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        煤層巷道圍巖預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)研究

        2015-09-10 11:17:05孫有明鄭雷王雪芹
        考試周刊 2015年93期
        關(guān)鍵詞:錨桿支護(hù)煤巷技術(shù)研究

        孫有明 鄭雷 王雪芹

        摘 要: 本文介紹了錨桿支護(hù)技術(shù)在煤層巷道的應(yīng)用和影響,同時指出了某些煤層頂板事故發(fā)生的原因有多種,錨桿強(qiáng)度較弱只是其中之一,錨桿密度不能從根本上解決問題,而錨桿的預(yù)拉力在其中有不可忽視的作用,進(jìn)而比較系統(tǒng)、詳細(xì)地介紹了煤層巷道圍巖預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)理論和支護(hù)設(shè)計方法。

        關(guān)鍵詞: 煤巷 錨桿支護(hù) 技術(shù)研究

        20世紀(jì)80年代以來,煤層巷道樹脂錨桿支護(hù)技術(shù)不斷成熟,目前已經(jīng)被世界上一些先進(jìn)的采煤國家當(dāng)做是煤礦支護(hù)的核心模式。中國也于20世紀(jì)80年代末開始大力開展煤巷錨桿應(yīng)用技術(shù)研究和推廣應(yīng)用,并在20世紀(jì)90年代末基本與國際先進(jìn)水平接軌。結(jié)合國內(nèi)外的具體應(yīng)用現(xiàn)狀,目前在支護(hù)系統(tǒng)自身存在的一些問題中,比如強(qiáng)度的不足、錨桿的錨固技術(shù)不足等,可以借助于高強(qiáng)螺紋鋼樹脂錨桿技術(shù)對其進(jìn)行彌補,較深入地分析煤巷高強(qiáng)錨桿的作用機(jī)理,已經(jīng)形成一套較為完善的研究體系。

        在近些年的發(fā)展中,巷道冒頂事故頻頻發(fā)生,而且出現(xiàn)了離層變形的情況,錨桿強(qiáng)度并不是造成冒頂?shù)奈ㄒ灰蛩?,同樣不是單純地增加錨桿密度便可以實現(xiàn),我們不能忽視錨桿預(yù)拉力在冒頂事件中的作用,并且它的作用要高于錨桿的強(qiáng)度與密度。早在1997年和1998年,郭頌便展開了對巷道穩(wěn)定性的研究,他指出,水平地應(yīng)力對其產(chǎn)生一定影響,而且在巷道頂?shù)理敯咫x層垮冒事故中及底板鼓起現(xiàn)象中,水平地應(yīng)力是最核心的因素。同時,郭頌的研究表明,可以借助于巷道頂板錨桿預(yù)拉力的提升,進(jìn)而實現(xiàn)對巷道穩(wěn)定性的提升。

        目前業(yè)界亟待深入研究錨桿支護(hù)技術(shù),對其未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測,對當(dāng)前已有的技術(shù)進(jìn)行全面應(yīng)用,并深入研究預(yù)拉力錨桿支護(hù)技術(shù)。當(dāng)前美國高預(yù)拉力錨桿支護(hù)技術(shù)已取得了顯著成效,各項新技術(shù)取得了不少成功。這些成功證明:高預(yù)拉力錨桿技術(shù)可以實現(xiàn)對層狀頂板的離層良好的把控,直接帶來的結(jié)果就是冒頂情況銳減;在同等條件之下,對錨桿的密度進(jìn)行降低,從而提升了間排距,并且大大減少了錨桿的使用數(shù)量;對掘進(jìn)的速度有效提升,同時良好地提升了支護(hù)效率。

        1.煤巷層狀頂板的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)理論

        1.1概念

        如果在巷道已經(jīng)開挖之后,圍巖出現(xiàn)了小幅度的變形,那么,較脆的巖體便會隨之發(fā)生一定的改變,常見的有離層、松動、開裂等,從而降低圍巖強(qiáng)度。雖然在煤層巷道開挖過程中會及時地安裝上錨桿,然而,如果采用的是一般的錨桿,在不加預(yù)拉力的情況下,它仍然是一個被動支護(hù)的性質(zhì)。這種錨桿一般情況下都具有一定的“鋼”性,而且用的時候都是盡可能多用。如果一旦頂板出現(xiàn)離層現(xiàn)象,那么,這種錨桿所具有的抗力無法對頂板總體的抗剪能力帶來絲毫幫助。它無法對錨桿長度不能覆蓋的范圍內(nèi)的離層現(xiàn)象有效控制,仍然會出現(xiàn)垮冒現(xiàn)象。

