锚杆支护巷道顶板离层临界值的分析专题报告

锚杆支护巷道顶板离层临界值的分析摘 要：巷道支护是矿井建设和生产中的关键技术问题之一,多年来一直受到岩石力学和采矿工程界的高度重视. 锚杆支护是利用深入围岩内部的锚杆杆体对围岩进行加固，提高被锚固围岩自身的稳定性来达到支护的目的。根据围岩性质和结构不同，锚杆可起到悬吊、组合梁、挤压加固拱等作用。在研究离层现象产生的原因以及受采动影响前后巷道受力与变形情况的基础上，在初步建立锚杆支护巷道顶板离层临界值计算的理论依据方面做出探索，以求更好地为生产服务。顶板离层是开采过程中巷道矿压显现的主要表现形式之一。离层值的大小不仅和煤层赋存条件及开采技术条件等自然因素有关,而且和巷道的尺寸、支护方式以及支护强度等直接相关。在深入分析现场顶板离层监测手段和所存问题的基础上,对锚杆巷道的顶板离层临界值进行了系统的分析。关键词：锚杆支护；顶板离层；临界值；离层监测1 锚杆支护1.1 锚杆锚杆是岩土体加固的杆件体系结构。通过锚杆杆体的纵向拉力作用，克服岩土体抗拉能力远远低于抗压能力的缺点。表面上看是限制了岩土体脱离原体。宏观上看是增加了岩土体的粘聚性。从力学观点上是主要是提高了围岩体的粘聚力和内摩擦角。其实质上锚杆位于岩土体内与岩土体形成一个新的复合体。这个复合体中的锚杆是解决围岩体的抗拉能力低的缺点。从而使得岩土体自身的承载能力大大加强。锚杆是当代地下开采的矿山当中巷道支护的最基本的组成部分,他将巷道的围岩束缚在一起,使围岩自身支护自身。现在锚杆不仅用于矿山，也用于工程技术中，对边坡，隧道，坝体等进行主动加固。1.1.1 锚杆的基本结构让我们一起去了解锚杆的基本结构及其作用：锚杆作为深入地层的受拉构件，它一端与工程构筑物连接，另一端深入地层中，整根锚杆分为自由段和锚固段。自由段是指将锚杆头处的拉力传至锚固体区域，其功能是对锚杆施加预应力；锚固段是指水泥浆体将预应力筋与土层粘结的区域，其功能是将锚固体与土层的粘结摩擦作用增大，增加锚固体的承压作用，将自由段的拉力传至土体深处。1.1.2 锚杆组成1、组成锚杆必须具备几个因素： 一个抗拉强度高于岩土体的杆体 杆体一端可以和岩土体紧密接触形成摩擦（或粘结）阻力。锚杆 杆体位于岩土体外部的另一端能够形成对岩土体的径向阻力锚杆作为深入地层的受拉构件，它一端与工程构筑物连接，另一端深入地层中， 整根锚杆分为自由段和锚固段，自由段是指将锚杆头处的拉力传至锚固体区域，其功能是对锚杆施加预应力；锚固段是指水泥浆体将预应力筋与土层粘结的区域，其功能是将锚固体与土层的粘结摩擦作用增大，增加锚固体的承压作用，将自由段的拉力传至土体深处。1.1.3 锚杆的基本组成。锚杆主要由杆体、螺母、托盘组成。1.1.4 锚杆作用锚杆是岩土体加固的杆件体系结构。通过锚杆杆体的纵向拉力作用，克服岩土体抗拉能力远远低于抗压能力的缺点。表面上看是限制了岩土体脱离原体。宏观上看是增加了岩土体的粘聚性。从力学观点上是主要是提高了围岩体的粘聚力 C 和内摩擦角。其实质上锚杆位于岩土体内与岩土体形成一个新的复合体。这个复合体中的锚杆是解决围岩体的抗拉能力低的缺点。从而使得岩土体自身的承载能力大大加强。锚杆是当代地下开采的矿山当中巷道支护的最基本的组成部分,他将巷道的围岩束缚在一起,使围岩自身支护自身.现在锚杆不仅用于矿山，也用于工程技术中，对边坡，隧道，坝体等进行主动加固。1.2 锚杆支护1.2.1 锚杆支护的概念锚杆支护是指在边坡、岩土深基坑等地表工程及隧道、采场等地下硐室施工中采用的一种加固支护方式。用于煤矿的锚杆支护成为煤矿锚杆支护。锚杆支护是利用深入围岩内部的锚杆杆体对围岩进行加固，提高被锚固围岩自身的稳定性来达到支护的目的。锚杆支护巷道示意图如图 1 所示； h0 基本顶直接顶 h B B B L1.2.2 锚杆支护的目的用金属件、木件、聚合物件或其他材料制成杆柱，打入巷道钻好的孔中，利用其头部、杆体的特殊构造和尾部托板（亦可不用），或依赖于黏结作用将围岩与稳定岩体结合在一起而产生悬吊效果、组合梁效果、补强效果，以达到支护的目的。