深部煤巷锚杆支护技术的研究与实践.pdf

综 述 深部煤巷锚杆支护技术的研究与实践 康红普 煤炭科学研究总院 开采设计研究分院,北京100013 [摘 要] 在分析深部高地应力巷道围岩变形与破坏特征,目前锚杆支护存在问题的基础上, 提出高预应力、强力支护理论与锚杆支护设计准则;通过井下实测数据,分析深部矿井地应力分布特 征;介绍强力锚杆支护系统,包括强力锚杆,强力钢带及强力锚索;最后,介绍高预应力、强力锚杆 支护系统在新汶千米深井巷道中的应用情况,评价支护效果。井下试验表明,高预应力、强力锚杆支 护系统能有效控制深部巷道强烈变形,保持围岩稳定。 [关键词] 深部巷道;高预应力;强力锚杆支护;应用 [中图分类号] TD35316 [文献标识码] A [文章编号] 100626225 2008 0120001205 Research and Practice of Bolting Support Technology in Deep Coal Roadways KANG Hong2pu CoalMining high pre2stress; power bolting supporting; application [收稿日期] 2007 - 12 - 01 [基金项目]国家技术支撑计划项目20069BAB16B02, 2006BAK03B06 [作者简介]康红普1965 - ,男,山西五台人,研究员,博士生导师,从事巷道支护技术研究。 随着煤炭开采深度、强度与广度的增加,出现 大量复杂困难巷道,对巷道支护技术提出更高、更 苛刻要求。深部高地应力巷道是一类典型的困难巷 道。深部开采引起高地压、高地温、高岩溶水压和 强烈的开采扰动影响。深部矿井重力引起的垂直应 力明显增大,构造应力场复杂,地应力高;在高地 应力作用下,开采扰动影响强烈,围岩破坏严重。 在高地应力环境下,煤岩体的变形特性发生了 根本变化由浅部的脆性向深部的塑性转化;高地 应力作用下,煤岩体变形具有较强的时间效应,表 现为明显的流变或蠕变;煤岩体的扩容现象突出, 表现为大偏应力下煤岩体内部节理、裂隙、裂纹张 开,出现新裂纹,导致煤岩体积增大,扩容膨胀; 煤岩体变形的冲击性,表现为变形不是连续的、逐 渐变化的,而是突然剧烈增加。高地应力环境和煤 岩体变形特征决定了深部矿井会遇到一系列动力灾 害,包括冲击矿压、煤岩与瓦斯突出、瓦斯爆炸、 矿井突水、矿压显现剧烈、巷道围岩大变形、冒顶 片帮等灾害,对深部矿井的安全、高效开采带来巨 大威胁。上述灾害主要发生在巷道,可以说,深部 开采首要的、关键的技术是巷道支护。 经过近十多年的研究与试验,我国已经形成了 具有中国特色的煤巷锚杆支护成套技术体系,包括 巷道围岩地质力学测试、锚杆支护设计、锚杆支护 材料、施工机具与工艺、工程质量检测与矿压监 测,以及煤巷锚杆支护技术规范。目前,煤巷锚杆 支护技术已经得到大面积推广应用,在一般条件下 取得了良好的支护效果与技术经济效益,成为煤矿 巷道首选的、主要的支护形式 [1 ]。 但是,在深部高地应力巷道等复杂困难条件 下,锚杆支护出现了一系列问题锚杆预应力过 低,强度不足,抗冲击性能差,造成锚杆拉断或整 体失效;锚索直径小、强度低、延伸率低,与钻孔 匹配性差,经常出现锚索被拉断或整体滑动;钢带 强度和刚度小,容易撕裂和拉断,护顶效果差。上 述现象严重影响了巷道支护效果和安全程度。同 1 第13卷 第1期总第80期 2008年2月 煤 矿 开 采 CoalMining Technology Vo1113 No11 SeriesNo1 80 February 2008 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 时,由于锚杆、锚索强度和刚度偏低,导致单位面 积上锚杆、锚索数多,间排距小,支护密度大,严 重影响巷道掘进速度,造成采掘接续紧张。 为了解决深部高地应力巷道支护难题,国内外 很多科研单位、大专院校及煤炭企业开展了深部巷 道支护理论与技术的研究,并取得明显进展。本文 主要介绍煤炭科学研究总院开采设计研究分院在这 方面进行的一些研究工作。 1 深部巷道支护原理分析 国内高地应力巷道一般采用二次支护理论,即 巷道支护分两次进行,一次支护在保持巷道稳定的 前提下,允许围岩有一定的变形以释放压力;隔一 定的时间后实施二次支护,保持巷道的长期稳定。 但是,这种理论目前已遇到了极大的挑战,在深部 动压影响区、构造应力带、软岩破碎带等地点,采 用二次支护后仍出现变形破坏等问题,甚至需要三 次、四次支护,巷道周而复始地发生破坏,围岩变 形长期得不到有效控制。 