深部巷道长锚杆支护技术研究及应用_于明江.pdf

深部巷道长锚杆支护技术研究及应用 于明江，刘国保，李飞，李家全，蔡猛 中国矿业大学 北京 资源与安全工程学院，北京 100083 ［ 摘 要］分析了深部巷道围岩变形破坏特征主要为围岩变形量大、变形具有持续性和不可控 性，提出采用长锚杆支护技术进行深部巷道的支护。数值模拟分析了不同支护系统巷道围岩的塑性区 分布，结果表明 深部条件下巷道塑性区范围较大，加大支护强度对塑性区改变较小，普通锚杆锚索 支护不再适用; 深入研究了长锚杆的围岩控制机理，并说明了其在深部大变形巷道支护中的优越性。 现场工业性试验表明，采用长锚杆支护后，围岩控制效果更佳，且帮部长锚杆在扩帮时能够被重新利 用，支护效果较好。 ［ 关键词］深部巷道; 长锚杆; 围岩控制; 支护技术 ［ 中图分类号］ TD353［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201504- 0085- 04 Long Anchored Bolt Supporting Technology and Application in Deep Roadway YU Ming- jiang，LIU Guo- bao，LI Fei，LI Jia- quan，CAI Meng Resources ＆ Safety Engineering School，China University of Mining ＆ Technology Beijing ，Beijing 100083，China Abstract It was found that large，continuous and uncontrollable deation was the deation and damage characteristics of sur- rounding rock of deep roadway. Long anchored bolt supporting technology was put forward for deep roadway. Applying numerical simula- tion to analyzing plastic zone distribution with different supporting systems，results showed that plastic zone range was large under deep condition，improving supporting density only changing less plastic zone range and common anchored bolt and cable supporting was not adaptable. Surrounding rock control mechanism of long anchored bolt was deeply researched and its advantage for deep large- deation roadway was expounded. Field test showed that surrounding rock effect was excellent after applying long anchored bolt，and long an- chored bolts at two- sides could be reused when expanding rib and supporting effect was good. Keywords deep roadway; long anchored bolt; surrounding rock control; supporting technology ［ 收稿日期］ 2014－12－03［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2015. 