论文部分内容阅读
【摘 要】论文研究了适用于大断面煤巷支护中的高强度锚杆，并运用相关模型模拟了在不同锚杆支护中巷道围岩应力场的分布规律和分布特征，旨在对高强度锚杆支护技术在大断面煤巷中的应用进行深入研究。
【Abstract】This paper researched the high strength bolt applied in large section coal roadway support.The distribution law and distribution characteristics of stress field of roadway surrounding rock under different bolt support are simulated by using correlation model.The purpose of this paper is to study the application of high strength bolt support technology in large section coal roadway.
【关键词】高强度锚杆支护技术；大断面煤巷；应用
【Keywords】 high strength bolt supporting technology；large section coal roadway；application；
【中图分类号】TD82 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）06-0178-02
1 引言
在进行了相关的研究之后，笔者发现在锚杆支护系统之中起着决定性作用的参数是预紧力，锚杆预紧力的增加可以更加有效的使得巷道围岩压应力场的应力值和其扩散范围随之增大。同时，在对锚杆长度进行选择的时候不仅需要考虑到锚杆预应力，更加需要考虑可锚性以及巷道围岩破碎程度。倘若是相同的锚杆材料，那么直径越大的锚杆材料，其强度也会越高，预应力扩散的范围也会更大。倘若锚杆跟岩面布置是垂直的情况的话，那么巷道围岩压应力区将会更加均匀的进行分布，从而锚杆预应力将会得到更佳的叠加效果。通过井下试验证明，高强度锚杆支护技术可以给大断面煤巷带去更加有效的支护手段。
2 概况
因为回采工作面大多是大型的设备，所以开采强度以及产量都得到了显著的提高，那么为了使得运输、通风和行人都保证正常的状态，就需要不断地扩大巷道断面。至今为止，回采巷道宽度大致已经可以达到五米到六米之间，断面积也可以达到十五到二十平方米之间。开切眼跨度可以达到十米，断面积可以达四十平方米。但是，不断增加的巷道断面所带来的就是支护难度的不断提升。对于特厚煤层的采放以及顶煤开采而言，为了使得放煤效果以及采出率得以提高，就必须使得工作面过风断面得到扩大，从而更好地解决通风以及瓦斯的问题。目前，采高被逐渐变大，正在朝着大采高综放开采方向发展[1]。然后，不断增大的采高必定会致使回采巷道的煤帮高度不断增大，以致于会形成一类高煤帮以及大断面巷道。同时，加大的巷道高度還会使得煤帮的稳定性以及变形受到影响，甚至会破会巷道围岩的稳定性，导致严重的巷道支护困难。就目前的情况来看，我国煤矿巷道大多是采用锚杆支护的方式。国家的很多重点煤矿已经达到了60%的平均锚杆支护率，甚至有一部分已经达到了90%或者是100%。现在大部分的支护问题已经被锚杆支护技术以及支护材料所解决了，同时还获得了很好的支护效果以及经济效益。不过，在一些大采高综放开采中所涉及的高煤帮以及大断面巷道之中，支护技术还将面临更高层次的要求。部分低强度的锚杆支护难以在困难巷道中获得良好的效果。总结起来，问题主要体现在以下的两个方面。首先是锚杆强度低的问题。现在的锚杆屈服强度是335到400MPa之间，而拉断强度是500到600MPa之间，而在一致的支护强度之中，因为锚杆强度比较低，所以更加需要高支护密度[2]。其次就是锚杆支护刚度低的问题。主要影响支护刚度的因素是锚杆预紧力与锚固方式，所以，只要想达到高刚度，就必须要在高预紧力条件下进行高强度锚杆加长。但是，仍然会因为锚杆加工精度不高、输出扭矩小和认识不足等原因导致锚杆预紧力矩以及预紧力难以达到标准，从而锚杆的支护作用难以得到真正的发挥。为了解决超高煤帮以及特大断面的煤巷支护的相关问题，我们现在需要做的事就是对大断面高强锚杆的支护技术进行更加深入的研究。
