錨桿失效分析

引言

　　巷道支護是煤礦生產(chǎn)的基礎(chǔ)，是生產(chǎn)、運輸、通風(fēng)、安全的根本保障，錨桿支護是經(jīng)歷了多次改革而得到科學(xué)認證的控制圍巖有效的支護方式，并得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展，但在錨桿支護的實際應(yīng)用中，在發(fā)揮錨桿支護技術(shù)眾多優(yōu)點的同時，也存在需要解決的問題，以杏花煤礦東采區(qū)中部層施工的30#左四下巷采用螺紋鋼樹脂錨桿支護，在回采期間出現(xiàn)巷道變形嚴重，出現(xiàn)錨桿體被拉斷，出現(xiàn)巷道頂板開裂，兩幫片幫嚴重均是巷道失穩(wěn)的結(jié)果，而產(chǎn)生巷道失穩(wěn)的重要原因是失效錨桿的存在，其表現(xiàn)形式為桿體拉斷，托盤失效，粘接破壞，錨桿失效，局部圍巖破壞造成的錨空失效等。

　　下面結(jié)合煤層巷道支護狀況分析失效錨桿產(chǎn)生的原因和降低錨桿失效的幾點辦法。

　　1.地質(zhì)概況

　　東采區(qū)可采煤層28#、30#，現(xiàn)開采深度-740米，其煤層頂?shù)装鍘r性較穩(wěn)定。

　　2.錨桿失效的原因及分析

　　2.1錨桿失效的原因

　　（1）錨桿支護參數(shù)設(shè)計不合理。

　　（2）地質(zhì)條件因素的影響。

　　（3）巷道開掘方式（即爆破）的影響。

　　（4）支護材質(zhì)。

　　（5）施工工藝中的人為因素的影響

　　2.2分析原因

　　2.2.1支護材質(zhì)及長度、間、排距的確定

　　錨桿支護的作用機現(xiàn)有懸吊作用，組全梁作用、加固拱作用和圍巖補強、減少跨度作用，但在巷道幫支護機理為圍巖補強。依據(jù)巖石分類及支護形式對應(yīng)關(guān)系，該巷道支護機現(xiàn)為錨桿懸吊理論。

　　以東采30#左四下巷為例，頂板支護依據(jù)懸吊理論計算錨桿各支護參數(shù)：

　　該巷道寬3.8米，高3.0米，采用?28×350mm樹脂藥卷端錨，打眼機具為

　　錨桿長度的確定，通常有兩種方法，一是確定巷道頂板松動圈的高度，另一方法是當(dāng)頂板一定范圍內(nèi)堅固穩(wěn)定巖層的位置易于確定，有效長度大于或等于被懸吊巖層的厚度。

　　（1）錨桿長度：

　　L=K×H+L1+L2=2.0×0.5+0.3+0.04=1.35（米）

　　式中：L――錨桿長度。

　　K――安全系數(shù)，取2.0。

　　L1――錨桿錨入穩(wěn)定巖層厚度， 取0.3。

　　L2――錨桿外露長度， 取0.04。

　　（2）錨桿直徑：

　　根據(jù)桿體實際長度與安全系數(shù)的確定：

　　d===18.18（?L）

　　式中：d――錨桿直徑。

　　L――錨桿實際長度。

　　（3）錨桿間、排距。

　　依據(jù)每根錨桿懸吊巖石載荷大小確定錨桿間、排距：

　　D≤==1.58（米）

　　式中：D ――錨桿間排距。

　　Q――錨桿錨固力，取5噸。

　　K――安全系數(shù)，取2.0。

　　H――軟弱巖層厚度；取0.5米。

　　r――巖石平均容重；取2.5T/m3。

　　根據(jù)計算，所需錨桿長度1.35米，錨桿間排距1.58米，錨桿直徑14.55?L；實際材質(zhì)選用?18mm螺紋鋼錨桿，長度為1.6m，錨桿間排距1.2×1.0m。

　　以上述計算表明：計算結(jié)果雖然可以滿足支護要求，但沒有考慮松動圈理論進行計算錨桿長度。是產(chǎn)生錨桿失效的原因之一。

　　在錨桿的支護密度方面，巖層穩(wěn)定程度、完整程度不同，支護密度也應(yīng)該有所區(qū)別。因為，錨桿在施工時，錨桿的錨固力還是有差別的，形成錨桿單個作用，在不同錨固力的錨桿的作用下，會使頂板受到剪切而損壞，不能形成完整的支護體。在同等巖性的條件下，每根錨桿的支護半徑不同，這就要求有合適的支護密度。如果錨桿密度過大，不但不會加強錨桿的支護效果，還會對頂板造成破壞。錨桿密度過小，則達不到應(yīng)有的支護效果。