消除不安全隐患，改善操作人员的劳动环境. 一切都是为安全着想。1.2.3 锚杆支护的特点。锚杆支护技术是集理念、理论、方法、材料、机具、施工工艺检测仪器及技术规范于一体的巷道支护成套技术创新体系。该技术一广泛应用于煤巷、岩巷、半煤岩巷、 全煤巷道、冲击低压巷道、软岩巷道、深部动力巷道、无煤柱巷道、复合和松软破碎顶板等困难条件下的支护。锚杆支护作为一种有效的巷道支护方式，由于对巷道围岩强度的强化作用，可显著提高围岩的稳定性，加之具有支护成本低，成巷速度快、劳动强度低、提高巷道断面利用率、简化回采面端头维护工艺、明显改善作业环境和安全生产条件等优点，可提高矿井效益，因而成为煤矿企业矿井巷道的一种主要支护方式，代表了煤矿巷道支护技术的主要发展方向。其缺点是它属于隐性支护，对支护质量和可靠性的检测和监测不易，有时会出现无明显先兆的冒顶事故，此外，对变形量很大的软岩、塑性较大的巷道的回采巷道， 支护效果不易保证，导致巷道无法使用。在软岩锚杆技术的推广应用和实施中，由于煤层赋存条件多样化，围岩结构复杂， 软弱夹层和层理十分发育，稳定性很差，极易发生离层垮冒，即使在同一巷道内顶板赋存状态也是频繁变化，构造影响随处可见。对于上述软岩巷道，锚杆支护不能有效的控制顶板离层，恶性冒顶事故时有发生。跨落现象频繁，安全事故时有发生。1.2.4 锚杆支护的质量要求（一）打装锚杆施工工艺、质量标准。1、打锚杆眼。（1）打锚杆眼前，必须进行敲帮问顶，找掉危矸、活矸，打眼人员必须站在支护完好的安全地点进行打眼作业。（2）根据设计要求，采用划线打眼，标记出锚杆眼位。（3）打眼方向应垂直于巷道的轮廓线，与煤岩层层面夹角不小于 750.（4）先将顶部锚杆用钻机打好并上紧托盘，然后用电钻打帮部锚杆并上紧托盘。（5）锚杆眼的深度、减排距及布置形式符合设计规定：眼位误差不得超过 100mm.锚杆眼深度应与锚杆长度相匹配，打眼时应在钎子上做好标志，严格按锚杆长度打眼。（6）锚杆眼打好后，应将眼内的岩渣、积水清理干净。打眼时，必须在超前临时支护的掩护下操作；冲洗孔径颈，送药。将组装好的锚杆慢慢顶推中速树脂药卷向孔低推入。（7）打眼的顺序，应按由外向里先顶后帮得顺序依次进行。（8）开钻机时，应先开风后开水，停机时应先停水后停风。（9）采用钻机打眼时，风压应控制在 0.4-0.65MPa，水压应控制在 0.6-1.2MPa， 钻杆、钻头要完好不堵塞。（10）钻机钻进时，严禁用手摸钻机的钻杆。（11）钻机钻进时，附近严禁有人；钻机操作者应将操作臂置于身前右侧，且操作者距钻机机身的距离大于臂长；以防钻机突然停止手柄摆动而伤人。（12）钻机钻进时，不能用大力推进，以防卡钎，手不能伏在气腿上，以防钻机收缩时挤伤手。（13）当钻机长时间不用时，必须用压风吹干残留在机体内的水，以防锈蚀机器。2、安装锚杆。（1）安装前，应将眼孔内的积水、岩粉用压风吹扫干净。吹扫时，操作人员应站在空口一侧，眼孔方向不得有人，对锚杆眼，锚杆质量必须进行检查，发现不符合设计规定的要进行处理。（2）顶板锚杆：按规定数量放入树脂锚固剂，用锚杆把树脂锚杆剂送入眼底， 使锚杆顶住锚杆剂，锚杆钻机断头套上专用搅拌器；然后升起钻机，推进锚杆，至顶板岩面 300mm-500mm 时，开始搅拌 30S 后停机。（3）帮部锚杆：先将锚固剂装送入眼底，再用风钻卡主专用搅拌器旋转将锚杆旋入树脂锚杆剂，对锚固剂进行搅拌，直至锚杆达到设计深度，搅拌时间约 30， 紧固锚杆，50后，再次启动钻机，边旋转边推进，锚杆螺母在钻机的带动下剪断定位销，托盘快速压紧煤壁。（4）锚杆外露长度露出螺帽，盖板要与围岩表面接触密实，禁止在托盘里垫木头，石块或多加托盘。