04. 024 ［ 基金项目］ 国家自然科学基金资助项目 51434006 ［ 作者简介］ 于明江 1992－ ，男，河南商水人，硕士研究生，研究方向为巷道支护技术和矿山压力及岩层控制。 ［ 引用格式］ 于明江，刘国保，李飞，等 . 深部巷道长锚杆支护技术研究及应用 ［ J］ . 煤矿开采，2015，20 4 85－88，39. 近年来，随着对煤炭资源开采强度的增大，煤 矿开采的深度越来越大，越来越多的矿井进入深部 开采状态 ［1 ］。伴随着开采深度的加大，巷道逐渐 处于高应力环境中，深部巷道的支护出现了一系列 的问题，巷道围岩变形量大，支护困难，常出现冒 顶及片帮事故，对此类巷道的支护，现场往往试图 通过增加支护强度来达到控制变形的目的，但效果 不太理想 ［2 ］。国内学者在深部巷道的支护方面进 行了大量研究，如康红普 ［3 ］等针对千米深井巷道， 提出了高预应力、强力锚杆支护技术，通过大幅提 高支护系统的刚度和强度来保证围岩的完整性; 郭 志飚 ［4 ］等针对深部高应力强膨胀节理化复杂软岩， 提出了采用锚网索－桁架耦合支护技术;王卫军 ［5 ］ 等分析了深井煤层巷道围岩变形特征和支护失效的 原因，提出此类巷道的内外结构耦合平衡支护原 理; 孙广义 ［6 ］等认为深部巷道支护应以护为主， 防止围岩破裂范围扩大;何满潮［7 ］等总结了适用 于深部软岩大变形巷道的设计方法和控制技术，提 出了以横阻大变形锚杆为主体的支护技术。 然而关于深部巷道长锚杆支护方面，研究成果 较少。本文首先分析了深部巷道围岩的变形破坏特 征，并对长锚杆支护技术进行深入研究，阐述了长 锚杆的围岩控制机理及其在支护方面的优越性。现 场工业性试验表明，采用长锚杆支护，围岩控制效 果更佳。 1深部巷道围岩变形破坏特征 笔者通过查阅相关文献 ［2， 8－10 ］，并在结合现场 矿压规律监测的基础上，分析并总结出了深部巷道 的变形破坏特征，主要有以下几个方面 1巷道围岩变形量大，支护体破坏严重 随着煤矿开采深度的增加，地应力越来越大，由此 形成了较大的破碎区和塑性区，尤其当巷道受采动 影响时，巷道变形量会急剧增加，普通的锚杆锚索 58 第 20 卷 第 4 期 总第 125 期 2015 年 8 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 20No. 4 Series No. 125 August2015 ChaoXing 支护已很难奏效。现场观测表明此类巷道的变形量 已远远超过了锚索的延伸量，导致锚索在支护过程 中大量破断，巷道变形量进一步加剧。 2巷道围岩变形具有持续性在高应力作 用下，围岩逐渐由弹性状态转变为塑性状态，塑性 状态的岩石表现为流变特性，普通锚杆仅能转移浅 部的应力，锚索在这种大变形巷道中失效程度严 重，造成深部围岩持续变形，巷道需要经常扩修才 能保证正常的生产要求。 3围岩变形的不可控性在这种深部煤层 巷道中，围岩变形相当一部分处于给定变形状态， 支护阻力对围岩变形的控制作用有限，高强度的支 护阻力并未有效减缓巷道的变形程度，反而锚索破 断现象依然存在，巷道冒顶时有发生，支护成本居 高不下。 2长锚杆支护技术研究 与普通的长锚杆相比，它不是靠加大杆体的长 度来增加锚杆的长度，而是通过两段或多段普通杆 体的对接来实现锚杆的加长 ［11 ］。 2. 1长锚杆的组成结构 长锚杆分为 2 种，一种是顶板长锚杆，另一种 是帮部长锚杆，它们均由杆体，锚头和锚尾组成。 1顶板长锚杆在锚头和锚尾之间设置有至 少一个连接部，锚杆的长度根据支护实际需要由两 段或多段杆体对接而成，每段的长度根据实际需要 进行设计，一般有 1. 5m，2m 和 2. 5m 3 种规格。 具体结构形式如图 1 a所示。 