矿井顶板支护技术的实践应用研究
【内容摘要】矿井顶板支护是保证采煤安全和正常生产的必要措施，矿井不同地理位置应采取不同的支护方式。本文根据矿井顶板支护实践经验，就矿井顶板支护应用中的一些问题进行了探讨，并提出了有效的矿井顶板支护措施与技术。
【关键词】矿井 顶板支护 软岩巷道 实践应用
1 引言
近年来，随着采矿工程学研究的发展和相关设备技术的提升，矿井顶板支护技术取得了较大的进步，但在实际应用中，因顶板事故造成的人员伤亡依然占据了事故伤亡人数的较大比重。作为矿井采煤安全和正常生产的必要措施，矿井顶板支护技术的实践应用极为重要。实际上，由于矿井所处的地理位置不同，巷道组成、稳定性、岩性结构等均有所不同，应当根据实际情况采用不同的支护方式。下面，本文根据矿井顶板支护实践经验，就矿井面板支护技术应用中的一些问题进行探讨，并提出一些有效的矿井顶板支护措施与技术。
2 矿井顶板事故发生的原因
矿井所处煤层的贮存条件并不是完全一致的，通常煤层结构较为复杂，层理发育不足，稳定性较差，且即便是同一巷道其顶板的赋存状态也会频繁变化，这使得顶板支护必须时刻根据巷道具体情况进行调整。而随着矿井开采时间的推移，井巷断面不断扩大，支护的服务年限也不断延长，岩性变化和矿山压力对顶板支护的稳定性造成不良影响。同时，再加上掘进和维护过程中对关键部位、地点的维护管理措施不到位，极容易造成顶板支护失稳产生冒顶事故。矿井巷道冒顶事故分为无老顶层状顶板采动围岩变形破坏、有老顶层状顶板采动围岩变形破坏、无直接顶层状顶板采动围岩变形破坏几大类，冒顶事故的造成机理存在着一定差异，需要具体分析。
3 锚杆支护技术实践应用分析
锚杆支护是目前国内外应用较为广泛的支护技术，采用锚杆支护技术能有效的改善巷道支护效果，并能降低支护成本，减轻工作强度，改善作业环境。
3.1 锚杆支护技术分析
在应用锚杆支护技术时，主要需要考虑锚杆、锚索与围岩之间的相互作用关系，不少矿井应用锚杆支护技术时，总是一概而论顶板锚杆，实际上顶板锚杆分为非张力锚村和张力锚杆两大类，且这两大类下面还有很多细的分类。采用顶板支护技术，主要是为了构建出一个合成梁。锚杆杆体在支护体系中起到抗拉和抗剪的作用，托板则起着传递转岩载荷给锚杆施加预紧力的作用，锚固剂将孔壁与杆体结为一体，并与锚杆一起加固围岩。钢带一方面实现锚杆预紧力和工作阻力的扩散，另一方面支护巷道表面改善围岩应力状态，并均衡锚杆受力提高整体支护能力。网除了维护锚杆间围岩防止松动滑落外，还提供一定的支护力，同时对深部围岩起一定支护作用。
3.2 锚杆支护失稳机理分析
在锚杆支护实际应用中，经常会出现既便锚杆密度很大，围岩变形依然剧烈无法获得较好支护效果的情况，不能有效的控制顶板离层，造成恶性冒顶、频繁垮冒现象。实际上，单纯的提高锚杆规格、加大锚杆使用密度，并不能完全避免事故。不少井巷支护失效事故资料显示，支护失效通常表现为锚固区整体垮冒，而不是杆体破裂，可见其根本原因并不在于锚杆规格和使用密度上，而主要是锚固区外的弱面离层上。实际上，顶板的稳定性主要取决于锚固区内外的离层状况，虽然采用高强权脂锚杆能有效加固锚固区岩体限制岩体变形，但对于锚固区外弱面离层的影响却面临巨大的难题。在锚杆支护起作用前，大部分的煤层巷道都有一定的围岩变形量，尤其是软弱煤层围岩变形量更大，这种情况易造成松散变形的持续发展。此外，由于支护技术水平的原因，还或多或少的存在锚杆支护实际工作载荷不足的现象，造成大变形后锚固力衰减最终失效。
3.3 顶板锚固控制分析
在锚杆支护实验中发现，锚杆越长梁的深降量越大稳定性越差，锚杆越短则梁的沉降量越小稳定性越强。在锚杆长度相同的情况下，载荷或预张力越大梁的沉降越小稳定性越强。在锚固范围内锚杆安装载荷越高梁的沉降越小，其支护顶板沉降越小。而在地应力和开采应力的作用下，锚杆越长其载荷也越大。因此，在矿井顶板支护中，可以提高张拉力以克服松动岩体自重影响，并将松动岩体和上部岩体挤压一起增加稳定性，防止围岩松动变形提高支护效果。此外，还可以改善锚杆受力状态，并不是规格越高的锚杆所提供的支护能力越强，部分情况下根据锚杆实际受力和支护机理，降低锚杆规格反而能取得更好的支护效果。对于软弱夹层较多的薄层顶板，弱面和夹层的强度很低，其自动力就足以造成结构破坏，造成更大范围内的顶板离层破坏，此时可以增加锚杆布置密度，提高锚固力，从而提高锚固体强度和残余强度以改善岩体承载能力。
4 锚杆支护的思考
在锚杆支护中，理论上锚杆安装载荷足够大的情况下，其锚固范围内就不会产生离层现象，锚杆的高张力足以在顶板有分离趋向时使其保持紧密，构成一个锚固范围内的组合梁结构。但实践应用中，不少顶板冒落现象往往发生在锚固层位上，究其原因主要是因为锚固组合梁同上部覆顶板岩层间分离，当锚杆锚固梁沉降增大时，上部覆顶板岩层分离尺寸越大，最终造成顶板冒落现象。实际上，由于材料的限制，钢材屈服强度直接决定了锚杆屈服强度，安装荷载不可能越过这一屈服强度，安装荷载并不能无限增大使锚固梁不分离。此外，顶板岩石强度对安装荷载量极限也有影响，顶板锚杆和拖板所产生的剪切应力，受到岩石剪切强度的直接制约。当锚固梁的厚度超过一定极限后，经典梁理论概念就不再适用，此时只要顶板发生分离，再增大锚杆张力也无法增加岩层面间的摩擦阻力。在锚固系统设计中必须充分考虑这些问题，以采用合适的方法维持顶板状态。
【参考文献】
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