（5）网间搭接不小于 100mm，且每间隔 300mm 用号铁丝捆绑，型钢带搭接长度不小于 100mm，网应紧贴煤帮，型钢带应压紧网。3注意事项（1）锚杆孔要保证顺直。（2）锚杆与锚杆必须等长，孔深比锚杆短 60mm80mm.（3）锚杆完成后应反复冲刷，直至孔内出清水，不蹿煤，岩粉。（4）搅拌及时均速，必须搅拌至孔底，并保证搅拌时间达 30。（5）等待凝固时间要充分，确保 50后树脂凝固后，再一次上紧螺母。4锚杆质量标准（1）锚杆与岩层面的夹角大于 ，扭距：帮部大于或等于 60，顶部大于或等于 120。锚固力：帮部大于或等于，顶部大于或等于。（2）机检查螺母松紧程度时，以锚杆钻机不能继续转动为准。这是塑料减磨垫圈严重变形或挤出。（3）必须安排专人对锚杆进行二次手动加扭，使顶部锚杆预紧力 120 帮部锚杆预紧力达到 60以上。（二）新型锚杆施工措施1锚杆支护作业场所距工作面m 以内，必须备有架备用棚及相应支护材料，以备改变支护和抢险之需。2当煤帮一侧，片帮小于 300mm 时，应扭紧螺母使金属网贴煤壁，禁止在金属网内装填物料，背紧背实。3每一小班都必须对上一班及本班锚杆螺母扭距及安装质量进行逐一检查。4.顶板离层指示仪及液压枕在巷道开窝时立即安装一套，实体煤巷每向前掘进100m 时安设一套，断层及煤岩破碎带顶板淋水，应力集中区交叉点及硐室等特殊条件下的巷道必须安设顶板离层指示仪。5技术人员负责对巷道内的顶板离指示仪及液压枕进行测读和记录，每 天测读和记录一次。并把当天汇总的检测数据交到技术科。1.5 锚杆施工工艺1两帮要预留断面辅以风镐或手搞人工成形，保证巷道成形质量。2锚杆扭距要求：锚杆安装扭距：顶板大于.m，煤岩帮部大于.m。3锚杆安装步骤及工艺。（1）采用直径 28 的钻头与锚杆等长的钻杆钻眼，每排顶板锚杆打桩顺序为先中间后两边。（2）用组装好的锚杆慢慢将两卷树脂药推入孔底。（3）用搅拌连接器将钻机与锚杆螺母联接起来，慢慢升起钻机并保持把锚杆顶推到位后停机。（4）待后再次开启钻机，紧固螺母直至钻机不能转动为止。（5）每天对安装质量进行检测，安排专人逐个进行二次加扭。1.1.5 煤矿锚杆支护安全技术措施流程：1、根据巷道断面确定锚杆长度；2、根据围岩性质确定锚杆直径，锚盘大小，装药卷的数量（塑脂药卷）；3、打锚杆眼前准备的工序流程；4、打锚杆眼中注意事项；5、打锚杆眼后安装锚杆步骤及注意事项（特别要求初锚固力要达到的值）；6、定期、不定期做锚杆拉力试验（抽查），并记录存档。7、锚杆打眼钻机的型号、特征；在以上 1、2、7 项要在安全技术措施中定量、定型。根据实际操作和经测试锚固力后， 及时进行改进。各个矿区的地下围岩性质的不同，对巷道松动圈各有不同，要做巷道围岩松动圈测试后，并根据巷道服务年限，巷道是否受采动影响来确定是否采用加锚索加强支护。1.2.5 锚杆支护原理。通过锚杆的轴向作用力，将围岩中一定范围岩体的应力状态由单向（或双向）受压转变为三向受压，从而提高其环向抗压强度，使压缩带既可承受其自身重量，又可承受一定的外部载荷，使其有效地控制围岩变形。锚杆力学作用主要有： 悬吊作用 、 组合作用 、 挤压作用 。1.3 国外锚杆支护理锚杆支护机理目前提出的观点很多, 有悬吊作用、组合梁( 拱) 作用、加固作用等。这几种观点都是以围岩状态和利用锚杆杆体受拉为前提来解释锚杆支护的作用机理。因此, 围岩状态及锚杆受拉这两个前提的客观性是判定上述这些理论正确的标准。1.3.1 锚杆的悬吊理论1952 年路易斯阿帕内科(Louis APanek) 等发表了悬吊理论,悬吊理论认为锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳固的岩层上。见图 1 。对于回采巷道揭露的层状岩体,直接顶板均有弯曲下沉变形趋势,如果使用锚杆及时将其挤压,并悬吊在老顶上,直接顶板就不会与老顶离层乃至脱落。