煤矿锚杆支护.pdf

● 煤矿锚杆支护 潘春德鳊译 锚杆支护 的悬顶作用和成 岩 梁作用 已 有多文沦及 ， 这 里不再 赘述。1 9 4 3年 W e i g e 1 已发表论文述及顶板锚杆构成加固的顶板粱 或拱。锚杆支护 已成为 井巷工程的重要组成 部分 ， 而为世界各产煤国家所广泛应用。 1 9 8 5 年的 应用情 况如表 1所示 。而1 9 8 8 年 美国的 锚 杆耗量 又上 升至 8 ， s o o t y 套 ，如 图1 所示。 1 9 8 9 年世界各国镭杆利甩散 约 量 百万套 表 1 国象 费胃 南非 澳大 莉卫I加拿大 1 鲁 国 巷国 奠目 _ _ _ 年 耗 量 8 0 B 8 l e 5 5 O 5 L．8500刀 套 爨 呦 它纽 { 】j } 0 0 ’⋯ 图 1 1 9 8 8 年 美国煤矿 用锚 杆类型 熟昭 鲰 链 鬼 鲰 鬼 鲰 鬼 鬼 鬼 鬼 强鲰 恒 鲰 指数 则是 S c h ml d t 硬 度 与磨 蚀硬度 的平方 根 乘积 。 De e r e 和MI I l e r 指 出总 硬度与UCS 有 密 切关 系。Ta r k o y 1 9 7 3 指出总硬度 与 1 3 个 现场 全 断面 钻凿的进度 有关 ， 与其每钻 进一 立方码的刀具费用有关，也与它因维修而停 工的时 间有关 。 Ne l s o n 等 1 9 8 3 还 根据 4条 隧道 在 9类岩 石中钻进 的数据指 出全 面钻凿 机 的标准进度 与钻 进的推力关系极 密切。该 9类岩石 ， 包括石 灰岩 、 白云岩 、 砂岩和页岩。 P a r a d o x 盆地 测试 总硬度 与UCS 关 系的 结 果如图3 b 所示。它显示 了中等相关 若无 石 灰岩 ，其相关会更好。 结 论 岩石特性指数能老地 下开 拓工程的早期 可行性 研究与初步设计挺供经济而实用 的数 据基 础。指数试 验应在最初 阶段 就纳入 勘查 和现场鉴定计划。特性指数的使用通常是根 据统计分析提出的。本文提出东P a r a d o x 盆 地岩石 特性指数同某特定现场整套岩类岩石 特性的相互关系。它是很有用的。当经验和 测试结果证 明指 数与有用的岩石特性 间富有 意义 的 相关 的 同时，从各研 究者所 获结果 的范围的研 究还将认 识到最好是从现场特定 位置采取有代表意义尺寸 的试样来校正 各特 性指数。此外，在统计基础上选用任一其他 工程 的设计值时，设计工程师必须在 自己的 判断，经验和直接参与现场勘查与指数测试 的基 础上认真地加以研讨。 ．毛 光 宁译 丁 日熙校 原文载- - Mi n i n g En g i n e e r i n g “ 1 98 9． 2 9’ 维普资讯 一 ，锚秆类型 目前，矿用 锚杆的种类很多 ，以英 国为 例， 归纳起 来有三大类 1 机 械 锚 杆 ， 2 化 学 树 脂 锚 朴 、 3 摩 擦稳定器。 1 ．机械锚杆 这类锚杆最普遍的为缝楔式或涨壳式。 它锚着于孔 底部分，拉伸应力较小，一般 约 为 1 9 0 N n 】 ， 孔底最好 位于坚硬完整的岩石 里，以免拉脱，多用于暂时性井巷工程 如 回采巷遒 及其它一 些』 临时巷道 或工作面。 而美国在浅部 房 柱 式 采 煤 中应 用较多，据 1 9 8 8 年统计，美国煤炭工业使用机械锚杆数 量为3 0 0 0 万套。在美国锚杆的 拉仲应 力可达 4 4 0 Nl n 。 2 ．化学锚杆 化学锚杆亦 即树 脂锚朴，于6 O 年代 [ I ] 期 已在欧洲发 展成 商品 开 始仅在锚孔 内端加 树脂将杆体锚 回，用按 类似 于机械 锚杆。