论文部分内容阅读
【摘要】窑街矿区高地应力带回采巷道变形量大，服务周期短，维修量大，分析高应力区锚杆支护过程中存在问题，从锚杆的材质选择、支护参数选定、工序操作上进行总结，提出提高锚杆支护效果的技术要素，为矿井正常的安全生产有着积极意义。
【中图分类号】TD82 【文献标识码】A 【文章编号】1672—5158（2012）08—0213-01
锚杆支护是一种有效的巷道支护方式，具有支护成本低、操作方便、成巷速度快、作业环境和安全生产条件相对其它支护形式有所改善等优点，现成为煤矿巷道支护的主要形式。近年来，随着煤矿开采深度不断增加、开采条件的恶化及地应力的不断增高，回采巷道出现变形量大、锚杆断裂、失效、巷道围岩离层、脱顶等现象，给矿井正常的安全生产带来极大影响。因此有必要对锚杆支护中存在问题，提出针对性地解决办法，以确保巷道的支护效果。
1.影响锚杆支护效果的因素
1.1 支护参数不完全合理
随着开采深度的不断增加，窑街多个矿区开采深度已达千米，地应力也显著增加，地压冲击也不断显现并增强，致巷道变形量大，维护成本大幅度提高，给安全生产带来极大隐患，以上问题说明，原来的支护参数已不适合支护要求，应根据矿井地应力和地质实际情况予以调整。
1.2 材质及规格达不到强度要求
高地应力带巷道出现大面积离层脱顶现象，有时脱顶厚度大于锚杆的长度，其主要是锚杆没起到时悬吊支护作用，锚索又撑受不了拉力的结果。另外，大面积脱顶处发现锚杆拔断现象，说明使用锚杆的材质存有问题，强度达不到要求。锚杆拔断的位置多在丝扣处，发现锚杆加工中存有问题，锚杆滚丝时，影响了锚杆的直径，锚杆受拉力时，丝扣处变为锚杆受力的弱面，导致锚杆断裂。
1.3 锚杆的预紧力和锚杆的让压变形不足
在高地应力带巷道支护的锚杆，目前其扭距普遍在300N，m以下，在巷道支护初期围岩变形速度快，最大月移近量达400mm，锚杆预应力不能有效控制锚固区的围岩离层、裂隙等，大采深巷道的高应力和大变形量要求支护锚杆具有较高的预应力，以及足够的延伸率冲击韧性，而随着巷道变形量的增加，锚杆杆体的延伸性能已达不到要求，锚杆断裂、失效等现象大幅增加。
1.4 锚固力不足
锚杆钻孔、杆体、树脂锚固剂直径匹配关系不合理，树脂药卷安装达不到要求，则出现锚固剂搅拌不均匀，锚固剂环形多厚度不同，锚固剂与煤岩壁或锚杆的粘强度不足，锚杆的锚固长度，锚杆的围岩的结合程度偏离设计值等问题，造成锚固力不足，此时锚杆所受的力超过锚杆与锚固剂与煤岩壁的摩擦力，锚杆发生滑移，以致失效。
1.5 锚杆局部受力集中
锚杆断裂的主要原因是杆体受力过大，超出其极限抗拉强度或抗剪强度。现场实践发现，断裂锚杆多发生在巷道顶、帮肩窝处及施工角度严重偏离设计的锚杆上，锚杆呈现出某一点受力集中现象，断口呈现出一点变形严重、断裂。
2.提高锚杆支护效果的对策
2.1 确定合理的支护参数
随着地应力和条件的变化，要对锚杆的支护参数进行相应调整，要对高地应力区巷道受力及受力条件下顶帮底变形情况，以及巷道周边的围岩进行全面分析，找出其受力及变形规律，确定合理支护参数，包括锚杆的问排距、锚杆规格以及其它配合锚杆支护的锚索、钢带、金属网等综合支护材料，从整体上确保锚杆支护的有效性。
2.2 合理选用材质和规格
锚杆支护是对锚杆施加一个预应力，由自由段将锚杆头处的拉力传至锚固体区域，通过锚固体的加固拱作用、悬吊作用、组合梁作用、围岩补强作用控制围岩不出现明显的离层、滑移与拉应力区。巷道采用锚杆支护时根据采深与巷道围岩性质、巷道周边围岩受力变形情况，可选用不同预应力材质锚杆和规格。
2.3 选择合理的锚杆扭矩
锚杆预应力随着扭矩的增大而增大，但受锚杆加工工艺精度，螺母与螺纹间的摩擦力、扭矩转化系数影响，当扭矩超过400N.m，预应力增加变缓。综合支护要求、材料成本及施工机具能力等因素，锚杆扭矩控制在300～400N.m，较为经济合理。
2.4 增大变形让压功能