锚杆的悬吊作用主要取决于所悬吊的岩层的厚度,层数及岩层弯曲时相对的刚度与弹性模量,还受锚杆长度、密度及强度等因素的影响。这一理论提出的较早,满足其前提条件时,有一定的实用价值。但是大量的工程实践证明,即使巷道上部没有稳固的岩层,锚杆亦能发挥支护作用。例如,在全煤巷道中,锚杆就锚固在煤层中也能达到支护的目的,说明这一理论有局限性。在掘进采用锚杆支护中, 锚杆将下部不稳定的岩层( 直接顶或块状结构中不稳定的岩块) 悬吊在上部稳固的岩层上, 阻止岩层或岩块的垮落。锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量, 并据此设计锚杆支护参数。这一理论提出的较早, 满足其前提条件时, 有一定的实用价值。但是大量的工程实践证明, 即使巷道上部没有稳固的岩层, 锚杆亦能发挥支护作用。例如, 在全煤巷道中, 锚杆锚固在煤层中也能达到支护的目的, 说明这一理论有一定的实用性,也有它的局限性。1.3.2 组合梁理论组合梁理论认为巷道顶板中存在着若干分层的层状顶板,可看作是由巷道两帮作为支点的一种梁,这种岩梁支承其上部的岩层载荷。见图 2 。使用锚杆将各层“装订”成一个整体的组合梁,防止岩石沿层面滑动,避免各岩层出现离层现象。在上覆岩层荷载作用下,这种较厚的组合梁比单纯的迭加梁,其最大弯曲应变和应力将大大减小,挠度亦减小。而且各层间摩擦阻力愈大,整体强度愈大,补强效果愈好。但是,这种理论在处理岩层沿巷道纵向有裂缝时梁的连续性问题和梁的抗弯强度问题时有一定的局限性。为了解决悬吊理论的局限性, 提出了组合梁理论。它认为在没有稳固岩层提供悬吊支点的薄层状岩层中, 可利用锚杆的拉力将层状岩层组合起来, 形成组合梁结构进行支护。组合梁作用的本质在于通过锚杆的预拉应力将原视为叠合梁( 板) 的岩层挤紧, 增大岩层间的摩擦力。同时, 锚杆本身也提供一定的抗剪能力, 阻止其层间错动。锚杆把数层薄的岩层组合成类似铆钉加固的组合梁, 这时被锚固岩层便可看成组合梁, 全部锚固层能共同变形, 顶板岩层抗弯刚度大大提高。决定组合梁稳定性的主要因素是锚杆的预拉应力、杆体强度和岩层性质。这一观点有一定的影响, 但是工程实例较少,也没有进一步的依据资料供设计应用。例如, 岩层沿巷道纵向有裂缝时梁的连续性问题和梁的抗弯强度问题。1.3.3 组合拱理论组合拱理论是由兰氏( T A Lang) 和彭德(Pender) 通过光弹试验提出来的。组合拱原理认为,在拱形巷道围岩的破裂区中,安装预应力锚杆时,在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力,如果沿巷道周边布置的锚杆间距足够小,各个锚杆的压应力维体相互交错,这样使巷道周围的岩层形成一种连续的组合带(拱) 见图 3。这个组合拱可承受上部岩石的径向载荷,如同碹体起到岩层补强的作用,承载外围的压力。组合拱理论的不足是缺乏对被加固岩体本身力学行为的进一步探讨,与实际情况有一定差距,在分析过程中没深入探索围岩支护的相互作用。如果把不稳定的顶板岩层看成是支撑在两帮的叠合梁( 板) , 由于可视悬吊在老顶上的锚杆为支点, 安设了锚杆就相当于增加了支点, 从而减小了顶板的跨度, 使顶板岩层的弯曲应力和挠度得到降低, 维持了顶板稳定。这就是锚杆的减跨作用, 它实际上来源于锚杆的悬吊作用, 但它同样未能提供用于锚杆支护参数设计的方法。1.3.4 最大水平应力理论澳大利亚学者盖尔(W J Gale) 在20 世纪90 年代初提出了最大水平应力理论。该理论认为:矿井岩层的水平应力一般是垂直应力1. 32. 0 倍。而且水平应力具有方向性,最大水平应力一般为最小水平应力的1. 52. 5 倍。巷道顶底板的稳定性主要受水平应力影响,且有三个特点: 与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小,顶底板稳定性最好; 与最大水平应力呈锐角相交的巷道。