深井巷道顶板锚固体破坏特征及稳定性

深井巷道顶板锚固体破坏特征及稳定性分析摘要：在矿业生产作业活动中，有效的巷道支护可以平衡岩体应力，确保巷道顺利开掘，保证生产安全。在研究深井巷道顶板锚固体的稳定性前，首先结合深井巷道围岩固体变形破坏特征，分析出巷道顶板锚固体的失稳原理，从而建立巷道顶板不同破坏形态下的稳定性模型，进而得出深井巷道锚杆、锚索支护下顶板锚固体稳定性力学方程式，通过对锚固体稳定性的力学求解和数据分析，得出深井巷道锚杆、锚索耦合支护的合力参数。对矿业深井作业安全施工和生产提供了宝贵理论依据，并将研究参数用于不同成分岩层，所积累研究数据将为我国矿业发展起到巨大的促进左右。关键词：深井巷道，顶板锚固体，锚杆，锚索，稳定性引言：随着经济迅速发展，以煤炭为主的化石能源开采量不断增加，我国蕴藏着丰富的煤炭资源，随着近几十年的大规模开采，浅部煤炭资源已经濒临枯竭，煤炭开采业逐渐向内部延伸，国内许多矿井的开采和拓伸甚至超过千米，一般认为当开采深度达到700~1000米时即可称为深部开发。开采深度的增加势必使地质更加复杂、破坏岩体增多、地应力增大、水头压力和泉涌量加大、地温升高，深井巷道顶板缺乏稳定性，支护难度加大，伴随而来的是生产成本的急剧增加，对深井作业提出一系列严峻挑战，对锚固体的破坏程度也更加严重可不可预知，深井巷道锚固体的破坏程度直接影响作业稳定性。近年来针对深部高应力巷道破坏的原因、锚杆、锚索支护理论和技术已取得中大突破。当前巷道支护方式中，锚杆、锚索联合支护是深井巷道的主要支护方式，但限于对深井高应力复杂岩层环境和联合支护理论研究的局限性，此技术在实际应用中还存在安全隐患和资金浪费等问题。本文通过详细的数据，对深井巷道顶板岩层变形破坏特征及顶板锚固体失稳机理进行分析，并在此基础上建立巷道锚杆、锚索支护顶板锚固体的稳定力学模型，对深井巷道顶板锚固体的破坏和稳定性研究起到一定参考意义。一、巷道顶板支护重要性：（一）巷道顶板事故：当巷道围岩应力增大而围岩本身有比较脆弱或出现破碎，巷道顶板的支护支撑力和缩进量不足时，应力加强的围岩就会损坏顶板支护锚固体，形成巷道冒顶最终导致巷道顶板事故。掘进破岩后，顶部存在着即将与岩体失去联系的岩块，倘若支护不及时，岩块就可能因与岩体断开联系而冒落；有时虽然已支护，但当支护失效或支撑力不足时就会冒落造成事故；在断层、褶曲等地质构造破坏地带，掘进巷道时顶板浮石突然冒落，在层理裂隙发育的岩层中掘进巷道时，顶板的突然冒落等都属于前者；因为放炮不慎崩倒附近支架而导致的冒顶，或因为接顶不严实而导致岩块砸坏支架的冒顶等则属于后者。另外，前者也可能同时引起后者的发生。巷道顶板事故的发生将严重危害作业人员人身安全，影响矿井施工进度，致使之前做的努力工作付诸东流。顶板事故现场（图1）（二）巷道顶板事故种类划分：按照围岩结构及冒落特征可将巷道顶板事故分为如下几类：1、镶嵌型围岩冒落事故2、离层型围岩片帮冒顶事故3、松散破碎围岩漏冒事故4、块状围岩断裂冒顶事故5、软岩膨胀变形毁巷事故在上述几类巷道顶板事故中，镶嵌型围岩冒落事故要占到一半以上，其他事故中则以离层型围岩片帮冒顶事故和松散破碎围岩漏冒事故居多。