锚杆的变形让压功能能够防止锚杆在过载阶段或冲击动压影响下破断。目前普遍采用提高锚杆的延伸率的方法，窑街海石湾煤矿采用让压锚杆（锚杆螺母与托盘之间使用球形让压管），取得了较好效果。让压管受到压力超过设定让压载荷时开始让压，通过让压管压缩变形达到让压的目的。
2.5 合理“三径”匹配
锚杆钻孔、杆体、树脂锚固剂直径的合理匹配，对煤巷锚杆支护参数的选择具有重要作用。根据工业性试验认为螺纹钢锚杆的钻孔直径和杆体直径之差应该控制在4-10mm，尤以6-8mm为佳，钻孔直径和杆体直径一定时，在确保顺利安装的前提下，树脂锚固剂直径应尽量加大。
2.6 錨杆均匀受力
井下实践发现，锚杆在满足支护需求的情况下，多数锚杆断裂是由于施工角度偏差大导致锚杆受力集中，在集中拉力和剪切力作用下，某一点首先断裂，继而整个锚杆断裂，为防止应力集中的出现，可在技术和管理上予以控制。锚杆托盘采用碟形高凸调角设计，螺母与托盘接触面为球形，保证螺母与托盘面接触。管理上加强锚杆角度施工控制，保证施工的螺母与托盘保持垂直。
2.7 锚杆居中放置
锚杆轴线与钻孔轴线重合时，锚杆周围的树脂锚固剂对围岩均匀对称分布，可避免出现一侧应力集中及锚杆产生附加弯矩作用现象，锚杆支护系统比较稳定。如锚杆偏心距增大，锚杆周围树脂锚固剂和钻孔围岩受力不均，易导致应力集中，并对锚杆产生弯矩作用，锚杆支护系统稳定性差。
2.8 托盘与煤壁面接触
提高锚杆支护的效果还要做好其它方面的工作，掘进支护前巷道顶帮必须要平整，保证锚杆托盘与煤壁面接触并受力均匀。与锚直同时使用的条形钢带既要有强度，还要保证其一定的可弯曲性，一般可用￠14mm钢筋梯子梁，否则，梯子梁在煤壁不平整的情况下将锚杆托盘支起而不能与煤壁面接触，导致锚杆失效，影响锚杆的支护效果。
3.结论
（1）高地应力区巷道锚杆支护要选择合理的支护参数。
（2）巷道支护锚杆需具有较高的预应力和延伸量。
（3）锚杆钻孔、杆体、树脂锚固剂直径要符合“三径匹配”原则，锚杆扭矩宜控制在300～400N.m.
（4）施工质量对锚杆支护效果具有重要作用。要采取提高人员的操作技能、严格施工过程控制等措施，保证施工质量。
【中图分类号】TD82 【文献标识码】A 【文章编号】1672—5158（2012）08—0213-01
锚杆支护是一种有效的巷道支护方式，具有支护成本低、操作方便、成巷速度快、作业环境和安全生产条件相对其它支护形式有所改善等优点，现成为煤矿巷道支护的主要形式。近年来，随着煤矿开采深度不断增加、开采条件的恶化及地应力的不断增高，回采巷道出现变形量大、锚杆断裂、失效、巷道围岩离层、脱顶等现象，给矿井正常的安全生产带来极大影响。因此有必要对锚杆支护中存在问题，提出针对性地解决办法，以确保巷道的支护效果。
1.影响锚杆支护效果的因素
1.1 支护参数不完全合理
随着开采深度的不断增加，窑街多个矿区开采深度已达千米，地应力也显著增加，地压冲击也不断显现并增强，致巷道变形量大，维护成本大幅度提高，给安全生产带来极大隐患，以上问题说明，原来的支护参数已不适合支护要求，应根据矿井地应力和地质实际情况予以调整。
1.2 材质及规格达不到强度要求
高地应力带巷道出现大面积离层脱顶现象，有时脱顶厚度大于锚杆的长度，其主要是锚杆没起到时悬吊支护作用，锚索又撑受不了拉力的结果。另外，大面积脱顶处发现锚杆拔断现象，说明使用锚杆的材质存有问题，强度达不到要求。锚杆拔断的位置多在丝扣处，发现锚杆加工中存有问题，锚杆滚丝时，影响了锚杆的直径，锚杆受拉力时，丝扣处变为锚杆受力的弱面，导致锚杆断裂。
1.3 锚杆的预紧力和锚杆的让压变形不足
在高地应力带巷道支护的锚杆，目前其扭距普遍在300N，m以下，在巷道支护初期围岩变形速度快，最大月移近量达400mm，锚杆预应力不能有效控制锚固区的围岩离层、裂隙等，大采深巷道的高应力和大变形量要求支护锚杆具有较高的预应力，以及足够的延伸率冲击韧性，而随着巷道变形量的增加，锚杆杆体的延伸性能已达不到要求，锚杆断裂、失效等现象大幅增加。