而 后 随着成 岩 粱技术被普 遍承认 而发 展出全 孔胶台锚杆 ，现 在全 世界普 遍应丹 j 。 利用不同凝速的 树脂使 锚杆在 孔内端凝 得快，外端 凝褥慢， 因而 可在 内端 锚住后， 预加 拉应力形 成树脂全 胶台预应力锚杆 。这 种锚杆开始用在隧道工程中，并称之为预拉 伸系统。近几年来，已被煤炭工业采用，如 英国巳广泛用于回采工作面的修复支护中 树脂 锚杆可与机械 锚杆结 台使用 ，即构 成组 台锚杆 。它兼有 两种 锚杆 的优点，可用 以支护 软弱岩层 ，其 锚固拉力在美 国的实用 中可达5 6 5 Nm。 最近， 美国又使用了一种高应力锚扦， 刚 用直径为 i 英 寸、 最小 心服应力为8 0 ， O O O 磅／ 1 n 英寸。 的钢杆； 寺～； ．英寸厚、 8 ～1 0 英寸见方 的金 垫板及树 脂组 成 这种 r 适 用于托 1 O 当难支护的地方，如巷遭交叉点、工作面出 入 口等。 3 ．摩擦稳 定器 这 类 锚杆一般 由钢管组成 ，靠管壁与整 个 樯孔 壁之间的摩擦来 约束岩层的 移动，现 明昀有三 种类型 1 缝管式这种 锚杆的直 径稍大 于锚 孔直径，借助于安装时用力击入而锚剧 2 椭 圆管椭 圆主 轴大 于锚孔直径， 装 时用 力击八锚 孔而 嵌牢 ， 3 折 叠 式 Sw e l l c x 沿 管 的 纵 向 有许多 皱褶 ， 放入锚 孔后 ． 用 高压 水压胀 而挤 紧锚孔壁。摩擦稳 定器 在煤矿 中一般不用作 主 要支护 ，但 园其安装简单，英 国最近凡 年 在采 煤工作 面 的恢复 中应用较多 。但这种 锚 杆的单位长度锚 固力较小 ，不适 用于地 压犬 的地质环境，且有腐蚀问题，一般不用为长 期性 支护 。 二、锚杆的可靠程度及其选择 锚杆的可靠程度及使 用寿命是表征锚杆 性 能的重要因素。井巷 工程 中要求所甩的锚 扦最好 能一次满足需要。这就要 利用蕊质量 的材料，如高强度钢棒，可高效快速锚固的 特殊树脂等。美国十多年的经验证明，树脂 全胶台锚杆巳逐渐不受人们的欢迎。因为树 脂过于靠近垫板会限制杆体的拉伸和垫板的 挤压力 。 选择 锚杆 时，应 当注意垫 板的工作压力 值 ，最好 限制在 钢杆屈服 应 力值的 5 0 之 内。垫板的初始 载荷过高， 限制 了岩体应力 的发 展，则地压 稍高于该初始 载荷就 会导 致 锚固的 尉烈破坏。与 之相比，摩擦稳 定器的 机 械性 能较好且 始有 效控制地届的运动。在 所 有地质 条件 ，摩 擦稳 定器 的锚固力都将 触 时蒯的延长 而增加。其它 类型的锚杆 刚性 较弧，从 圈 2所示 n 勺 i lr 1 ．J l 拉仲试验 I 1 I 看 出， 趔应力锚杆的模量最 大， 其敬是全 肢台树脂 维普资讯 锚扦、水 锚 扦、机械 锚杆， 而摩 撼稳定器 的模量最小 。 ． ． lI 1． I J 【 ． 2 1． ； 1 ． “7 5 7 n 立 形 圈2．各神锚 杆的扛 仲试 验对比 其次，还要 根据 岩石 的膨 胀量选择适 宜 长度 的锚 杆， 使锚杆的 伸长 量与岩石 的膨 胀 量相适应。 例如 ， 直接顶板厚为 8～4英尺， 其 膨 胀 量 为 { ～ 英 寸 ， 那 么 杆 体 的 伸 长 量 也应为 1～ 1 英寸 。实 践表明 ． 如 果利用直径 为 詈 英 寸 、 长 为 5 英 尺 ， 树 脂 锚 圃 长 度 为 3 英 尺的组台锚杆，在屈服应力范 围内，秆体承 受 的 拉 力可 达 1 3 t 。 三、锚杆系统的设 计 所 有井下 支护系统的 设计原理都是 帮助 岩体 自持。