（三）巷道顶板事故主要原因分析：1、镶嵌型围岩冒落事故原因：（1）开始施工前或放炮后在无支护的空顶区的敲帮问顶制度未能良好执行，危矸活岩处理不当，对隐性镶嵌型顶板未及时采取措施；（2）空顶面积和距离超过安全作业标准，裂隙发育未采取有效措施（3）在放炮工作面尤其是大断面巷道或交叉口，炮眼布置不合理或装药过大，破坏支架；（4）采掘工作面断面过大进度过快，空顶面积迅速增大加之空顶时间过长，压力重新分布，镶嵌围岩失稳坠落；2、松散破碎围岩漏冒事故：（1）空顶面积过大，破碎围岩裸露时间过长造成漏顶；（2）迎头支护区支架冒落造成空帮空顶（3）巷道穿过老巷道或松软煤层及巷道维修收尾支架区，未采取及时有限的措施（4）巷道交叉点及贯通点上，由于巷道支撑压力重叠，支架架设不合格或长期失修；3、离层型围岩片帮冒顶事故：（1）工作面出现离层、断裂后向下方的空间滑移；（2）巷道淋水、放炮震动等因素导致围岩风华剥落；（3）空顶面积大且无支护，拱形金属支架扭矩小支撑力不足；4、综合原因分析：（1）作业环境不安全。客观存在的地质构造带、冲击地压、矿井水、瓦斯等因素造成巷道环境不安全；（2）管理疏忽。没有严格按照作业规程施工；（3）设备和人员不安全状态和行为；（四）巷道顶板事故的预防：防治巷道顶板事故，首先应在巷道开掘前避开高应力区域或软弱破碎的岩层，如果实在避不开就要在支护锚固体的支撑上下功夫，使其适应岩层环境。对于在不理想预期开掘的巷道，支架之间还应用背板本背严。具体可参考如下措施：根据岩层情况确定合理的控顶距，如有破碎带或裂隙发育时及时跟进掘进支护；严格执行敲帮问制度，危石必须彻底清理，无法清理应严禁空顶作业；破碎岩层带掘进巷道应缩小支护棚距，防止垮塌；对破碎岩层带可超前注浆固化处理作业区有空顶区或破碎岩层带必须防止漏空；炮眼密度及炸药量必须符合岩层性质；锚固体支护注意眼深和锚杆密度；二、巷道顶板锚固体破坏特征：深井巷道周边高应力作用是巷道围岩形成破碎区域，减弱承载能力，如对锚固体支护参数选取不当，顶板锚固体将因变形而失稳。顶板锚固体的破坏特征如下：（一）顶板锚固体沿顶板层面裂隙张开，锚固体局部掉块逐渐增加，锚杆支护失去效力，锚固体内部产生离层局部冒落；随着顶板压力持续作用，巷道顶板锚固体向上发展，承载力进一步降低，锚杆被拉断或滑脱。顶板锚固体滑脱（图2）（二）顶板锚固体破坏后丧失承载能力，顶板锚索已无法发挥悬吊作用，锚固体上方受压力作用垮落；（三）巷道锚固体在顶板压力作用下变形破坏及失稳，顶板锚固体跨度加大，承载载荷增加，加剧巷道顶板锚固体破坏和失稳；三、锚固体稳定性分析：（一）锚杆支护稳定性：目前巷道顶板的安全稳定主要是依靠锚杆支护形成锚固体，很多矿区的锚杆支护率已超过９０％。锚固体破坏主要与锚固体抗拉度和抗剪度有关，锚固体主要控制冒落破碎岩体稳定；冒落拱内外成离层状态；巷道处于平面应变状态，巷道轴长度为1个单位；顶板锚固体应力分析（图3）若让顶板锚固体不发生失稳，则必须同时满足弯距（拉应力）最大破坏力小于锚杆自身弯距（拉应力），以及最大切应力小于锚杆自身切应力，即：（图4）（图5）但满足弯距强度条件的锚固体都能满足剪应力强度条件，所以在实际计算顶板锚固体稳定状态是，可采用弯距破坏强度条件公式即可（图5）。锚固体稳定性和锚杆长度、锚固体支护强度以及巷道宽度都有关系，在固定巷道宽度条件下，锚固体上方破坏岩体的高度比较高时，也可通过锚索不强支护维持顶板锚固体的稳定。