        據(jù)相關(guān)資料顯示,在我國,高強(qiáng)錨桿通常都保持有0.6~0.8m的排距,整體離層現(xiàn)象時有發(fā)生,嚴(yán)重的甚至?xí)霈F(xiàn)垮冒現(xiàn)象,但是在這種情形之下,錨桿的實際受力不大,整體安全性不高。

        由此我們提出了煤巷支護(hù)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的概念為:在實際施工時,可以迅速地給各種支護(hù)構(gòu)件足夠的張拉力,并快速地進(jìn)行傳遞,一直將其傳至頂板,令頂板巖石可以保持橫向壓縮的狀態(tài),以便保護(hù)頂板圍巖體受到的損害,避免弱面離層問題的出現(xiàn),從而實現(xiàn)對圍巖穩(wěn)定的保護(hù)。目前將之稱作是頂板預(yù)應(yīng)力機(jī)構(gòu)。

        1.2層狀頂板預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)理論

        1.2.1預(yù)拉力(或稱預(yù)緊力)的大小

        預(yù)拉力的大小對整個錨桿頂板來說,要想穩(wěn)定錨桿頂板,預(yù)拉力起著至關(guān)重要的作用。

        出現(xiàn)高水平應(yīng)力情況時,頂板表面勢必會遭受到損壞,而如果預(yù)拉力一直增大,能夠使整個頂板巖層保持一個橫向壓縮的情況,這樣一來,便可以有效提升抗剪能力,從而阻止它的破壞力繼續(xù)蔓延。

        錨桿參數(shù)及預(yù)拉力之間要實現(xiàn)一個科學(xué)而合理的配置,從而更好地確保錨桿長度覆蓋內(nèi)與覆蓋外的頂板巖層不會遭遇離層的損傷。如果預(yù)拉力十分強(qiáng)大,頂板巖層的各個層位便會出現(xiàn)負(fù)應(yīng)變以及正應(yīng)變,此時,無法造成頂板的下沉問題。也就是說,預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)能夠保證只是在縱向方面有小幅度的變形,而在橫向方面不存在變形。

        1.2.2水平應(yīng)力

        在既定環(huán)境中,水平應(yīng)力對整個巷道頂板的穩(wěn)定有一定作用。

        如果最大水平應(yīng)力與巷道軸向處于一種垂直的狀態(tài),那么,此時的巷道不見得就難以維護(hù),可以借助于加大預(yù)拉力保護(hù)頂板一定的穩(wěn)定性;而如果最大水平應(yīng)力與巷道軸處于的狀態(tài)是平行狀態(tài),那么,此時巷道并一定就可以實現(xiàn)更好的維護(hù),主要取決于其自身的強(qiáng)度與地應(yīng)力之間的比例,同時與預(yù)拉力的強(qiáng)度有關(guān)。

        1.2.3頂板的穩(wěn)定性與巷道寬度和垂直壓力的關(guān)系

        在既定的范圍之內(nèi),頂板的穩(wěn)定性并不與巷道寬度及所受的垂直壓力直接相關(guān)。普遍認(rèn)為,巷道越寬,則其相應(yīng)的頂板穩(wěn)定性便顯得越差。但是,這種理論僅僅在被動支護(hù)中存在,在這種情況下,拉應(yīng)力與其破壞程度成正比。

        對于頂板的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的還有其他因素,比如采深因素、長壁工作面超前垂直支撐壓力等,這些因素相應(yīng)而言,也會對其穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響,但是影響微小。如果預(yù)拉力過大,此時,整個頂板的垂直壓力便會不再那么集中,相對而言,兩幫維護(hù)也更容易操作。在被動錨桿支護(hù)原則中,一向是堅持“先護(hù)幫,后控頂”,而在主動錨桿支護(hù)的原則中,則是堅持“幫頂同治”,此時幫部穩(wěn)定能夠?qū)崿F(xiàn)與頂部的對比分析。

