1、煤矿岩石巷道支护形式综述摘要煤矿岩巷支护问题尤其是软岩巷道支护问题一直是困扰煤矿生产和建设的难题之一，由于巷道分类和变形破坏原因的复杂性和多样性，导致岩巷的支护问题很难解决。目前，我国大多数矿井已进入深井开采，所以岩巷支护日趋重要。近年来，随着科技的迅速发展和煤矿科研人员的不断努力,煤矿岩巷支护的技术与手段已趋于成熟。本设计主要从围岩破碎带范围和破碎范围等情况来论述岩巷支护形式。关键词：岩巷；支护形式；巷道变形原理；锚喷支护；锚注支护1问题的提出岩石巷道支护等理论，国内外尚无定论，给工程应用带来了诸多不便。大多数生产单位处理岩巷支护问题时，仍处在经验支护状态，这样导致盲目性大、成功率低，很多巷
2、道出现了“前掘后修，前修后坏”的局面，每年的修复费用巨大，这样不仅造成巨大的经济浪费，使整个矿井生产陷于困境，甚至导致矿井关闭，并给煤矿安全生产带来极大的危害。巷道变形破坏、片帮冒顶等事故在地下工程中是最常见的。据不完全统计，煤矿事故中59%以上是巷道事故。究其原因，还是对巷道变形破坏规律认识不清、支护理论不完善，从而造成支护设计工程类比居多，缺乏科学的指导，巷道支护方式选择不合理，因而也就无法保证巷道在不同地质条件下稳定和安全使用。在软弱岩层中施工巷道,掘进较容易,维护却极其困难,采用常规的施工方法和支护形式、支护结构往往不能奏效。因此，软岩支护问题是井巷施工的关键问题。目前我国软岩矿井多是
3、既软弱又有膨胀性，相当部分矿井为高应力状态复合型软岩矿井。在这种条件下，基建矿井每米巷道的掘进工程费已高达12万元以上；一个120万吨的生产矿井软岩巷道年维修费用高达1亿元以上，在目前市场经济条件下已经到了煤矿无法承受的地步。另一方面，随着我国新生代煤层的大力开发，软岩矿井数量与日俱增。此外，统计表明：我国立井的深度在20世纪50年代平均不到200m，而90年代平均已达600m。相当于平均每年以10m的速度向深部发展；生产矿井1980年平均开采深度为288m，而1995年平均深度为428m，平均年降深9.39m。事实上，大部分软岩生产矿均在向深部转移，一部分老矿区开采深度多为500700m。新
4、建矿井深度多为600900m，在高应力作用下这些软岩矿井的巷道开掘和维护都将十分困难。所以，随着我国煤炭生产建设发展，软岩支护问题必将日益严重。2支护形式选择岩石支护是用来提高井下巷道围岩稳定性和维护围岩自撑能力，它分为岩石加固的主动支护和岩石支撑的被动支护。非预应力灌注式树脂锚杆是一中主动支护，它随围岩变形就张紧。型钢支架是一种被动支护，它只有当围岩失稳逐渐向巷道内移动时才起作用。井下巷道支护形式的选择，取决于围岩破碎带范围和破碎程度。I围岩属硬岩、低应力区，可采用光面爆破，不支护或树脂锚杆（图1a、b)或机械锚固式锚杆（图2a），挂金属网，防止小岩块冒落。 树脂锚杆多为端头锚固型，即用树脂
5、为粘结剂，在固化剂和加速剂作用下将锚杆的头部粘结在锚杆孔内。它具有凝结硬化快、粘结强度高、安全可靠、施工操作简便、适用范围广等优点，且控制围岩位移和抗震性能好，可以对围岩施加预压应力，在很短时间内便能达到很大的锚固力。树脂锚杆由树脂药包和杆体组成。树脂药包的外袋用双层玻璃纸或聚酯薄膜做成，内装树脂、加速剂和填料；内管为玻璃小管，玻璃小管内装有固化剂和填料。普通树脂锚杆我国使用的树脂锚杆以金属杆体为主。早期的锚杆杆体为圆钢，直径1418mm，其头部加工成反麻花形，以利增加粘结和搅破药包；为防止安装搅拌时树脂外流和保证锚杆固长度，在麻花结构尾部焊有挡圈。目前，锚杆杆体主要以螺纹钢为主，头部削成斜坡
