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(kāi)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(zhǎng)期以來(lái)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(dòng)力及膨脹力等工程力動(dòng)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(zhǎng),支護(hù)十分困難,而軟巖巷道自身強(qiáng)度低,若沒(méi)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(wú)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(chēng)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(dòng)性等特點(diǎn),軟件的實(shí)質(zhì)具有相對(duì)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(chēng)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(dòng)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(huì)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(dòng)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(guò)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(lái)形成反向應(yīng)力,因此力量始終無(wú)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(dòng)、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(dòng)。

(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(jí)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(zhǎng)度不斷提高。我國(guó)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(guó)家都先后開(kāi)發(fā)了特別使用于礦山軟巖巷道的全長(zhǎng)摩擦錨固的鋼管錨桿,我國(guó)先后自主開(kāi)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(guó)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(guó)、英國(guó)、日本等國(guó)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(zhǎng)度和自由長(zhǎng)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(guò)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(guó)開(kāi)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(lái),由美國(guó)、德國(guó)、澳大利亞等國(guó)倡導(dǎo)制定了錨桿規(guī)范與推薦性標(biāo)準(zhǔn),1986年,我國(guó)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(yǔ)

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(huì)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(mǎn)朝.中國(guó)煤礦軟巖巷道支護(hù)理論與時(shí)間[M].中國(guó)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(kāi)拓掘進(jìn)工作。