        在施工機(jī)具及施工的工藝等方面,目前的研究方向應(yīng)該集中在高預(yù)拉力的實現(xiàn)方面。在相同的地段里,同等的條件下,要盡可能地提升錨桿的預(yù)拉力,從而更好地保證穩(wěn)定性,并且有效地節(jié)省成本,進(jìn)而提升掘進(jìn)的整體速度。

        2.煤巷預(yù)應(yīng)力支護(hù)設(shè)計方法

        2.1設(shè)計方法

        為了保證巷道錨桿支護(hù)這種技術(shù)是經(jīng)濟(jì)的、合理可靠的,我們就要將重點放在該技術(shù)的設(shè)計層面。就目前已經(jīng)出現(xiàn)的設(shè)計方法,大致可以劃分為三種:一是利用工程類比的手段,這里還包含了應(yīng)用一些簡單的計算公式(如常見的在回采巷道圍巖穩(wěn)定基礎(chǔ)上設(shè)計出來的方法);二是理論計算方法,這種典型的計算法有組合拱理論及懸吊理論等;三是采用數(shù)值模擬的方式設(shè)計所需要的巷道支護(hù)桿,計算機(jī)的使用已經(jīng)進(jìn)入普遍化階段,這就促進(jìn)人們利用計算機(jī)來模擬巷道支護(hù)的設(shè)計,比如模擬計算地下巖石工程結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的應(yīng)力等。

        2.2快速、通用、巨型礦山巷道系統(tǒng)三維有限元模型系統(tǒng)的建立

        一直以來,有限元數(shù)值計算技術(shù)都是人們解決在采礦過程中出現(xiàn)的力學(xué)問題的主要方法,但是這種方法有一定的局限性(比如僅限于二維模型或者小范圍的問題),幾乎沒有考慮到水平應(yīng)力的方向性問題。除此之外,原有的數(shù)值計算技術(shù)設(shè)定出的模型往往是針對特定問題,這就使得一旦問題發(fā)生變化,已有的模型將不再適用。同時傳統(tǒng)的有限元數(shù)值計算技術(shù)在其整個分析過程(從模型的建立、運行、檢測再到最后的結(jié)果分析)中需要耗費大量資金和人力。

        隨著時間的推移,人們重新審視了水平應(yīng)力方面的問題,開始慢慢質(zhì)疑在傳統(tǒng)有限元計算技術(shù)分析下得到的結(jié)果的合理性,這也使得傳統(tǒng)的方法開始受到挑戰(zhàn)。相比傳統(tǒng)的思維來說,新的思維要求擴(kuò)大研究的范圍,這也就需要不斷地改進(jìn)有限元方法。

        目前市場上有各種有限元軟件,其中包括NASTRAN、ABAQUS、ANSYS、ALGOR、ADINA等。在選擇有限元軟件時,要考慮到各種因素的制約,比如程序本身的功能、前處理和后處理的能力、計算機(jī)的容量和速度、用戶的工作需要等。

        一般來說,現(xiàn)場施工時具備三個特點:地質(zhì)不穩(wěn)定、巷道掘進(jìn)比較快速與必須有支護(hù)服務(wù),所以依據(jù)這三個特點,通常用ANSYS這款軟件。這款軟件擁有獨立的語言系統(tǒng)(APDL),使用者可以獨立的操作編程。這款語言系統(tǒng)擁有普通計算機(jī)的語言功能,包括條件、循環(huán)和賦值語句等,操作者可以通過變量建立模型。這款語言系統(tǒng)(APDL)結(jié)合ANSYS給出的大量宏指令,將采礦過程中的自動化分析和研究提上日程。

        參照現(xiàn)在比較典型的設(shè)計方法,我們可以利用工具預(yù)先設(shè)立二維和三維的通用化空間立體模型。通用化的定義:當(dāng)需要設(shè)計時,我們可以在輸入提示窗口輸入一些數(shù)值,確定模型的相關(guān)變量,包括采礦深度、巖石的力學(xué)性質(zhì)等,最終就會得到我們想要的一些模型。通用化的出現(xiàn)給限元建模創(chuàng)造了無限可能,使得建模過程方便快捷。