3 锚杆支护理论发展与材料研发
3.1 深化锚杆的支护理论认知
在锚杆支护被发明并且投入使用之后，有一部分的学者广泛的探讨了有关于锚杆支护作用机理的研究。至今为止，这些学者已经前前后后总共提出了大约十多种锚杆支护理论，其中比较常见的就有如悬吊理论以及组合梁理论和加固拱理论。在具体的实践之中，这些支护理论都发挥出了十分积极的作用[3]。不过，每一类的理论都是存在相关的适用条件的，同时还会在不同的层面之上存在着与之相应的局限性和片面性以及不合理性与不可操作性。最近幾年，在国内外学者的共同努力之下，对于煤矿巷道的锚杆支护技术进行了更加深入细致的研究，因此锚杆支护理论获得了突飞猛进的发展。学者也更加认识到在锚杆支护中预紧力所发挥的关键作用。比如锚杆可以强化围岩强度，约束围岩结构面的扩容变形，并且还可以保持围岩的完整性。这些认识都可以促进锚杆支护效果获得显著提高，尤其是给一些大断面巷道支护工作带去了重要的理论指导。
3.2 研制高强锚杆支护材料
有两种途径可以用来提高锚杆杆体的强度。首先是开发专门用于锚杆的高强度钢材。其次是将调质处理用于普通建筑螺纹钢之中以不断提高杆体强度。于是，在研发高强锚杆的支护材料的过程之中，一般会将这两种方案结合起来使用。第一步是要炼钢并逐渐开发强力锚杆的杆体材料，同时设计出专门的锚杆钢材配方，之后在钢中融进V、Ti、Nb等不同的化学元素来改变钢材原本的力学性质。而在对炼钢进轧制工艺的时候，就需要用到合理的轧制工艺来持续加工出那些含有高强度以及高延伸性特征的锚杆杆体。 4 高强度锚杆支护技术实际应用
4.1 大断面巷道的高强度锚杆支护
在进行大断面巷道的高强度锚杆支护工作之时，其工作面的主要采煤层四到九煤层，煤层的总体厚度在25.04到37.76m之间，平均厚度为31.40m。因此，煤层比较厚，层位比较稳定，煤层的倾斜角为4到10度。但是其结构比较复杂。因此，当锚杆长度不断增加的时候，压应力区范围以及厚度都在不断增加，于是锚杆作用范围也在逐渐扩大。倘若锚杆中部以及上部的压应力在持续减小，那么两个锚杆中部的围岩压应力也会随之减小[4]。这就表明，如果预应力是固定的，那么锚杆越长，则预应力作用就会越模糊，主动支护性也会更差。因此，锚杆越长的话，那么所要施加的预应力也就应该变得更大。从而才可以形成良好的支护系统并实现优良的支护效果。
4.2 支护效果
在进行巷道掘进以及支护施工的过程之中，主要的工作就是检测巷道围岩的变形情况。虽然在掘进期间，巷道会发生相应的位移，但是就总体而言，工作面回采期间的巷道围岩尚未出现明显破坏，巷道也没有出现大幅变形量，因此是完全符合运输与通风需要的。根据总体的监测数据情况来看，在掘进期间，巷道的变形量还是比較小的，因此与之相对应的支护效果也是十分良好的。
5 结语
总而言之，锚杆对巷道所起到的支护作用大多是锚杆预紧力作用于压应力区所产生的，同时他还能够跟其他支护构件一起构成预应力承载结构来强化巷道围岩并且约束围岩结构面的扩容变形情况以保持完整稳定的巷道围岩。同时，大断面煤巷的锚杆支护参数有很多种类，但是其中最为关键并且起着决定性作用的是预应力。因此，锚杆强度越大则表示可施加预应力也会更高，不过施加锚杆预应力之前还是要对巷道围岩可锚性进行深入考虑。最后，高强度高预应力锚杆支护技术可以在很大程度上防止大断面巷道圍岩发生严重的变形。
【参考文献】
【1】孟庆彬，韩立军，乔卫国，等.大断面软弱破碎围岩煤巷演化规律与控制技术[J].煤炭学报，2016（08）：1885-1895.
【2】余伟健，冯涛，王卫军，等.软弱半煤岩巷围岩的变形机制及控制原理与技术[J].岩石力学与工程学报，2014（04）：658-671.
【3】田维荣，赵克俭，曹新奇，等.弱含水条件下软岩巷道顶板破坏机理与控制技术[J].煤矿开采，2014（05）：55-57+76.
