锚杆支护是在巷道掘进后围岩钻锚杆眼,再将锚杆安装在锚杆眼内,使软质的岩体得到加固,形成完整的支护结构,提供支护抗力,共同抵抗其外部围岩的变形和位移。由于在煤巷掘进中恰当的使用锚杆支护技术既经济又合理,因而在实际工程中得到广泛应用。
1 锚杆支护的优点
锚杆施工机械及设备的作业空间相对较小,可以适合各种场地;通过抗拔试验获得锚杆的设计拉力,保证设计有足够安全度;锚杆采用预应力可控制变位量;用锚杆做侧壁支撑,可以节省大量钢材,改善施工条件;施工量和振动比较小。
2 地质力学评估
围岩具有两大特点:岩体含有内应力,地应力场的大小和方向可以明显的影响围岩的变形和破坏;岩体内部的节理、裂隙等会产生不连续面,这些不连续面在一定程度上会改变了岩体的变形特征和强度特征,致使岩块与岩体的强度相差特别大。因此,锚杆支护前应认真研究围岩地质力学特征,这样可以使锚杆支护更加安全、合理、可靠。地质力学特征评估工作主要包括:调查现场地质条件,测定巷道围岩力学性质,做短锚拉拔试验。
3 锚杆支护施工工艺
3.1 确定锚杆支护形式和参数选择的原则
(1)一次支护原则。锚杆支护应减少支护次数,尽量做到一次支护就控制围岩变形。(2)高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。在保证支护系统可靠性的条件下,可以通过提高锚杆刚度和强度,降低支护密度,减少单位面积上锚杆的数量,提高掘进速度。(3)相互匹配原则。为最大限度地发挥锚杆整体支护作用,托板、钢带、螺母等锚杆构件的参数与力学性能应该相匹配,锚杆与锚索的参数与力学性能也应相匹配。(4)临界支护强度与刚度原则。如果锚杆支护系统的强度和刚度小于临界值,将导致巷道长时间处于不稳定的状态,不能有效的控制围岩的变形和破坏。(5)可操作性原则。锚杆支护设计应有利于工作人员操作,可以有效地提高井下掘进速度和施工管理。(6)高预应力与预应力扩散原则。预应力作为锚杆支护的重要因素,不但要采取措施提高锚杆预应力,而且要通过托板、钢带等构件实现锚杆预应力的扩散,提高锚固体的整体刚度和完整性,使锚杆支护转变为主动支护。
3.2 锚杆施工应严格执行“五不准”制度
(1)对不符合设计要求的巷道断面,没有处理危岩活石,没有消除安全隐患,班组长不准划眼位。(2)班组长没有划眼位,打眼工不准打眼。(3)对不合格打眼或不按规定打眼,不准安装锚杆。(4)对质量部不合格的锚固,不准使用。(5)对不符合规格、质量要求的锚杆杆体及附件,不准使用。
3.3 施工工艺过程
选用合适的施工机具,施工作业方式可以选用三掘一准,掘支单行,一次成巷的作业方式。
(1)巷道掘进与支护工艺过程:首先施工机具掘进出煤至巷道成形,其次敲帮问顶找掉危岩,然后施工机组机载式临时支护托上金属网或w钢带,再打第2、第4眼锚杆进行临时支护,最后安装其它锚杆及锚索。(2)锚杆施工工艺:首先利用锚杆钻机钻进锚杆钻孔,其次对孔洞进行清扫干净,然后在孔底放入树脂药卷,接着将锚杆钻机升起并利用搅拌器连接锚杆尾部和锚杆钻机,搅拌树脂药卷,再用气扳机拧紧螺母至设计扭矩,最后安装其它锚杆。(3)锚索施工工艺:首先应定位锚索孔位,其次利用锚杆钻机钻进锚索钻孔,清理钻孔后放入树脂药卷,将树脂药卷送入孔底。然后用搅拌器联接锚索尾部和锚杆钻机,搅拌树脂药卷一定时间。停止搅拌后再等待规定的时间,收缩锚杆机,卸下搅拌器,15min后安装锚具。最后用张拉设备张拉锚索使预紧力达到设计值。