2帮部长锚杆的杆体部分和连接部分与顶 板长锚杆相同，但锚尾部分为一刚性长螺纹结构， 其强度大于杆体强度，长度为 0. 5～1. 2m。具体结 构形式如图 1 b所示。 图 1长锚杆结构 锚杆接头连接部由杆体敦粗结构与高强连接螺 栓组成，连接部内置有内螺纹，与具有外螺纹的连 接螺栓相匹配，如图 2 所示，强度不低于杆体段强 度，连接头的承载力在 180kN 以上，保证了锚杆 的整体强度。 图 2长锚杆接头连接部 锚杆的材质为无纵筋左旋螺纹钢，经过实验室 对其拉伸试验可知，20mm2000mm 左旋螺纹钢 杆体的破断载荷接近 200kN，屈服强度为 385MPa， 抗拉强度为 610MPa，最大伸长量大于 300mm，延 伸率为 15～18; 由此可知，长锚杆相比锚索强 度较小，但具有较大的延伸率。 2. 2不同支护系统数值模拟分析 为了说明长锚杆在巷道支护中的优越性，以某 深部大变形巷道地质条件为背景，进行了 FLAC3D 数值模拟，对比分析巷道采用锚杆锚索与长锚杆支 护的区别。模拟中巷道埋深约 700m，巷道顶底板 特征及力学参数见表 1，巷道围岩本构关系采用摩 尔－库仑模型。锚杆锚索支护方案分别采用普通支 护强度与高强支护强度。在普通支护方案中，顶板 为 2 根 21. 6mm 8000mm 锚索加 6 根 20mm 2400mm普通锚杆，帮部为 4 根 20mm2400mm 普通锚杆，锚杆锚索预紧力均为 100kN。在高强支 护方案中，顶板及帮部锚杆锚索规格与普通支护方 案相同，但同一断面内顶板锚杆锚索数量是普通支 护方案的 1. 5 倍，预紧力不变。在长锚杆支护中， 顶板为 4 根 20mm5000mm 长锚杆加 6 根 20mm 2400mm 普通锚杆，帮部为 4 根 20mm3700mm 长锚杆，锚杆预紧力为 100kN，巷道围岩本构关系 采用摩尔－库伦模型。各支护方案塑性区分布特征 见图 3。 表 1数值模拟中巷道顶底板特征及力学参数 煤岩 名称 视密度/ kgm －3 体积模 量/GPa 剪切模 量/GPa 抗拉强 度/MPa 内摩擦 力/ ゜ 黏聚 力/MPa 大占砂岩28003. 572. 462. 136. 05. 0 砂质泥岩27002. 331. 351. 029. 51. 4 二1煤层15001. 270. 490. 829. 01. 3 细粒砂岩26003. 542. 351. 835. 03. 5 灰岩29003. 813. 484. 540. 09. 5 图 3各支护方案塑性区分布 68 总第 125 期煤矿开采2015 年第 4 期 ChaoXing 由图 3 可看出，在不同的支护系统下，巷道塑 性区范围基本相同，对比各支护方案可发现，在顶 板范围内，顶板长锚杆与锚索均已锚固到深部稳定 围岩中，在帮部，普通锚杆未锚固到深部稳定围 岩，帮部长锚杆依旧能锚固在深部稳定围岩。 可见在深部条件下，巷道塑性区范围较大，加 大支护强度对塑性区改变很小 见图 3 a ， b ，巷道变形依旧会很大; 常规的锚杆锚索支 护已不再适用，顶板锚索虽能锚固到深部稳定围 岩，但其较低的延伸率也决定了它在支护大变形巷 道时容易破断失稳，帮部普通锚杆已不能锚固到深 部稳定围岩，更不能保证巷道的稳定性，长锚杆对 支护深部大变形巷道优势显著。 2. 3长锚杆围岩控制机理及优越性分析 2. 3. 1长锚杆围岩控制机理 长锚杆控制围岩的作用主要表现在以下几个方 面 1在深部巷道中，巷道的变形已为给定变 形状态，提高支护体的刚度与强度对围岩的控制效 果有限，对围岩的控制要以柔性支护的理念进行， 柔性不是彻底的柔性，柔性的同时带有一定的强 度，通过柔性来释放围岩的压力，通过强度来防止 塑性区的进一步扩展。 2对围岩的控制中，保证长锚杆具有稳定 的锚固力尤为重要，可根据巷道围岩塑性区确定合 理锚杆长度，锚固到较为稳定的深部围岩中，维护 已破碎围岩的稳定，避免巷道失稳与冒顶事故。 