巷道斷面、不同的圍巖性質(zhì)等特殊地質(zhì)情況后,不能及時對變化后不合理的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行修正,最終可能導(dǎo)致錨桿失效。
　　(三)地質(zhì)因素影響
　　巷道掘進(jìn)過程中遇到地質(zhì)變化,如:松軟巖層、無炭柱、沖刷帶、頂板淋水增大、應(yīng)力集中等情況,頂板多數(shù)較為破碎,致使錨桿在巖體中的錨固距離內(nèi)不能形成有效的錨固力。當(dāng)頂板受壓后,煤巷錨桿失效造成頂板離層,導(dǎo)致頂板事故。若巖(煤)性軟及壓力大,圍巖破壞就會迅速,進(jìn)而造成錨桿錨空失錨。煤層節(jié)理、裂隙發(fā)育也是造成煤巷錨桿失效的原因之一。
　　以大雁煤田為例,大雁煤田屬低強(qiáng)度,弱膠結(jié),強(qiáng)膨脹,大變形巖體,煤層相對較硬,但層、節(jié)理發(fā)育,二礦主采煤層在掘進(jìn)施工中,綜掘工作面迎頭及兩幫爆幫嚴(yán)重,截割頭割煤后,工作面迎頭爆煤深度局部可達(dá)1.0～1.5m,兩幫可達(dá)0.1～0.3m,炮掘工作面不能實現(xiàn)光爆。在巷道兩肩處,不需爆破,在掏槽眼等爆轟波動沖擊下自行垮落,巷道成形差,在施工后5～7天內(nèi)由于幫頂煤體風(fēng)化脫落,以及炮掘工作面爆轟波對錨桿附近圍巖的沖擊,局部錨桿出現(xiàn)“塔墩”現(xiàn)象或出現(xiàn)錨桿失效,最終導(dǎo)致錨桿失效。因此層、節(jié)理發(fā)育不能實現(xiàn)光爆及煤層風(fēng)化脫落是錨桿失效的原因之一。
　　(四)施工質(zhì)量因素的影響
　　錨桿支護(hù)的施工工藝比較繁瑣,人為因素很多,如鉆孔直徑、錨固劑直徑、錨桿直徑得合理搭配,幫錨桿孔內(nèi)粉末的處理程度,樹脂藥卷的攪拌時間,錨桿眼的設(shè)計角度,錨桿預(yù)應(yīng)力的大小及初錨力的大小,托盤與煤壁接觸的緊密程度等。每一道工藝過程的實施對錨桿支護(hù)質(zhì)量的影響均較大。因此,諸多人為因素是導(dǎo)致錨桿失效的重要因素。
　　
　　二、控制錨桿失效的基本措施
　　
　　(一)錨桿質(zhì)地的正確選擇
　　1.錨桿桿體一般選用成本低、易加工、抗拉性能好的材料作為桿材。絲扣加工采用滾絲法或?qū)ξ膊窟M(jìn)行熱處理或整體調(diào)質(zhì),以提高桿體抗拉強(qiáng)度。
　　2.托板選用碳素鋼或鑄鐵加工,預(yù)防桿體脫離可在螺母與托板間加設(shè)墊圈或改變螺母、托板尺寸。
　　3.按規(guī)定螺母扭矩不應(yīng)小于140N?m,操作時應(yīng)使用扭力板手隨時檢查。
　　4.針對錨固劑粘結(jié)失效現(xiàn)象,眼孔深度應(yīng)大于桿體長度20~30mm;眼孔直徑R與錨固劑直徑r關(guān)系為:R=r+2~4 (mm);16×1800(mm)端錨錨桿設(shè)計承載能力為50kN時用藥1卷,藥卷規(guī)格28×400 (mm),設(shè)計承載能力為70kN(用藥3～4卷,藥卷規(guī)格35×370(mm);眼孔內(nèi)雜質(zhì)清理干凈,保證凝結(jié)效果;加大檢查力度,確保使用錨固劑保質(zhì)保量。
　　(二)錨桿支護(hù)參數(shù)的合理設(shè)計
　　運用松動圈理論及錨桿懸吊作用理論計算,根據(jù)不同巷道斷面、不同的圍巖性質(zhì),確定不同的錨桿支護(hù)參數(shù)。在錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計中,力求充分考慮地質(zhì)變化情況,保證在施工過程中,根據(jù)地質(zhì)情況的變化,相應(yīng)修改支護(hù)參數(shù),減少錨桿失效發(fā)生的幾率。
　　1.根據(jù)需要支護(hù)的巷道的地質(zhì)條件布置選擇相應(yīng)的錨桿。采用錨桿支護(hù)的煤巷頂板必須采用樹脂錨固錨桿,煤幫錨桿可以根據(jù)圍巖特性進(jìn)行選擇。對于遇頂板破碎帶、陷落柱、沖刷帶、褶曲等地質(zhì)條件,且?guī)r性較軟,層理、節(jié)理發(fā)育,應(yīng)盡量選擇高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿組合支護(hù),并進(jìn)行加長或全長錨固。