        2.3設(shè)計步驟

        錨桿類型多種多樣,每種類型都有自己的適用條件(應(yīng)力狀況、頂板巖性、技術(shù)條件、成本因素等)。除了一般錨桿類型外,還有用于二次支護(hù)的主動和被動型的錨索(以鋼絞線為材質(zhì)),主動和被動型的頂板系統(tǒng)(分別以鋼材和鋼絞線為材質(zhì)的載荷連續(xù)傳遞的系統(tǒng)、兩根普通斜錨桿和水平拉桿結(jié)合的并且荷載互相獨立的系統(tǒng))。

        研究表明,提高頂板穩(wěn)定性最經(jīng)濟(jì)有效的手段就是改變錨桿的預(yù)應(yīng)力。這也就使得預(yù)應(yīng)力的設(shè)計成為頂板穩(wěn)定性設(shè)計的重要部分,以下是具體的設(shè)計步驟:

        (1)通過三維有限元模型來明確巷道的應(yīng)力情況。

        針對這種模型,我們有以下幾個重要的設(shè)計參數(shù):夾角(度)、深度、最大最小水平應(yīng)力(σ■、σ■)、關(guān)于圖面的一些幾何尺寸(如煤柱、采空區(qū)等)。

        (2)大模型完成之后,可以針對特定的部分區(qū)域進(jìn)行專門分析,分割出來的模型就稱為子模型。

        大模型完成之后會自動輸出子模型的邊界條件,并且將之附加在子模型上。只要選擇合適的子模型邊界,我們就可以在子模型中分析錨桿的單元問題,能夠這樣做的原因就是錨桿所影響到的應(yīng)力范圍是有限的,這也避免我們從大模型中做非線性分析。

        主要的子模型參數(shù)有:錨桿預(yù)拉力、錨桿直徑、錨桿長度、巖石層理面的力學(xué)性質(zhì)、錨桿的間距。

        以上的錨桿間距并不會作為我們考慮的主要參數(shù),原因就在于它對梁頂板的剛性不會有太大的決定作用,通常采用1.2m×1.2m的布置,這是美國50多年錨桿支護(hù)的經(jīng)驗。因此,模型輸入時的錨桿間距初選值也用1.2m。但排間距可能要根據(jù)計算后得出的所需預(yù)拉力進(jìn)行調(diào)整,比如所需預(yù)拉力為10t,技術(shù)上可達(dá)到的最大預(yù)拉力為5t,那么錨桿排間距要縮小到0.6m?!皠傂浴绷喉敯澹潜WC大錨桿間距的基礎(chǔ)。

        2.4評判標(biāo)準(zhǔn)

        水平地應(yīng)力會給層狀的巖體一定的作用力,導(dǎo)致頂部和底部的巖層比較容易被損壞,結(jié)果就是巖層發(fā)生分離,可是一旦頂部的巖層分離后,其受壓能力就會突然下降,支護(hù)效果受到影響的同時,會影響到一系列的安全問題,所以巷道穩(wěn)定性的檢驗標(biāo)準(zhǔn)就是頂板的分離狀態(tài)。通常我們將離層這一因素作為主要的考慮對象,所以能夠?qū)⑺鼈兘Y(jié)合,考慮錨桿支護(hù)參數(shù)時,常常將錨桿預(yù)拉力考慮進(jìn)來,立足于頂板離層研究和計算,最終得到的方案中,巷道冒頂事故的概率極小。特別指出,在巖性有差別和支護(hù)條件有差異,所以將圍巖形變量定為判定標(biāo)準(zhǔn)不實際的,完全問題得不到保障。

        工程上支護(hù)是不是符合標(biāo)準(zhǔn)的判斷依據(jù)是頂板預(yù)應(yīng)力的形成,厚度與承載力決定了巷道是否合格,如何設(shè)計支護(hù)結(jié)構(gòu)和預(yù)拉力的數(shù)值,決定了預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的厚度與承載力,以上標(biāo)準(zhǔn)都必須結(jié)合實際考慮。

        參考文獻(xiàn):

        [1]何滿潮,袁和生,靖洪文,王方榮,景海河.中國錨桿支護(hù)理論與實踐[M].北京:科學(xué)出版社,2004.

        [2]賈金河.煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計與監(jiān)測軟件的開發(fā)及應(yīng)用研究[J].煤礦開采,2004(1).

        [3]侯朝炯,郭勵生,勾攀峰.煤巷錨桿支護(hù)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1999.

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