专题-煤巷锚杆支护与架棚支护技术经济分析对比.doc

1、专题部分煤巷锚杆支护与架棚支护技术经济分析对比摘要：本文从技术经济角度，对煤巷锚杆支护与架棚支护作了一个简单的对比，讨论了两种支护方式的支护原理，通过应用实例证明了锚杆支护是一种应用前景更加广阔的支护方式。关键词：煤巷；锚杆；架棚；支护；技术；经济；比较1 概述我国煤炭资源丰富，产量很大。由于煤质、煤层埋藏条件千差万别，以及矿井巷道用途及其生产技术条件不同，使得我国煤矿巷道的支护工作十分复杂，巷道支护形式多种多样。在我国煤矿生产现场中，煤巷的支护形式主要有锚杆支护、架棚支护和组合支护等几种。由于锚杆支护对巷道围岩强度的强化作用，可显著提高围岩的稳定性，加之支护成本低，明显改善作业环境和安全生产

2、条件，可提高矿井的技术经济效益，因而成为煤矿巷道的一种主要支护形式。我国煤矿自1956年使用锚杆支护以来，在岩巷中发展迅速，1998年，锚杆支护比重已高达60.85%。在原煤炭工业部将“煤巷锚杆支护”列为煤炭工业“九五”重点科技攻关项目以后，我国煤矿锚杆支护比重从1995年的15.15%提高到1998年的20.14%。但是，在我国的煤矿生产现场中还存在许多架棚支护形式，然锚杆支护存在许多优点，但是架棚支护在某些情况下是不可替代的，在技术、经济上与锚杆支护相比，也存在着许多优势。组合支护是多种支护形式的综合，种类繁多，在此仅对锚杆支护和架棚支护做一个简单的比较。2 锚杆支护的原理及其种类2.1锚

3、杆支护的原理锚杆支护属于“主动”支护，在锚杆安装以后即对围岩提供支护阻力，而且随着围岩的变形，支护阻力不断增加，因而能及时地、有效地提高巷道围岩强度，防止围岩早期离层和控制围岩变形。传统的锚杆支护理论有：悬吊理论、组合梁理论、组合拱（压缩拱）理论，近期又发展了最大水平应力理论，提出了巷道锚杆支护围岩强度强化理论。2.1.1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定岩层上，以增强较软弱岩层的稳定性。对于回采巷道经常遇到的层状岩体，当巷道开挖后，直接顶因弯曲、变形与老顶分离，如果锚杆及时将直接顶挤压并悬吊在老顶上，就能减小和限制直接顶的下沉和离层，以达到支护的目的，

4、如图1-1所示。图1-1 锚杆的悬吊作用图1-2 顶板锚杆悬吊松动破裂岩层巷道浅部围岩松软破碎，或者开掘巷道后应力重新分布，顶板出现松动破碎区，这时锚杆的悬吊作用就是将这部分冒落岩体悬吊在深部未松动岩层上，如图1-2所示。悬吊理论只适用于巷道顶板，不适用于巷道帮、底。如果顶板中没有坚硬岩层或顶板软弱岩层较厚，围岩破碎区范围较大，无法将锚杆锚固到上面坚硬岩层或者未松动岩层上，悬吊理论就不适用。2.1.2组合梁理论组合梁理论认为：在层状岩体中开挖巷道，当顶板在一定范围内不存在坚硬稳定岩层时，锚杆的悬吊作用居次要地位。如果顶板岩层存在若干分层，顶板锚杆的作用，一方面是依靠锚杆的锚固力增加各岩层间的摩

5、擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象；另一方面，锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度，阻止岩层间的水平错动，从而将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层（组合梁）。这种组合梁岩层在上覆岩层载荷的作用下，其最大弯曲应变和应力都将大大减小，组合梁的挠度亦减小，而且组合梁越厚，梁内的最大应力、应变和梁的挠度也就越小，如图1-3所示。 （a） （b）图1-3 顶板锚杆的组合梁作用（a）未打锚杆；(b)布置顶板锚杆组合梁理论只适用于层状顶板锚杆支护的设计，对于巷道的帮、底不适用。2.1.3组合拱（压缩拱）理论组合拱（压缩拱）理论认为：在拱形巷道的破裂区安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成