6、状以利搅破药包。钻孔直径为2842mm，杆体直径为1622mm，长度从1800mm到2400mm不等。树脂锚固剂为高分子化学材料，其粘结能力强、固化速度快、耐久性好、抵御环境和人为影响因素能力强。锚固剂是由两种不同组分的数值胶泥和过氧化物固化剂严格按科学配方分别包装而成，凝结时间可按设计要求在十几秒到几小时内准确调控，其结构见图2。树脂锚固剂的型号、规格见表1和表2。图2树脂药包示意图表1 树脂锚固剂规格型号规格/mm质量/g适用钻孔/mm使用范围35373537070010422井筒装备安装35303530055010422巷道锚喷支护端锚28352835040010322巷道锚喷支护及其它
7、28502850064010322巷道支护和全长锚固23352335030010282巷道小直径支护和全长锚固23502350043010282巷道小直径支护和全长锚固表2 树脂锚固剂主要型号和特征型号特性凝胶时间/min固化时间/min备注CK超快0.515在2010C环境温度下测定K快速1.527Z中速3412M慢速152040CM超慢120240等强度螺纹钢锚杆由于目前常用的锚杆杆体直径均大于锚杆杆尾螺纹部分直径，这就造成杆尾部分与杆体部分强度产生较大差异，因此在现场使用中，经常在未达到锚杆规定的极限强度前就在杆体与杆尾螺纹交界处产生拉断破坏。因此，要提高同等规格锚杆极限破断强度，就必须
8、改变锚杆杆尾螺纹的加工工艺。为使锚杆整体强度真正达到等强。可采用滚压无热处理技术新工艺。该工艺简单易行，采用特殊机械滚压加工技术，使丝扣段螺纹配合较大型号螺母，如18mm、20mm的锚杆杆体配合M22、M24的螺母，从而使丝扣段强度与杆体强度保持一致（表3）。因此，等强度螺纹钢锚杆具有较好的支护性能。表2 普通锚杆与等强锚杆破坏强度对比表杆体直径/mm锚杆类型丝扣段直径/mm配合螺母/mm破坏部位破坏强度/kN加工工艺18普通锚杆16.2M18丝扣段117车削、损失加工等强锚杆18.2M20杆体段145车削、无损失加工20普通锚杆18.2M20丝扣段145车削、损失加工等强锚杆20.2M22杆
9、体段178车削、无损失加工22普通锚杆20.2M22丝扣段178车削、损失加工等强锚杆20.2M24杆体段221车削、无损失加工单向左旋无纵筋螺纹钢锚杆目前所使用的螺纹钢大部分分为双向纹两筋螺纹钢，虽然螺纹钢能与锚固剂有较好的结合，但在注入锚杆时，杆体纵筋螺旋转半径大于杆体螺纹钢旋转半径，从而造成杆体螺纹钢不能与树脂胶体紧密结合而产生较强的握裹力；同时，双向螺纹不利于锚固剂充填密实，因此可降低锚固强度。针对双螺纹钢存在的缺陷，可对锚杆杆体表面结构进行优化。将锚杆杆体专门轧制成单向无纵筋螺纹钢，取消纵筋，螺纹为单向左旋，与锚杆注入时旋转方向一致。在旋转注入锚杆时，在单向左旋螺纹旋转作用下产生强有
10、力的压力向深部推进，在此压力作用下呈液体状态的树脂锚固剂可以充填孔中裂隙和排出孔中污水，增加锚固剂和锚杆杆体之间的握裹力以及锚固剂与岩体之间的粘结力，可以有效地提高锚杆的锚固力。单向左旋无纵筋螺纹钢可用于各类矿山和地下工程，特别是在不稳定地层巷道支护中取得较好的技术经济效果。玻璃钢锚杆玻璃钢锚杆是采用玻璃纤维作为增加材料、以聚酯树脂为基材，经专用拉挤机牵引，通过预成型模在高温高压下固化为全螺纹玻璃纤维增强塑料杆体，加上树脂锚固剂、托盘和螺母组成玻璃钢锚杆。玻璃钢杆体具有可割性，很适合于综采工作面临时支护使用，而且具有良好的防腐性能，可以部分取代钢锚杆以节约钢材。这种玻璃钢锚杆杆体可切割、轻质高