3在支护中，长锚杆具有较高的延伸率来 适应围岩的大变形，避免了过度承载而破断，并在 支护过程中能提供较大阻力，将浅部塑性区围岩应 力转移到深部弹性围岩，保证了深部围岩的三向受 力状态，一定程度上约束了深部围岩的变形。 4长锚杆支护系统适应能力较强，由于具 有较大的柔性，托盘不会由于应力集中而导致巷道 表层围岩的破碎，能很好地维持围岩的残余强度。 5对于深部大变形巷道，应采用长短锚杆 协调支护，长锚杆控制较大范围保证不发生大的冒 顶，短锚杆控制浅部破碎围岩防止小范围漏顶。 2. 3. 2长锚杆支护的优越性 1能根据巷道塑性区的大小设计锚杆的长 度，且每段杆体的长度可自由设计，保证锚杆锚固 到巷道深部稳定围岩中，增加了支护的有效性。 2长锚杆杆体段延伸率超过 15，在巷道 变形量较大时，能提供较大的延伸量，有效地适应 围岩的大变形，在适应的同时提供较大的支护阻 力，这种支护思想是以让压来达到控制的目的，支 护效果较好。 3此种锚杆不是一整段较长的杆体，而是 由多段短杆体对接而成，在巷道正常尺寸下整段较 长的杆体难以安装，而此种锚杆可以利用锚杆转机 分别安装，只需在安装时在连接部对接即可，节省 了大量空间，安装较为方便。 4帮部长锚杆的尾部为刚性长螺纹结构， 在巷帮变形较大需要扩帮时，能根据扩帮尺寸大小 将长螺纹段锯断一部分再拧紧锚杆螺栓或只需拧紧 锚杆螺栓，无需重新补打锚杆锚索，大幅提高工作 效率的同时又避免了材料的浪费。 3工程应用 为了验证长锚杆的支护优越性，选取赵固矿区 典型深埋巷道进行试验，巷道埋深约 600 ～ 800m， 直接顶为砂质泥岩和细粒砂岩，水平层理，基本顶 为大占砂岩，以石英为主。巷道断面为矩形，巷道 断面尺寸为 4800mm3300mm。 3. 1原支护方式巷道变形破坏特点 巷道原有支护形式为锚杆锚索联合支护。具体 支护形式为锚网索钢筋梯W 型钢带16 号槽钢 梁联合支护，支护参数如表 2 所示。 表 2巷道原有支护参数 支护 材料 材料参数/ mmmm 间排距/mmmm 顶帮 同一断面支 护材料数量/个 顶帮 锚杆20240080090090090064 锚索21. 682501300900 －40 对此种支护形式下的巷道变形规律监测表明， 巷道的顶板变形主要集中在 0～4m 范围内，帮部变 形主要集中在 0～3m 范围内，且变形主要发生在掘 进期间和受工作面采动影响期间。在掘进期间，顶 板下沉量为 230mm，两帮移近量为 438mm;在工 作面回采期间，顶板下沉量为 564mm，两帮移近 量则达到 1080mm。可见在原有支护形式下，巷道 的变形量极大，并多次出现锚索被拉断等支护失效 现象，巷道破坏严重，巷道在服务期间需要经常扩 修，严重影响了煤矿的正常安全生产。 3. 2新支护方案 对此类巷道的支护，应能保证支护材料锚固到 巷道深部稳定围岩，由巷道变形规律监测可知，顶 板 4m 以外围岩为稳定围岩区域，帮部 3m 以外为 稳定围岩区域，故所采用的顶板长锚杆长度应大于 4m，帮部长锚杆长度应大于 3m;顶板应采用长短 78 于明江等 深部巷道长锚杆支护技术研究及应用2015 年第 4 期 ChaoXing 锚杆协调支护，帮部全部采用长锚杆进行支护，具 体的巷道支护参数如下 1顶板支护参数采用顶板长锚杆普通螺 纹钢锚杆金属网钢筋梯联合支护。普通螺纹钢锚 杆规格为 20mm 2400mm，顶板长锚杆规格为 20mm5000mm，锚杆间排距 800mm1000mm，锚 固长度 1200mm，锚杆托盘 δ10mm150mm150mm， 与钢筋梯配合使用，钢筋梯长度为 4160mm 配合 3160mm 使用。金属网片使用 5. 6mm 钢筋焊制，金 属网片网幅1000mm1900mm，网片搭接100mm，每 格用 14 号铅丝绑扎。 2帮部支护参数两帮全部采用帮部长锚 杆，配合 W 型钢带与金属网进行支护。