锚杆的类型很多，按照锚杆材料分类有木锚杆、竹锚杆、金属锚杆、树脂锚杆、快硬水泥锚杆等。按锚杆的作用方式分类有端部锚固型锚杆、全长胶结型锚杆、摩擦型锚杆等。锚杆杆体物理力学性能（图6）最常见的顶板锚杆有超高强度螺纹钢锚杆，锚杆杆体采用φ22mm无纵筋螺纹钢杆体，材质为20MnSi，经过中频调制处理，强度可提高到屈服强度平均610MPa，屈服载荷平均231。8KN，极限强度平均820MPa，基线载荷平均331。6KN，伸长率平均19%。锚固为全长锚固，锚杆托盘为压制蝶形托盘，消耗材料少，强度与锚杆杆体相适应。为了提高锚杆寿命，带有减摩擦尼龙垫。为了适应锚杆安装角度和防止树脂剂外流，还附有球形垫。锚杆螺母的强度与锚杆杆体等相匹配。锚杆强度示意图（图7）各种锚杆材料强度指标（图8）（二）锚杆布置：巷道开挖后，其周围一定范围内的应力场重新分布，形成二次应力场。自由面附近的三个主应力分别与巷道轴线、巷道自由面法线和巷道自由面切线平行。一般情况下，沿巷道自由面切线方向的主应力为最大主应力，沿自由面法线方向的主应力为最小主应力(等于0)。当二次应力接近岩体强度时，围岩内部形成两组正交的潜在滑移面。应用经典塑性理论的研究结果表明，潜在滑移面与巷道自由面的法线方向呈±45°；不同的锚杆布置方式对围岩支护的效果有很大差别，当锚固体厚度相同时，锚杆与滑移面呈±22。5°布置的支护效果最佳。所以，选择适当的锚杆布置方式对围岩稳定也是至关重要的。（三）锚索支护稳定性分析：1、锚索的应用：锚索具有锚固深度大、承载能力高、可施加较大预应力的特点，能够获得比较理想的支护效果。预应力锚索技术在岩土加固工程中占有十分重要的地位。在交通、水利水电岩土工程，隧道和地下硐室工程，城市基坑工程中，预应力锚索得到广泛应用。煤矿预应力锚索支护技术也得到长足发展，特别是1996年研制成功小孔径树脂锚固预应力锚索后，锚索在巷道中得到大面积推广应用，小孔径树脂锚固预应力锚索已广泛应用于破碎、复合顶板巷道，高地应力和受采动影响的巷道，放顶煤开采的顶板巷道，以及大断面巷道和交叉点，取得了良好的支护加固效果，显著拓宽了锚杆支护的使用范围，保证了巷道的安全。2、锚索支护应力分析：锚索支护应力场是锚索的预应力在顶板中产生的应力场，锚索预应力场分布特征及影响因素主要有以下方面:(1)预应力大小对锚索应力场分布有决定性影响。当应力比较小时，锚索引起的压应力小，有效压应力区小分布孤立。当预应力比较大时，锚索产生的应力大，在锚索自由段长度范围内形成了相互连接成一片的、叠加的有效压应力区。在锚索之间有效压应力区相互连接、重叠，形成网状结构。锚索对其间的围岩有明显的支护作用。(2)锚索长度的影响。主要表现在随着锚索长度增加，有效压应力区的范围在高度方向上逐渐增加，但在宽度方向上变化不明显，而且随着锚索长度增加有减小的趋势。随着锚索长度增加，锚索长度中上部分及锚索之间围岩的压应力逐步减小；当预应力一定时，短锚索的主动支护作用优于长锚索；锚索越长，施加的预应力应越大。根据目前锚索预应力水平，锚索不宜过长，选择在4～6m比较合理。(3)锚索密度的影响。主要表现在随着锚索密度增加，单根锚索形成的压应力区逐渐靠近、相互叠加，锚索之间的有效压应力区扩大，并连成一体；当到一定程度，再增加密度，对有效压应力区扩大、锚索预应力的扩散作用变得不明显。