　　2.錨桿幾何參數(shù)包括直徑、長度等,傾斜錨桿長度應(yīng)保證錨桿錨固長度伸入煤體上方,中部、頂部錨桿長度盡量使傾斜和垂直錨桿長度一致,并考慮巷道幫與穩(wěn)定巖層的距離選擇合適的錨桿長度;錨桿直徑要根據(jù)圍巖特點進(jìn)行合理的設(shè)計。此外,在施工過程中錨桿的幾何參數(shù)也需進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚赃m應(yīng)不斷變化的圍巖特性。
　　3.錨桿設(shè)計要明確錨桿力學(xué)參數(shù)(屈服載荷、拉斷載荷、延伸率),減小其離散性帶來的影響。
　　4.選擇合適的錨桿間、排距,對于充分發(fā)揮錨桿支護(hù)尤為重要。間距、排距的確定必須依據(jù)錨桿支護(hù)設(shè)計,錨桿密度不宜太大或太小。此外,還應(yīng)根據(jù)地質(zhì)的變化情況,及時修正錨桿間、排距,保證支護(hù)強(qiáng)度,減少頂板事故。
　　5.錨桿安裝角度的設(shè)計。頂板內(nèi)部錨桿安裝角度應(yīng)大于75°,巷道肩部的角錨桿必須傾斜布置,且與組合構(gòu)件連接,與垂向夾角約為30°±5°。
　　6.設(shè)計中必須確定科學(xué)的鉆孔直徑、錨桿直徑、錨固劑直徑,以保證這三個數(shù)值匹配。鉆孔直徑與錨桿桿體直徑之差應(yīng)為4～10mm,鉆孔直徑與固劑直徑之差應(yīng)為3～5mm,孔深度不超過錨桿長度50 mm。
　　7.錨桿預(yù)緊力和錨固力對于支護(hù)效果起著十分重要的作用。根據(jù)生產(chǎn)實踐,在錨桿支護(hù)設(shè)計中,預(yù)緊力矩或預(yù)緊力、錨桿錨固力設(shè)計合理值為:頂錨桿錨固力大于100kN,預(yù)緊力矩大于120N?m;幫錨桿錨固力:金屬桿體70kN以上,玻璃鋼桿體50kN以上,預(yù)緊力矩大于80N?m。
　　(三)地質(zhì)變化時及時采取相應(yīng)措施
　　加強(qiáng)地質(zhì)監(jiān)測,適時修正錨桿支護(hù)設(shè)計參數(shù)。采用錨桿支護(hù)方式的同時,如遇到受爆破、風(fēng)化作用脫落,使錨桿體之間巖塊破碎垮落,降低圍巖承載能力的情況,可采取在錨桿體之間增加錨帶、錨索,或全斷面增加金屬網(wǎng)、混凝土噴層的辦法,來提高圍巖的整體承載能力。如果遇到煤體較軟或其他地質(zhì)構(gòu)造,掘后巷道成型困難,可采用注漿錨桿,固化煤體,然后加大錨桿、錨索密度,加長錨桿、錨索的錨固距離,采用金屬網(wǎng)補強(qiáng)支護(hù)等,防止錨桿失效。
　　(四)錨桿支護(hù)用品的嚴(yán)格檢測
　　質(zhì)檢部門要負(fù)責(zé)對每批次錨桿支護(hù)用品的材質(zhì)、物理化學(xué)性能、機(jī)械性能等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、支護(hù)設(shè)計要求的有關(guān)指標(biāo)進(jìn)行檢測試驗,對于檢測不合格的產(chǎn)品定期向有關(guān)部門、各生產(chǎn)使用單位進(jìn)行通報,嚴(yán)禁下井使用。
　　(五)施工不當(dāng)?shù)挠行Э刂?
　　強(qiáng)化職工培訓(xùn),使其了解施工工藝、技術(shù)要求、機(jī)具的操作方法,提高職工業(yè)務(wù)水平;井下作業(yè)現(xiàn)場配齊各種檢測工具,如錨桿拉力計、力矩搬手等,確保小班的施工質(zhì)量驗收;錨桿支護(hù)各項施工工藝必須嚴(yán)格按照掘進(jìn)工作面作業(yè)規(guī)程的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行;建立完善的錨桿支護(hù)的礦壓監(jiān)測制度,加強(qiáng)日常監(jiān)測,及時修正錨桿設(shè)計參數(shù)。提高掘進(jìn)機(jī)械化程度,減少爆破掘進(jìn),從而降低爆破對錨固質(zhì)量的影響。
　　
　　三、結(jié)論
　　
　　在認(rèn)識到錨桿失效原因的基礎(chǔ)上,我們應(yīng)該深入研究采取何種有效措施降低失效率。同時各礦區(qū)應(yīng)該加強(qiáng)對錨桿支護(hù)質(zhì)地的檢測、加大監(jiān)督力度及時修正錨桿支護(hù)設(shè)計的參數(shù)、加強(qiáng)施工管理、提高施工人員的業(yè)務(wù)素質(zhì),進(jìn)而提高錨桿支護(hù)巷道的支護(hù)質(zhì)量。