矿井 中，巷道 出现不稳定 现象的 因素一般可归 咎于下列几种 因素 图3 嘲 三兰 一 曼j 电辍 圈3 ．巷道不稳 定的固素 1 直接顶扳可能 出于 弯 曲而 离层和 破 坏 ， 2 直接顶板可能 L 1 l 于 剪切破 环 通 常 为高的水平剪切应力而离层和破坏， 3 巷道布置方 向与当地节理 网络 相 适应 而导致 已被割裂的岩块 滑动 或 日落J 4 底 臌。 即使巷遘 顶 底板 条件好，如果 煤层 本身 含有裂 隙，也会加大顶底板的 跨度 ，因而加 剧了上述不利因素的恶化 。所 以在 设计 锚秆 时，应 及早予以注意 。 设计 过程 可分 三个阶段， 即理论设计， 模 拟 和经 验 设计 。 一 理 论设 计 对 于系统的锚杆支护而言，安装 锚杆后 在加 固的岩拱内增加 了对拱 内岩 块 的 限 制 力， 使之处 于三 轴应 力状态，符合摩尔破 坏 准则。设 锚杆安装后 使加 固的岩拱的许用应 力有效地增加 丁 △6 1 ， 那 么，铺杆系统所担 负的压力为 P △61 t 1 其中 t P 作用压力 载荷 j f 加固的岩拱的有 效厚度 上一 S L一锚杆长度 I S 锚杆间距。 作 用压力P。 还 可用下武 表示 ； P [ 告 ] 其 r p ； 岩石 内摩擦角。 如果 园锚固岩体 而 增 加 的 限 制 应力为 △6 3，根据摩尔圆可得 △ 6 2 t g 。 4 5 。 -t- 导 △ 6 3 2 △ 6 3 告 一 3 其l t U⋯一 锁杆的屈服 载荷 t 将 式 2及 8代入1得 [ s 。 旦 ] [ 善 1 I 章 孽 维普资讯 令 导 则 4 利用上式，便可设计锚杆系统。 二 蠖拟 模拟 研究 ，可 检 鸯 巷遒设计 得是否 合 理 。英国煤炭高质量标 准技术 部已做过 砂与 石膏比为1 ／ 5 o 的 比例 模型，为巷道设计提供 了快速、安全及经济的对 比手段 ，而西德煤 炭工业评估 巷遭 时广泛 采用 的 模型 比例为 1 ／ 1 0 。 三 经 验 设 计 经验设计法是以观察成功的实例为基础 的， 而其反 推分析 可为 设计 提供 指南 。适 用 于煤矿锚杆设计的方法有两种 1．法 国 的 经验 设 计 法 法国的经验 设计 法已发展 了多年，现 已 日臻完 善。 它开发 了一个矩 阵， 矩阵的元 素包 括岩石 类型 、埋 深影响或相互作用 压力 、描 杆的 锚固类型 、锚杆长度 、锚杆 直径 、锚杆 间距及垫 板类型 等。如 果能 满足如下 几点， 锚杆的设计 是台理 的 1 在第一个 5 m厚的顶板内 ，所 禽煤 层 总厚不超 过l m， 2 锚固顶板岩粱的离层 不超过5 0 ram， 且其分离速度应逐 渐减小， 并在 达到离层极 限l O O mm之前稳定下来 ， 1 1 3 锚杆长度应力巷道宽的音～ 山 ，闻 距不能 超过杆长 的 i 1 } 4 顶板 中不同岩层的最大厚度 不超过 20 0 m m 。 5 巷道应 不 受 岩 层 相 互作用 压力 的 影 响 。 2．Bi e n i a ws k i 的地 质 力学分类法 这 种方 法是Bi e n i a ws K i 于 1 9 7 3 年 提 出 】 2 的，它利用了如下可于现场测得的参数 1 原岩的单 轴抗压强度 } 2 岩 石 质 量 标 志 } f 0 节 理 问 题 ’ 4 节 理 情 况 } 5 水 文地质 条件 } 6 节理方 向。 对上 述诸 参数均 赋以数值 ，加 以组 合得 出所 研究岩体 的 标称 值 RMR。