(4)锚索角度对预应力场分布有显著影响。当锚索垂直布置时，2根锚索形成的有效压应力区相互连接与叠加，在顶板形成厚度较大的压应力区，锚索预应力扩散与叠加效果最好。随着锚索角度增加，每根锚索形成的有效压应力区逐步减小、分离，叠加区域越来越小，锚索长度中上部、锚索之间的压应力变得很小甚至出现拉应力区。在近水平煤层巷道中，顶板锚索最好垂直布置。可见高预应力、短强力锚索并全断面垂直岩面布置是高地压、大变形巷道的有效支护方式。2、锚索支护材料：（1）强力锚索针对小孔径锚索存在的问题，煤炭科学研究总院开采设计研究分院联合有关单位，开发研制出煤矿专用高延伸率、强力锚索钢绞线。钢绞线采用新型的1×19根钢丝捻制结构。为了与锚杆支护强度与施工工艺相匹配，钢绞线直径形成系列，别为<18，<20，<22mm，其中后2种为强力锚索。<22mm强力锚索实验室载荷与位移曲线如图9所示，力学性能参数见图10。<22mm钢绞线破断载荷达到600kN以上，断时伸长率达到7%左右，明显高于同直径的1×7结构的钢绞线，真正实现了大直径、大吨位及高延伸率。强力锚索载荷与位移曲线（图9）不同锚索索体的力学性能（图10）（2）护表构件：护表构件包括托板、钢带、钢梁及金属网。锚索托板有多种形式，最常用的是平托板，由一定厚度和面积的普通钢板制成；另一种是采用一段槽:钢(如12,14号槽钢)制成，有的矿区还采用工字钢或废旧溜槽制作锚索托板，这几种托板力学性能差，当锚索预应力和承受的载荷比较大时，平托板四周易翘起，托板承载能力显著降低，槽钢托板易变形、扭曲,甚至压穿槽钢使锚索失效。为克服以上托板的缺点，开发了与强力锚索配套的拱形锚索托板，尺寸为300mm×300mm×16mm,并配调心球垫，一方面托板的承载能力显著提高，与强力锚索强度相匹配；另一方面托板可调心，改善了锚索受力状态，使锚索支护能力得以充分发挥。目前使用的钢带、钢筋托梁、槽钢梁及铁丝网，与强力锚索的强度与刚度不匹配。为此，选择<615mm钢筋网、拱形锚索大托板及强力锚索，组成全断面锚索强力支护系统，井下施工时，给锚索施加预应力的同时也应给钢筋网也施加了一定的预应力，使钢筋网成为预应力支护系统的重要组成部分。结论：矿业生产的地质环境非常复杂，深井作业过程中如果维护施工人员人身安全，确保施工质量是矿业生产的前提和根本，作为深井施工中最要的一个环节，巷道顶板锚固体的正确使用和损坏监管应该更加受到重视。通过上述论证，结合既有相关资料，对深井巷道顶板锚固体破坏特征及稳定性方面的研究有了一定的认识。一、锚杆、锚索不能共同承载发生变形是导致深井巷道顶板失稳的主要原因，深井巷道顶板锚固体失稳主要表现为顶板锚杆支护体和锚索支护体不协调失稳。高预应力锚固体就是要大幅度提高支护系统的初期支护刚度与强度，有效顶板的完整性，减小煤岩体强度的降低。采用高预应力锚固体强力支护，尽量1次支护就能满足生产要求，避免二次支护和巷道维修。二、通过深井巷道锚杆、锚索支护顶板锚固体稳定性力学方程，可以了解到深井巷道顶板控制基本途径是高强锚杆、锚索耦合协调支护。高预应力、长度较短的强力锚索，全长预应力锚固，并全断面垂直岩面布置，是高地压、大变形巷道的有效支护方式。预应力是影响锚索支护效果的关键因素，锚索预应力有一个临界值，支护系统存在临界刚度在达到临界值后，能够将锚