6、圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距离足够小，各个锚杆形成的压力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱（亦称组合拱或压缩拱），这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向载荷。在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向应力状态，其围岩强度得到提高，支撑力也相应加大，如图1.4所示。因此，锚杆支护的关键在于获取较大的承压拱厚度和较高的强度，其厚度越大，越有利于围岩的稳定和支撑能力的提高。图1-4 组合拱的组合拱原理2.1.4最大水平应力理论最大水平应力理论认为：矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性，最大水平应力一般为最小水平应力的

7、1.52.5倍。巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响，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，其顶底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。在最大水平应力作用下，顶底板岩层易发生剪切破坏，出现错动与松动而膨胀造成围岩变形，锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动，因此要求锚杆必须具备强度大、刚度大、抗剪阻力大，才能起约束围岩变形的作用。2.1.5巷道锚杆支护围岩强度强化理论巷道锚杆支护围岩强度强化理论认为：巷道锚杆支护的实质是锚杆和锚固区域的岩体相互作用而组成锚固体，形成统一

8、的承载结构；巷道锚杆支护可以提高锚固体的力学参数，包括锚固体破坏前和破坏后的力学参数，改善被锚固岩石体的力学性能；巷道围岩存在破碎区、塑性区、弹性区，锚杆锚固体区域内岩体的峰值强度或峰后强度、残余强度均能得到强化；巷道锚杆支护可改变围岩的应力状态、增加围压，从而提高围岩的承载能力、改善巷道的支护状况；巷道围岩锚固体强度提高以后，可减少巷道周围破碎区、塑性区的范围和巷道的表面位移，控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而有利于保持巷道围岩的稳定。2.2锚杆的种类锚杆是锚固在煤、岩体内维护围岩稳定性的杆状结构物。目前，国内外适用于不同条件、具有不同功能和用途的锚杆有数百种，按锚杆与被锚固体（煤、岩体）的

9、锚固方式大体可分为粘结式、机械式、摩擦式三种；按锚固段的长短可分为端头锚固、全长锚固和加长锚固；按锚杆杆体的工作特性可分为刚性锚杆和可延伸锚杆；根据锚杆强度的大小可分为普通锚杆和高强度（超高强度）锚杆。锚杆支护一般要把锚杆和其它一些支护材料结合起来，例如金属菱形网，塑料网，W钢带，以更好地强化对巷道的支护作用。在此，也把这些支护形式算入锚杆支护的形式。3 架棚支护的原理和种类3.1架棚支护的原理架棚支护属于“被动”支护，支架本身没有或仅有很小的初撑力，随着围岩变形的增大，靠支架自身的强度支撑上覆岩层。下面分别简述刚性支架和可缩性支架的工作原理。3.1.1刚性支架的工作原理刚性支架就是支架本身没

10、有可缩性或可缩性很小的支架。为适应围岩的变形、移动，刚性支架只能依靠支架压入底板，架后破碎岩石压缩，接 处木垫压缩以及支架本身的挠曲变形来解决。由于支架本身的可缩量很小，所以刚性支架只能使用在围岩比较稳定，变形很小，压力不太大的巷道，否则将造成支架的严重变形和损坏，巷道断面急剧缩小，乃至多次进行翻修，甚至难以使用。3.1.2可缩性支架的工作原理可缩性金属支架由若干支架节（构件）组成，节与节之间用连接件连接。当拧紧连接件的螺母或拧紧连接件的楔子后，连接件将支架节间搭接的型钢压紧，给它们提供预紧力（锁紧力）。要推动支架节间搭接部分滑动必须克服型钢与型钢之间、型钢与连接件之间的摩擦力。巷道掘进以后，