【4】徐青云，张磊，鲁杰，等.高瓦斯松散煤体复合顶煤巷支护参数优化分析[J].中国煤炭，2014（12）：42-45.
【Abstract】This paper researched the high strength bolt applied in large section coal roadway support.The distribution law and distribution characteristics of stress field of roadway surrounding rock under different bolt support are simulated by using correlation model.The purpose of this paper is to study the application of high strength bolt support technology in large section coal roadway.
【关键词】高强度锚杆支护技术；大断面煤巷；应用
【Keywords】 high strength bolt supporting technology；large section coal roadway；application；
【中图分类号】TD82 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）06-0178-02
1 引言
在进行了相关的研究之后，笔者发现在锚杆支护系统之中起着决定性作用的参数是预紧力，锚杆预紧力的增加可以更加有效的使得巷道围岩压应力场的应力值和其扩散范围随之增大。同时，在对锚杆长度进行选择的时候不仅需要考虑到锚杆预应力，更加需要考虑可锚性以及巷道围岩破碎程度。倘若是相同的锚杆材料，那么直径越大的锚杆材料，其强度也会越高，预应力扩散的范围也会更大。倘若锚杆跟岩面布置是垂直的情况的话，那么巷道围岩压应力区将会更加均匀的进行分布，从而锚杆预应力将会得到更佳的叠加效果。通过井下试验证明，高强度锚杆支护技术可以给大断面煤巷带去更加有效的支护手段。
2 概况
因为回采工作面大多是大型的设备，所以开采强度以及产量都得到了显著的提高，那么为了使得运输、通风和行人都保证正常的状态，就需要不断地扩大巷道断面。至今为止，回采巷道宽度大致已经可以达到五米到六米之间，断面积也可以达到十五到二十平方米之间。开切眼跨度可以达到十米，断面积可以达四十平方米。但是，不断增加的巷道断面所带来的就是支护难度的不断提升。对于特厚煤层的采放以及顶煤开采而言，为了使得放煤效果以及采出率得以提高，就必须使得工作面过风断面得到扩大，从而更好地解决通风以及瓦斯的问题。目前，采高被逐渐变大，正在朝着大采高综放开采方向发展[1]。然后，不断增大的采高必定会致使回采巷道的煤帮高度不断增大，以致于会形成一类高煤帮以及大断面巷道。同时，加大的巷道高度還会使得煤帮的稳定性以及变形受到影响，甚至会破会巷道围岩的稳定性，导致严重的巷道支护困难。就目前的情况来看，我国煤矿巷道大多是采用锚杆支护的方式。国家的很多重点煤矿已经达到了60%的平均锚杆支护率，甚至有一部分已经达到了90%或者是100%。现在大部分的支护问题已经被锚杆支护技术以及支护材料所解决了，同时还获得了很好的支护效果以及经济效益。不过，在一些大采高综放开采中所涉及的高煤帮以及大断面巷道之中，支护技术还将面临更高层次的要求。部分低强度的锚杆支护难以在困难巷道中获得良好的效果。总结起来，问题主要体现在以下的两个方面。首先是锚杆强度低的问题。现在的锚杆屈服强度是335到400MPa之间，而拉断强度是500到600MPa之间，而在一致的支护强度之中，因为锚杆强度比较低，所以更加需要高支护密度[2]。其次就是锚杆支护刚度低的问题。主要影响支护刚度的因素是锚杆预紧力与锚固方式，所以，只要想达到高刚度，就必须要在高预紧力条件下进行高强度锚杆加长。但是，仍然会因为锚杆加工精度不高、输出扭矩小和认识不足等原因导致锚杆预紧力矩以及预紧力难以达到标准，从而锚杆的支护作用难以得到真正的发挥。为了解决超高煤帮以及特大断面的煤巷支护的相关问题，我们现在需要做的事就是对大断面高强锚杆的支护技术进行更加深入的研究。