帮部长锚 杆规格为 20mm3700mm，锚杆间排距 900mm 1000mm，锚固长度 900mm，锚杆托盘为 W 型钢 带，与规格为 δ10mm150mm150mm 托盘配合使 用，金属网与顶板金属网相同。巷道支护断面如图 4 所示。 图 4巷道支护断面 3. 3支护效果 3. 3. 1巷道支护效果监测 对支护效果的监测分为两方面，一是采用十字 布点法对巷道顶板下沉量和两帮的移近量进行监 测，二是对新支护方案中的顶板长锚杆进行工作阻 力监测。在试验巷道分别布置 5 个测站进行监测， 巷道变形监测表明，顶板及两帮变形主要发生在前 30d 内，故对巷道变形只进行了 60d 的连续监测， 监测结果如图 5 所示。 由监测结果可知，采用新支护方案后，在掘进 期间，顶板平均下沉量为 207mm，两帮平均移近 量为 368mm;在回采期间，顶板平均下沉量为 515mm，两帮平均移近量为 835mm;相比原支护 方案，在掘进期间顶板及两帮围岩变形量分别减少 23mm 和 70mm，在回采期间顶板及两帮变形量分 别减少 49mm 和 245mm，虽减少量有限，但经现场 图 5新支护方案巷道变形监测结果 观测表明，巷道破坏程度明显减弱，长锚杆由于其 自身较好的延伸性能能很好地适应巷道围岩的大变 形。长锚杆工作阻力监测表明，在巷道掘进和回采 期间，工作阻力在 160～177kN 的长锚杆比例可达 85以上，平均工作阻力约为 170kN，且未发生破 断现象，可见长锚杆在顶板支护的全过程均保持了 较好的工作状态，在释放围岩变形压力的同时保持 了高强的支护阻力，围岩控制效果较好。 3. 3. 2帮部扩帮效果 巷道表面位移监测表明，即使采用长锚杆支 护，在工作面回采期间，两帮移近量也较大，达到 800mm 以上，若采用普通锚杆支护，巷道必然要 补打锚杆，此时帮部长锚杆的优势再次凸显，相比 普通锚杆，长锚杆特有的长螺纹段能保证其在扩帮 时重新利用。具体扩帮形式分为 2 种 当扩帮尺寸 较小时，长螺纹段在扩帮后外露尺寸不大，不需切 割长螺纹段，只需将螺母重新拧紧即可; 当扩帮尺 寸较大时，长螺纹段在扩帮后外露尺寸较大，需要 将螺母拧紧后切割掉外露的长螺纹段。 4结论 1分析并总结出了深部巷道变形破坏特征 为 巷道围岩变形量大，且支护体破坏严重，巷道 围岩变形具有持续性和不可控性。 2 数值模拟分析了不同支护系统巷道围岩 下转 39 页 88 总第 125 期煤矿开采2015 年第 4 期 ChaoXing 图 7 70 号支架来压判断曲线 表 2基本顶来压歩距统计 来压次序 10 号 支架 40 号 支架 70 号 支架 100 号 支架 130 号 支架 初次来压/m3530 322836 周期 来压/m 12024221617 22216201816 4结论 1通过数值模拟结果可知，当顶板处理层 位达到下位基本顶后，由于直接顶和下位基本顶支 承条件的改变，垮落歩距分别缩短为 15m 和 30m， 此时由于岩石碎胀性采空区被垮落岩块充满，从而 可以抑制上位基本顶离层发展的过程，开挖 70m 后上位基本顶滞后工作面发生断裂，避免上位基本 顶发生滑落失稳给工作面带来的冲击，能够大幅度 减小初采期间来压强度。 2根据 215206 工作面顶板具体情况，研究 了放顶高度对基本顶来压步距的影响。结果表明， 来压步距不是随着放顶高度的增加而一直减少，而 是存在一个合理放顶高度区间，在此区间内来压步 距随着放顶高度增加而线性减小，当超过该区间时 基本顶初次来压步距会增大并维持为一个定值，最 终确定 215206 工作面强放高度为 7m。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 张李节 . 厚砂层下薄基岩长壁工作面矿压显现规律 ［D］ . 西 安 西安科技大学，1994. ［ 2］ 黄庆享 . 浅埋煤层长壁开采顶板结构及岩层控制研究 ［M］ . 徐州 中国矿业大学出版社，2000. ［ 3］ 黄庆享，石平五 . 