3.4 锚杆和锚索的安装
(1)锚杆安装;锚杆支护要及时,应紧跟掘进进行,一次掘双排最大空顶距不应大于2.6m;如果顶板比较破碎,一次掘单排最大空顶距不应大于1.6m。开动锚杆钻机前应将锚杆机升起,钻头要插入对应的w钢带孔内,应保证钻孔角度且钻孔深度在2290mm与2320mm之间,待达到预定孔深后回缩锚杆钻机,清除泥浆和煤粉。放入树脂药卷,在锚杆杆体套上托板和带上螺母,杆端插入树脂药卷得钻孔中,杆尾联接锚杆机机头和安装器,将药卷送入孔底。用锚杆钻机搅拌树脂药卷,拧紧螺母,至锚杆有一定的预紧力,力矩应达到500n・m,锚杆排距误差范围在设计值的±100mm内。(2)锚索安装;锚索应紧跟掘进工作面安装,锚索下端要用专门锚索钻机和锚索相连。搅拌速度应先慢后快,在锚索全部插入钻孔后,用全速旋转搅拌一定时间,停止搅拌后等待一定时间,收缩锚杆机,卸下搅拌机,锚索外露长度不超过350mm。采用张拉千斤顶张拉锚索到设计预紧力,之后卸下千斤顶。锚索间距误差范围应在设计值的±150mm内。
3.5 施工注意事项
(1)成孔质量的要求;孔直度要高,在接换钻杆时,确保钻机位置不动,保持在一条中心线;孔深应准确,钻孔用的钻杆应与锚杆等长,误差不应超过2cm;孔壁应用水反复冲刷,直到孔内出清水,不要留有煤岩粉。(2)锚杆应保持较高的初锚力;搅拌应及时均匀,整个搅拌时间应达到30s;掉顶处可以采用木楔调节,木楔应放置在金属网和钢带之间,使金属网紧贴岩面;为使锚杆的预紧力达到设计值,专业工作人员应对锚杆进行二次加扭。(3)锚杆安装合格标志塑料减摩垫圈应有明显变形或挤出;丝扣外露≤40mm,在锚杆上紧后还应留有丝扣;金属网应封闭顶帮岩煤体,金属网搭接长度100mm,接扣间距≤50mm。(4)锚索安装注意事项;锚索钻孔施工过程中应保证钻孔直径、锚索直径、药卷直径合理匹配;钻头直径ф27mm,钻孔时不要晃动,保持钻孔直立,以免钻孔扩张;孔深不宜过浅或过深,钢绞线外露150mm~350mm。药卷安装应在锚索钻孔施工之后立即进行,1节k2550药卷加3节或4节z2550药卷;对效果比较差的锚索锚固,可用细铁丝做成毛刺,在锚固段底部加挡环,同时搅拌药卷,确保药卷搅拌均匀。(5)锚杆支护快速掘进的对策;加强割煤和支护这两个主要工序的管理工作,以免在出现停水、停电等情况时造成施工混乱。优化锚杆支护参数,根据巷道围岩条件可以及时调整支护参数,缩短支护作业时间,提高掘进效率。配套优良的设备,比如采用大功率掘锚机组,改善掘进机装、运煤部件,采用安装顺槽单轨吊车运输和胶带运输机底胶带辅助运输。应重视锚杆钻机扭转及钻头抗磨、锚固剂凝固时间与搅拌时间的匹配、锚杆弯曲度等环节,这些环节直接影响单机作业效率。
结语
锚杆支护技术具有支架和加固作用,同时可以加快施工速度、降低成本,因而在煤巷掘进中得到广泛应用。在实际工程中,应认真做好地质力学评估、支护形式和参数的选择、施工工艺过程、锚杆和锚索安装等工作,同时应根据实际情况提出加快掘进的对策。