其顶板变形破坏偏向巷道某一帮; 与最大水平应力垂直的巷道,顶底板稳定性最差。最大水平应力理论,论述了巷道围岩水平应力对巷道稳定性的影响以及锚杆支护所起的作用。在最大水平应力作用下,巷道顶底板岩层发生剪切破坏,因而会出现错动与松动引起层间膨胀,造成围岩变形。锚杆所起的作用是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动,因此要求具备有强度大、刚度大、抗剪阻力大的高强锚杆支护系统。1.4 国内锚杆支护理论研究发展概况近十几年来,国内很多学者对锚杆作用机理做了大量的深入研究与探讨,进一步揭示了锚杆支护的实质,促进了锚杆支护理论研究的发展,扩大了锚杆支护技术应用的范围。主要观点如下:1.4.1 全长锚固中性点理全长锚固中性点理论由东北大学王明恕教授等提出了。该理论认为在靠近岩石壁面部分(锚杆尾部) ,锚杆阻止围岩向壁面变形,剪力指向壁面。在围岩深处(锚杆头部) ,围岩阻止锚杆向壁面方向移动。锚杆上的剪力指向相背的分界点,称为中性点,该点处剪应力为零,轴向拉应力为最大。由中性点向锚杆两端剪应力逐渐增大,轴向拉应力逐渐减少(如图5) 。该理论近年在国内理论分析中其“中性点”观点被普遍接受,但其理论形式还存在着一定的争议,因为它难以解释锚杆尾部的断裂机理,有人认为该理论假设未设托盘之故。1.4.2 松动圈理论围岩松动圈巷道支护理论是由中国矿业大学董方庭教授提出,该理论是在对巷道围岩状态进行深入研究后提出的。研究发现围岩松动圈的存在是巷道固有的特性,它的范围大小(厚度值L) 目前可以用声波仪或者多点位移计等手段进行测定。巷道支护的主要对象是围岩松动圈产生、发展过程中产生的碎胀变形力,锚杆承受拉力的来源在于松动圈的发生、发展;并根据围岩松动圈厚度值的大小,将其分为小、中、大三类。松动圈的类别不同,则锚杆支护机理不同。类小松动圈L= 0400mm,围岩的碎胀变形量很小,此类围岩巷道一般无需锚杆,可以裸体或者喷射混凝土单独支护; 、类围岩L= 4001500mm ,用悬吊理论设计锚喷支护参数; 、类围岩L =1. 52. 0m、L = 2. 03. 0m ,采用组合拱理论确定锚喷支护参数; 类围岩L 3. 0m ,在没有进一步研究资料之前, 应采用以锚喷网为基础的复合支护。该理论的优点是简单直观,对中小松动圈有很重要的价值,但对大松动圈尤其是高应力软岩的采准巷道,实践表明,该理论有一定的局限性。1.4.3 围岩强度强化理论该理论的要点是: (1) 岩体经锚杆锚固后,其峰值强度和残余强度均得到提高,随着锚杆布置密度的增加,强度强化系数逐渐增大,锚杆布置密度一定时,锚杆对岩体残余强度的强化程度大于对岩体的峰值强度的强化程度。(2) 锚杆可有效改善原岩体的力学参数,随着锚杆布置密度的增加,锚固体峰值前的E ,C ,S1S2S3(S1、S2、S3 分别为1m 测点， 2m 测点和3m 测点的下沉量)所以在实际测量中，l1、l2 与l3 的关系必然为l1l2l3。如果：l10，则说明巷道顶板表面与测点1 之间有离层出现，其差值即为离层量。如果：l2-l10，则说明测点2 与测点1 之间即1m 点与2m 点之间有离层出现， 其差值即为离层量，如果：l3-l20，则说明2m 测点与3m测点间有离层，其差值即为离层量。所以，通过以上计算，用l1 是否大于0，判断出顶板至1m点间离层；l2-l1 是否大于0，判断出1m 点至2m 点间离层量；l3-l2是否大于0，判断出2m点到3m 点间是否出现离层。3.3 顶板离层监测实例沙曲矿 14204 工作面为一倾向长壁工作面, 为南二采区第四个工作面, 南北两面为未准备区, 东至南二采区集中轨道巷, 西至贯头村保安煤柱线。工作面设计为一进两回, 顺槽设计长 1 06