　　由此看出，錨桿支護設(shè)計不合理，很難保證錨桿的支護效果，所以，在施工過程中要根據(jù)實際情況，及時地修定錨桿支護設(shè)計參數(shù)。

　　2.2.2地質(zhì)條件及爆破因素的影響

　　東一采區(qū)30#煤層煤質(zhì)相對較硬，但頂板為28#采空區(qū)，層間距為8米，在掘進中由于受壓力影響，施工后的巷道兩幫片幫嚴重，兩幫片幫深度0.1-0.3米，炮掘時受炮轟波對錨桿附近圍巖的沖擊，局部錨桿出現(xiàn)螺母松動，預(yù)應(yīng)力達不到設(shè)計要求，導(dǎo)致錨桿失效。因此及層、節(jié)理發(fā)育不能實現(xiàn)光爆及受上部采動壓力影響，煤層深度及風(fēng)化脫落是錨桿失效的原因之一。

　　2.2.3施工質(zhì)量因素

　　錨桿支護的施工工藝較繁瑣，人為因素多，如錨桿直徑的選擇要做到“三徑匹配”，即錨桿直徑、鉆孔直徑、鉆頭直徑三者匹配。三徑不匹配，錨桿的錨固長度、錨桿和圍巖的結(jié)合程度就會偏離設(shè)計值，降低錨桿的承載力，當(dāng)圍巖來壓時，錨桿易造成失效。錨桿眼內(nèi)粉末的處理程度，樹脂藥卷攪拌時間的控制，錨桿眼的角度，水及油脂對錨固劑的影響，緊固設(shè)備的失效，錨桿預(yù)應(yīng)力的大小及初錨力的大小，托盤與巖面接觸的緊密程度。每一道工藝的實施對錨桿支護質(zhì)理的影響均較大，眾多的人為因素是易出現(xiàn)偏差導(dǎo)致錨桿失效，因此說工藝誤操作導(dǎo)致錨桿失效的概率很大。

　　綜上分析，支護材質(zhì)的選定及錨桿間、排距的確定，合理與否是避免錨桿失效的關(guān)鍵，施工工藝及機具與支護材料的匹配，地質(zhì)條件是錨桿是否出現(xiàn)粘結(jié)破壞，錨空失效關(guān)鍵。

　　3.降低錨桿失效的基本途徑

　　（1）上述分析中，運用錨桿懸吊理論計算結(jié)果及松動圈理論表明，不同的巷道斷面不同的圍巖性質(zhì)在確定錨桿支護參數(shù)時，要依據(jù)理論計算，對支護參數(shù)加以修下，不可千篇一律，合理確定錨桿參數(shù)，可避免或減少錨桿失效。

　　（2）巷道開掘后，巷道圍巖中應(yīng)力狀態(tài)，由原來的三向應(yīng)力變成二向應(yīng)力，頂板下位巖層受水平應(yīng)力作用，巖層容易失穩(wěn)破壞，錨桿的作用就是在失去一向應(yīng)力的方向上，給巖層提供一個約束力，來提高巖石強度，使巖層形成能承載的支護結(jié)構(gòu)。

　　（3）由于爆破后對錨桿質(zhì)量的影響很大，因此提高掘進機械化程度，炮掘后及時對原錨桿支護進行二次緊固，從而減少錨桿的失效率。

　　（4）合理匹配錨桿直徑、鉆孔直徑、鉆頭直徑三者之間的尺寸，通過試驗的方式選取錨固力最大的三者匹配關(guān)系，施工工藝中的人為因素，一是通過引進設(shè)備，減少人為因素。另一方法通過嚴格的操作培訓(xùn)，提高員工的業(yè)務(wù)素質(zhì)，把誤操作降低到最小化，從而降低錨桿失效率。

　　（5）配齊各種檢測工具，如錨桿拉力計、力矩搬手等，確保小班的施工質(zhì)量驗收。

　　建立完善的小班質(zhì)量驗收和專職工程師質(zhì)量把關(guān)制度，使錨桿施工質(zhì)量有管理、有檢測、有記錄、有落實。煤巷錨桿支護各項施工工藝必須嚴格按照掘進工作面作業(yè)規(guī)程的有關(guān)規(guī)定進行，錨桿安裝角度、間排距、錨桿的有效支護長度、錨固長度、錨桿距工作面距離必須嚴格按規(guī)程施工。建立完善的煤巷錨桿支護的礦壓監(jiān)測制度，評價支護效果，加強日常監(jiān)測，及時修正錨桿設(shè)計，有效地避免因錨桿后期失效而造成的頂板事故。

　　4.結(jié)語

　　通過上述對錨桿失效原因分析及控制可知，合理地設(shè)計錨桿參數(shù)，并根據(jù)地質(zhì)變化及時變更錨桿支護設(shè)計、加強對錨桿支護材質(zhì)的檢測、加強施工管理和施工人員的技能培訓(xùn)，對于逐步降低錨桿失效率，提高錨桿支護巷道支護質(zhì)量。