3 锚杆支护理论发展与材料研发
3.1 深化锚杆的支护理论认知
在锚杆支护被发明并且投入使用之后，有一部分的学者广泛的探讨了有关于锚杆支护作用机理的研究。至今为止，这些学者已经前前后后总共提出了大约十多种锚杆支护理论，其中比较常见的就有如悬吊理论以及组合梁理论和加固拱理论。在具体的实践之中，这些支护理论都发挥出了十分积极的作用[3]。不过，每一类的理论都是存在相关的适用条件的，同时还会在不同的层面之上存在着与之相应的局限性和片面性以及不合理性与不可操作性。最近幾年，在国内外学者的共同努力之下，对于煤矿巷道的锚杆支护技术进行了更加深入细致的研究，因此锚杆支护理论获得了突飞猛进的发展。学者也更加认识到在锚杆支护中预紧力所发挥的关键作用。比如锚杆可以强化围岩强度，约束围岩结构面的扩容变形，并且还可以保持围岩的完整性。这些认识都可以促进锚杆支护效果获得显著提高，尤其是给一些大断面巷道支护工作带去了重要的理论指导。
3.2 研制高强锚杆支护材料
有两种途径可以用来提高锚杆杆体的强度。首先是开发专门用于锚杆的高强度钢材。其次是将调质处理用于普通建筑螺纹钢之中以不断提高杆体强度。于是，在研发高强锚杆的支护材料的过程之中，一般会将这两种方案结合起来使用。第一步是要炼钢并逐渐开发强力锚杆的杆体材料，同时设计出专门的锚杆钢材配方，之后在钢中融进V、Ti、Nb等不同的化学元素来改变钢材原本的力学性质。而在对炼钢进轧制工艺的时候，就需要用到合理的轧制工艺来持续加工出那些含有高强度以及高延伸性特征的锚杆杆体。 4 高强度锚杆支护技术实际应用
4.1 大断面巷道的高强度锚杆支护
在进行大断面巷道的高强度锚杆支护工作之时，其工作面的主要采煤层四到九煤层，煤层的总体厚度在25.04到37.76m之间，平均厚度为31.40m。因此，煤层比较厚，层位比较稳定，煤层的倾斜角为4到10度。但是其结构比较复杂。因此，当锚杆长度不断增加的时候，压应力区范围以及厚度都在不断增加，于是锚杆作用范围也在逐渐扩大。倘若锚杆中部以及上部的压应力在持续减小，那么两个锚杆中部的围岩压应力也会随之减小[4]。这就表明，如果预应力是固定的，那么锚杆越长，则预应力作用就会越模糊，主动支护性也会更差。因此，锚杆越长的话，那么所要施加的预应力也就应该变得更大。从而才可以形成良好的支护系统并实现优良的支护效果。
4.2 支护效果
在进行巷道掘进以及支护施工的过程之中，主要的工作就是检测巷道围岩的变形情况。虽然在掘进期间，巷道会发生相应的位移，但是就总体而言，工作面回采期间的巷道围岩尚未出现明显破坏，巷道也没有出现大幅变形量，因此是完全符合运输与通风需要的。根据总体的监测数据情况来看，在掘进期间，巷道的变形量还是比較小的，因此与之相对应的支护效果也是十分良好的。
5 结语
总而言之，锚杆对巷道所起到的支护作用大多是锚杆预紧力作用于压应力区所产生的，同时他还能够跟其他支护构件一起构成预应力承载结构来强化巷道围岩并且约束围岩结构面的扩容变形情况以保持完整稳定的巷道围岩。同时，大断面煤巷的锚杆支护参数有很多种类，但是其中最为关键并且起着决定性作用的是预应力。因此，锚杆强度越大则表示可施加预应力也会更高，不过施加锚杆预应力之前还是要对巷道围岩可锚性进行深入考虑。最后，高强度高预应力锚杆支护技术可以在很大程度上防止大断面巷道圍岩发生严重的变形。
【参考文献】
【1】孟庆彬，韩立军，乔卫国，等.大断面软弱破碎围岩煤巷演化规律与控制技术[J].煤炭学报，2016（08）：1885-1895.
【2】余伟健，冯涛，王卫军，等.软弱半煤岩巷围岩的变形机制及控制原理与技术[J].岩石力学与工程学报，2014（04）：658-671.
【3】田维荣，赵克俭，曹新奇，等.弱含水条件下软岩巷道顶板破坏机理与控制技术[J].煤矿开采，2014（05）：55-57+76.
【4】徐青云，张磊，鲁杰，等.高瓦斯松散煤体复合顶煤巷支护参数优化分析[J].中国煤炭，2014（12）：42-45.