1.4 锚固力不足
锚杆钻孔、杆体、树脂锚固剂直径匹配关系不合理，树脂药卷安装达不到要求，则出现锚固剂搅拌不均匀，锚固剂环形多厚度不同，锚固剂与煤岩壁或锚杆的粘强度不足，锚杆的锚固长度，锚杆的围岩的结合程度偏离设计值等问题，造成锚固力不足，此时锚杆所受的力超过锚杆与锚固剂与煤岩壁的摩擦力，锚杆发生滑移，以致失效。
1.5 锚杆局部受力集中
锚杆断裂的主要原因是杆体受力过大，超出其极限抗拉强度或抗剪强度。现场实践发现，断裂锚杆多发生在巷道顶、帮肩窝处及施工角度严重偏离设计的锚杆上，锚杆呈现出某一点受力集中现象，断口呈现出一点变形严重、断裂。
2.提高锚杆支护效果的对策
2.1 确定合理的支护参数
随着地应力和条件的变化，要对锚杆的支护参数进行相应调整，要对高地应力区巷道受力及受力条件下顶帮底变形情况，以及巷道周边的围岩进行全面分析，找出其受力及变形规律，确定合理支护参数，包括锚杆的问排距、锚杆规格以及其它配合锚杆支护的锚索、钢带、金属网等综合支护材料，从整体上确保锚杆支护的有效性。
2.2 合理选用材质和规格
锚杆支护是对锚杆施加一个预应力，由自由段将锚杆头处的拉力传至锚固体区域，通过锚固体的加固拱作用、悬吊作用、组合梁作用、围岩补强作用控制围岩不出现明显的离层、滑移与拉应力区。巷道采用锚杆支护时根据采深与巷道围岩性质、巷道周边围岩受力变形情况，可选用不同预应力材质锚杆和规格。
2.3 选择合理的锚杆扭矩
锚杆预应力随着扭矩的增大而增大，但受锚杆加工工艺精度，螺母与螺纹间的摩擦力、扭矩转化系数影响，当扭矩超过400N.m，预应力增加变缓。综合支护要求、材料成本及施工机具能力等因素，锚杆扭矩控制在300～400N.m，较为经济合理。
2.4 增大变形让压功能
锚杆的变形让压功能能够防止锚杆在过载阶段或冲击动压影响下破断。目前普遍采用提高锚杆的延伸率的方法，窑街海石湾煤矿采用让压锚杆（锚杆螺母与托盘之间使用球形让压管），取得了较好效果。让压管受到压力超过设定让压载荷时开始让压，通过让压管压缩变形达到让压的目的。
2.5 合理“三径”匹配
锚杆钻孔、杆体、树脂锚固剂直径的合理匹配，对煤巷锚杆支护参数的选择具有重要作用。根据工业性试验认为螺纹钢锚杆的钻孔直径和杆体直径之差应该控制在4-10mm，尤以6-8mm为佳，钻孔直径和杆体直径一定时，在确保顺利安装的前提下，树脂锚固剂直径应尽量加大。
2.6 錨杆均匀受力
井下实践发现，锚杆在满足支护需求的情况下，多数锚杆断裂是由于施工角度偏差大导致锚杆受力集中，在集中拉力和剪切力作用下，某一点首先断裂，继而整个锚杆断裂，为防止应力集中的出现，可在技术和管理上予以控制。锚杆托盘采用碟形高凸调角设计，螺母与托盘接触面为球形，保证螺母与托盘面接触。管理上加强锚杆角度施工控制，保证施工的螺母与托盘保持垂直。
2.7 锚杆居中放置
锚杆轴线与钻孔轴线重合时，锚杆周围的树脂锚固剂对围岩均匀对称分布，可避免出现一侧应力集中及锚杆产生附加弯矩作用现象，锚杆支护系统比较稳定。如锚杆偏心距增大，锚杆周围树脂锚固剂和钻孔围岩受力不均，易导致应力集中，并对锚杆产生弯矩作用，锚杆支护系统稳定性差。
2.8 托盘与煤壁面接触
提高锚杆支护的效果还要做好其它方面的工作，掘进支护前巷道顶帮必须要平整，保证锚杆托盘与煤壁面接触并受力均匀。与锚直同时使用的条形钢带既要有强度，还要保证其一定的可弯曲性，一般可用￠14mm钢筋梯子梁，否则，梯子梁在煤壁不平整的情况下将锚杆托盘支起而不能与煤壁面接触，导致锚杆失效，影响锚杆的支护效果。
3.结论
（1）高地应力区巷道锚杆支护要选择合理的支护参数。
（2）巷道支护锚杆需具有较高的预应力和延伸量。
（3）锚杆钻孔、杆体、树脂锚固剂直径要符合“三径匹配”原则，锚杆扭矩宜控制在300～400N.m.
（4）施工质量对锚杆支护效果具有重要作用。要采取提高人员的操作技能、严格施工过程控制等措施，保证施工质量。