印度浅埋煤层支护论证报告 ［R］ . 西安 西安矿业学院，1998. ［ 4］ 赵宏珠 . 印度综采长壁工作面浅部开采实践 ［ J］ . 中国煤炭， 1998，24 12 49－51. ［ 5］ 钱鸣高，石平五，许家林 . 矿山压力与岩层控制 ［M］ . 北 京 煤炭工业出版社，2010. ［ 6］ 钱鸣高，谬协兴，何富连 . 采场 “砌体梁”结构的关键块分 析 ［ J］ . 煤炭学报，1994， 6 557－563. ［ 7］ 钱鸣高，张顶立，黎良杰，等 . 砌体梁的 “S－R”稳定及其 应用 ［J］ . 矿山压力与顶板管理，1994 3. ［ 8］ 康立军，齐庆新，史元伟 . 顶板断裂机理的离散元数值方法 研究［J］ . 煤矿开采，1995 1 33－37. ［ 9］ 潘俊锋，齐庆新，史元伟 . 综放开采顶板岩层垮段特征的 3DEC 模拟研究［ J］ . 煤矿开采，2007，7 2 4－7. ［ 10］ 王玉杰 . 爆破工程 ［M］ . 武汉武汉理工大学出版社， 2007. ［ 11］ 郑富洋 . 极坚硬顶板强制预裂原理及工程实践研究 ［J］ . 煤 矿开采，2013，18 3 92－96.［责任编辑 王兴库］ 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 上接 88 页 的塑性区分布，结果表明 深部条件下巷道塑性区 范围较大，加大支护强度对塑性区改变较小，普通 锚杆锚索支护不再适用。 3长锚杆的围岩控制机理为进行柔性支 护，释放围岩压力并防止塑性区扩展; 深部稳定锚 固，避免已破碎围岩失稳; 转移浅部应力，保证深 部围岩的三向受力状态; 长短锚杆协调支护，适应 围岩的大变形，预防巷道的冒顶及漏顶。 4现场试验表明，采用长锚杆支护后，巷 道变形量减小，巷道破坏程度明显减弱，且帮部长 锚杆在扩帮时能够重新利用; 长锚杆大都处在较大 的工作阻力状态，大幅提高了巷道服务期间围岩的 稳定性。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 何满潮，谢和平，彭苏萍，等 . 深部开采岩体力学研究［ J］ . 岩石力学与工程学报，2005，24 16 2803－2813. ［ 2］ 马念杰，赵志强，冯吉成 . 困难条件下巷道对接长锚杆支护 技术 ［ J］ . 煤炭科学技术，2013，41 9 117－121. ［ 3］ 康红普 . 深部煤巷锚杆支护技术的研究与实践 ［J］ . 煤矿开 采，2008，13 1 1－5. ［ 4］ 郭志飚，李乾，王炯 . 深部软岩巷道锚网索－桁架耦合支 护技术及其工程应用 ［ J］ . 岩石力学与工程学报，2009，28 2 3914－3919. ［ 5］ 王卫军，李树清，欧阳广斌 . 深井煤层巷道围岩控制技术及 试验研究 ［J］ . 岩石力学与工程学报，2006，25 10 2102－2107. ［ 6］ 孙广义，林井祥 . 深部巷道支护技术研究与实践 ［J］ . 煤矿 开采，2010，15 1 54 －57. ［ 7］ 何满潮 . 深部软岩工程的研究进展与挑战 ［J］ . 煤炭学报， 2014，39 8 1409－1417. ［ 8］ 杜计平，苏景春 . 煤矿深井开采的矿压显现及控制 ［M］ . 徐 州 中国矿业大学出版社，2000. ［ 9］ 杨海萍，汤国禹，朱新民，等 . 深部巷道变形特征及支护对 策 ［ J］ . 矿业工程研究，2012，39 4 13－17. ［ 10］ 张军 . 深部巷道围岩破坏机理及支护对策研究 ［D］ . 北 京 中国矿业大学 北京 ，2010. ［ 11］ 刘洪涛，王飞，王广辉，等 . 大变形巷道顶板可接长锚杆 支护系统性能研究 ［J］ . 煤炭学报，2014，39 4 600－ 607.［责任编辑 姜鹏飞］ 93 管学海 坚硬厚基岩浅埋煤层切眼合理放顶高度研究2015 年第 4 期 ChaoXing