根据给 定的 某一 岩体 的标 称值，和 图 4 所 示 的地质 力学分娄，便可得 到强板跨度 m 与开挖 空 间维持时间的关 系。根据这个 图表 ，锚固的 负 载岩层厚度 。 可用下式 表示 1 5 ．0 0 “一 、u ● 其中 B开挖跨度， 。 圉4 ．岩体 的地 质力学分类 圉 四、岩体 与支护 系统 的相互 作用 ． 在巷遭支护系统的设计过程中，应考虑 ’ 岩体 与支护系统的 载荷和形 变特 性中有相 互 作用的性质。如图 5 的裁荷形变曲线所示， ． 点给 出了 即将开挖巷道 之前 的岩石应力 状 态。这个应力值为支护系统将承受的蠛荷。 从图 5看出，随着开 挖， 岩体 内部 发生 初始 弹性形 变，随后在 巷道 周围出现 破坏。支护 系统的作用在于限制变形及尽少冒顶 支护 维普资讯 露 天矿 相邻 台阶作 业 可靠度的确定 [ 苏] B． B． P o m o B 等 在确定露 天矿可 靠度 时，如一 般随机 系 统一样 ，估价上部 台阶作 业的随机性对下部 台 阶作 业可 靠度 的影 响是 基 本 问 题 之一 [ 1] 。 显然 ， 在上部 台阶停止工作时，下部 台 阶只能推进到允许 的最 小工作平盘 宽度。可 见 ，露天 矿作业可 靠度的基本条件 之一 是 在上部 台阶停止工作 的时期内 ，由上部 台阶 所 余裕 的工作平 盘 宽度的工程量来 保证 相邻 下部 台阶的正 常工作[2] 。 下面分析露天矿两个上部相邻台阶回采 作业 间的概 率 式。根据 工程 推进 情况， 台 阶 I可以做 出两个相排 斥的假 没t H 台阶 I进 行开采作 业， 日 台阶 I 进行开采作业 。 由台阶 I的可 用度可确 定上 述假设的慨 盔。 即 P 日 Kl } P H2 I 一 。 其 中 P 日I 事 件日l 的概率 J K 台阶 I的可用麈 。 在 台阶 Ⅱ上 ，或者进 行开 采作业 事件 ， 或者 不 进 行开 采 作业 事 件B，此 时 ，P P B1 。实 际上 ，它 们 取 决 于 台阶 I的两个假 设 日 和日t 。 ‘ * 嘶幡 惭幛 { 豁惭 砖 0 ∞ c 。 ， ’ ， ∞ ， ∞， C 轴忭 ∞ ∞ - ∞ ，， _ I心， ∞ ⋯2 、 系统 要与 岩体 的载荷 一 形 变特 性 相协 调。如 果支护系统 安装于 B点，反 作用线为 Bc， 于是支护 系统若 能在发生位移 之后 产生 支 撵 力，且达到 值 ，贝 它 就 能控制巷道 的形 变。如果 支护系统 架设过 迟，或者 不能对相 应 岩体 给出所 需的反 作 用 线 ，就 会 导致破 抬盟 - 立 l芷 图5 支护 系统与岩体 的戴 荷一 形 变特 性曲线 坏。预拉应 力锚扦系统最为 刚劲，故最 受欢 迎。从这里还可以看出，锚杆支护与支架支 护 的作 用范围是 不同的。锚杆的支护 作用是 在顶板岩层未出现离层前就开 始生效，而支 架是在岩层 发生初始运 动形成松散层以后。 岩石在发 生运 动前需要的支撑力甚微且 已为 锚杆所 承 担。 参考文献 1． G ． DA W S Co a I M i n e Ro0f b 0 1 - t i n g， Th e M i n i n g Eng i n e e r ． Oc t ． 1 9 87 ， PP． 1 47 15 3． 2． J m e J． Sc o t t I Ro of b ol t { ng A Sop hi s t i c a t e d A r t ， Co a l ， A u g． 1 98 9， pp． 59 6 9． 鲁汀审校 1 3 维普资讯