11、强、便于安装；成本低，与金属锚杆相比成本可降低40%左右，可替代现有煤帮金属锚杆、木锚杆、竹锚杆等进行煤帮支护。II硬岩、低应力区、节理、层里面局部破碎，可采用机械锚固式锚杆加拉条钢带，对硐室和破碎机房，可用注浆锚杆支护。机械锚固式锚杆是井下最早的岩石加固方式，加拿大仍然常用它。若岩石对锚杆有足够的握裹力，安装良好的张壳式锚杆（图3a），可达到允许载荷力。若锚杆超载，托盘处螺纹或锚杆锚固端螺纹损坏，也不会由于锚杆滑动造成锚固失效。预应力锚杆对维护开挖巷道围岩松动岩块的稳定最有效。岩块松动可能是岩石节理、层理发育造成的，也可能爆破震坏导致的。松动岩块冒落都会危机工作环境安全，因此需进行某种形式支
12、护的。图3机械锚固式和机械摩擦锚杆由于围岩的松动波及不深，支护只需要承受松动岩石的自重。用机械式锚固和挂金属网可有效的支护。锚杆预应力要求极限断裂载荷的70%左右。机械锚固式锚杆存在的问题，一是锚固端随时间推移就滑移，可能是由于爆破震动引起的；二是锚体受含硫化物地下水的腐蚀，有时不到一年就失效，这时应采用全长注浆锚杆。由于爆破和防腐技术的改进，减少了围岩松动的范围，机械锚固式锚杆和金属网用量降低。注浆式或摩擦式锚杆能克服机械锚固式锚杆的缺点，采用全长注浆和全长摩擦锚杆，如树脂锚杆（图1）和管逢式锚杆（图3b）和胀管式锚杆（图3c）。即使锚杆发生滑移或托盘破裂，留在岩层中那段锚杆仍然锚固着，继续
13、提供支护抗力。注浆式和摩擦式锚杆的缺点是不能张紧，所以必须在岩石有明显移动之前安装。爆破的精心操作，锚杆尽可能靠近掘进工作面安装，可为不同条件的围岩提供非常有效的支护。比机械锚固式锚杆应用范围大得多，安装锚杆紧跟工作面，相应减少围岩变形量，加强岩块间的结合。随着注浆式或摩擦锚杆的发展，非预应力锚杆的广泛应用于采矿业，并将成为岩石加固主要手段。井下用的大部分岩石锚杆和树脂锚杆都可以用钢丝绳砂浆锚杆代替，它不论是否张紧，都可以安装和注浆。近年来研究的钢丝绳简单的张紧技术，以取代以前复杂的张紧方法。用钢丝绳砂浆锚杆加固放矿溜道、研石溜道很有效。露出围岩的钢丝绳逐渐破损也不会减少留在岩层中那段注浆钢丝
14、绳的锚固力。钢丝绳的柔性允许岩层在其强度没有明显削弱时的自撑。采场在开采和回填时，长钢丝绳砂浆锚杆可埋在要回采的矿物体内，以便支护回采工作面的上璧。随着钢丝绳的逐渐截短，钢丝绳剩余段由于工作面上部岩层下移而张紧，从而产生锚固力。当钢丝绳减少至2m时，新钢丝绳在第一批钢丝绳处搭接安装，用于承担第一批钢丝绳被截后的支护。当支护大范围潜在的失稳岩层时，若邻近的是断层带，张紧钢丝绳砂浆锚杆可在工作面回采前从准备巷道内安装。钢丝绳砂浆锚杆也成功地用土木工程，如地下大动力室吊车起重梁的锚固和大跨度隧道的支护。拉条带钢。当巷道围岩为层状结构时，即大部弱面为沿一个方向移动，岩石沿弱面方向的强度高于其垂直方向。
15、采用拉条钢带比金属网更有效。拉条安装在锚杆之间，且垂直于弱面走向(图4)。平行于弱面走向安装拉条通常效果差些。图4拉条III低应力区、爆破造成弱面和少量围岩破坏，采用预应力锚杆挂金属网支护。在使用的金属网中，选定锚杆间距为岩层弱面平均层间距的3倍。假设节理和弱面产生的岩块平均边长约0.5m，则理想锚杆间距应1.5m，锚杆长度为间距的2倍，则为3m。但如果节理平均间距为0.1m，锚杆安装中心距0.3m是不可能的，这时用金属网支护托盘间的小块岩石。金属网可以是链接，也可以是焊接，链接金属网(图5)易弯曲，有很高的承载能力，但安装困难，且不适宜喷射混凝土，这是喷射后，链接后面的混凝土空穴难以消除。焊接金属网在金属丝方格交叉点上施焊，它有很好