11、围岩发生变形，压紧支架，支架承受载荷，产生内力。内力中对支架力学性能最有影响的是轴力（压力）和弯距。轴力推动支架节间搭接型钢的滑动，而弯距则阻止其滑动。支架内产生弯距以后，就会造成支架挠曲。设支架挠曲出中性层的曲率为k，曲率半径为，弯距为M，型钢弹性模量为E，惯性距为Jx根据材料力学的推导，得到以下关系：k=1/=M/(EJx) (公式2-1)这里规定凹面向里的曲率为正，凹面向外的曲率为负，正弯距产生负曲率，负弯距产生正曲率，因而式（1-1）中有负号。当E、Jx一定时，k与M成正比，M越大，k越大，型钢搭接处滑移越加困难。从整体上看，轴力是支架的内力，但是将型钢从搭接处切开来看，轴力则是推动型

12、钢滑移的力。当轴力推动型钢时，连接件将发生歪斜，连接件受力后也要产生变形，再加上弯距产生的曲率，这些都使连接件与型钢间的压力加大，这就是附加压紧力。预紧力加上附加压紧力就形成了型钢搭接部分之间的摩擦力。当轴向推力小于这个摩擦力时，支架不可缩，若轴向推力大于摩擦力时，型钢之间产生相对滑动，支架缩短。支架缩短后，减少了支架承受的外载，轴向推力小于摩擦阻力，型钢之间出现相对稳定，支架不再缩短，与外载处于平衡状态。此后围岩继续变形，外载增加，弯距和轴力又继续加大，当轴向推力大于摩擦阻力时，两型钢搭接处又产生相对滑动，支架缩短，如此反复。应该注意的是：由于型钢第一次产生相对滑动以后支架形状产生了变化，两

13、型钢搭接处产生了错动，迫使连接件与型钢之间的挤压加大，再加上支架、连接件变形加大等原因，使得第二次滑动前的附加压紧力比第一次的要大，摩擦阻力也就增加，需要更大的轴向推力才能使型钢搭接处产生相对滑动。由于产生滑动所需要的轴向推力一次比一次加大，就出现了井下支架实际工作阻力的增阻现象。3.2架棚的种类按支架的材料可分为木支架、金属支架、混凝土支架和砖拱支架等几种。金属支架按材料可分为矿用工字钢和U型钢；按架型可分为拱形、多铰曲腿形、梯形、圆形、方环形、长环形、拱梯形和斜梯形等；按支架是否具有可缩性分为刚性支架和可缩性支架。4 煤巷维护费用的计算巷道的维护费是指巷道开挖之后，为确保通风、运输、行人及

14、安全生产而维护一定的巷道断面所花费的支护及维护费用总和。在煤巷中，由于支护形式的不同，巷道的维护费用存在很大的区别，下面对架棚支护的巷道和锚杆支护的巷道维护费用作一个简单的比较。4.1架棚支护架棚巷道的维护费用主要由支架折旧费、护帮费、翻修费、卧底费及替棚费组成。用公式表示为：W=（E1+E2+E3）/T ,元/ma (公式3-1)式中：W回采巷道维护费用单价，元/ma； E1巷道支架折旧费，元/m； E2巷道护帮费，元/m； E3巷道修理费，主要包括翻修费、卧底费及替棚费，元/m； T巷道服务年限，a。4.1.1支架的折旧费支架的折旧费是指支架经过多次使用直到报废平均折算到每次支护上的费用。

15、计算支架折旧费用的关键在于支架的复用次数的确定，而支架的复用次数受支架的折损率、支架的整形、支架的锈蚀等因素的影响。支架的折旧费用可近似地用下式表示：E1=Z+y(i)/(Nl) ，元/m (公式3-2)式中Z 支架成本，元； y(i)支架第i次的整形费用，元； N支架复用次数，次； l棚距，m。4.1.2巷道护帮费巷道护帮形式主要有两种形式：一种是金属网加衬棍及木楔，另一种是芭片（竹芭或者柳芭）加衬棍及木楔。前者适用于围岩破碎、维护时间长的巷道，后者适合于围岩性质良好，维护时间不太长的巷道。金属网护帮护顶梯形支架：E2=（a+2h）P1+（a+2h）P2/4l+（a+2h）2P3/4l=（a+2h）(P1+ P2/4l+ P3/2l) ，元/m (公式3-3)式中 a巷道顶宽，m；h巷道高度，m；l棚距，m；P1金属网价格，元/m2；P2衬棍价格，元/根；P3木楔价