本文在井下实测、数值计算等研究成果的基础 上,针对深部巷道围岩变形的流变性、扩容性和冲 击性,分析深部巷道锚杆支护的作用,提出高预应 力、强力锚杆支护理论,其要点为 1深部巷道围岩变形主要包括两部分一 是结构面离层、滑动、裂隙张开及新裂纹产生等扩 容变形,属于不连续变形;二是岩石的弹性变形、 峰值强度之前的塑性变形、锚固区整体变形,属于 连续变形。由于结构面强度一般比较低,因此开巷 以后,不连续变形先于连续变形。合理的深部巷道 支护形式是大幅度提高支护系统初期支护刚度与强 度,有效控制围岩不连续变形,保持围岩的完整 性,同时支护系统应具有足够的延伸率,允许深部 巷道围岩有较大的连续变形,使高应力得以释放。 2锚杆支护主要作用在于控制锚固区围岩 的离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容变形 与破坏,使围岩处于受压状态,抑制围岩弯曲变 形、拉伸与剪切破坏的出现,最大限度地保持锚固 区围岩的完整性,减小锚固区围岩强度的降低,使 围岩成为承载的主体。在锚固区内形成刚度较大的 预应力承载结构,阻止锚固区外岩层产生离层,同 时改善围岩深部的应力分布状态。 3锚杆预应力及预应力的扩散对支护效果 起着决定性作用 [2～4 ]。根据深部巷道条件确定合理 的预应力,并使预应力实现有效扩散是支护设计的 关键。单根锚杆预应力的作用范围是很有限的,必 须通过托板、钢带和金属网等构件将锚杆预应力扩 散到离锚杆更远的围岩中。特别是对于巷道表面, 即使施加很小的支护力,也会明显抑制围岩的变形 与破坏,保持顶板的完整。护表构件在预应力支护 系统中发挥极其重要的作用。 4锚杆支护系统存在临界支护刚度,即使 锚固区不产生明显离层和拉应力区所需要支护系统 提供的刚度。支护系统刚度小于临界支护刚度,围 岩将长期处于变形与不稳定状态;相反,支护系统 的刚度达到或超过临界支护刚度,围岩变形得到有 效抑制,巷道处于长期稳定状态。支护刚度的关键 影响因素是锚杆预应力,因此,存在锚杆临界预应 力值。当锚杆预应力达到一定数值后,可以有效控 制围岩变形与离层,而且锚杆受力变化不大。 5锚杆支护对深部巷道围岩的弹性变形、 峰值强度之前的塑性变形、锚固区整体变形等连续 变形控制作用不明显,要求支护系统应具有足够的 延伸率,使围岩的连续变形得以释放。同时,为适 应深部巷道围岩的冲击性变形,要求锚杆有较高的 冲击韧性。 6锚索的作用主要有两方面其一是将锚 杆支护形成的预应力承载结构与深部围岩相连,提 高预应力承载结构的稳定性,同时充分调动深部围 岩的承载能力,使更大范围内的岩体共同承载;其 二是锚索施加较大的预紧力,给围岩提供压应力, 与锚杆形成的压应力区组合成骨架网状结构,主动 支护围岩,保持其完整性。 7深部巷道应采用高预应力、强力锚杆组 合支护,同时要求支护系统有足够的延伸量与冲击 韧性。应尽量一次支护就能有效控制围岩变形与破 坏,避免二次支护和巷道维修。 2 深部巷道地应力测试与分析 高地应力是深部巷道围岩大变形、冒顶、片 帮,以及出现冲击矿压、煤岩与瓦斯突出等动力灾 害的根本原因,因此,了解深部巷道地应力大小、 方向,地应力分布特征与规律,对巷道布置、支护 设计、动力灾害的防治具有特别重要的意义。 采用煤炭科学研究总院开采设计研究分院开发 的SYY256型小孔径水压致裂地应力测量装置 [5 ] , 在新汶、淮南、平顶山等矿区深部巷道中进行了地 应力测量。在新汶矿区协庄矿、华丰矿和潘西矿共 进行9个测站的地应力测量,测量结果见表1。 2 总第80期煤 矿 开 采2008年第1期 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 表1 新汶矿区地应力测量结果 序号巷道名称埋深/m垂直应力/MPa 最大水平主 应力/MPa 最小水平主 应力/MPa 最大水平 主应力方向 1协庄1202西回风巷790201943213916156N3315E 2协庄1202东运输巷115030148341617189N1215E 3协庄- 850二采区轨道下山1071281383917720164N3917E 4华丰- 1100大巷12203213342112218N3E 5华丰- 1010水平大巷113029195331151911N3115E 6华丰- 920水平煤仓石门104027166311351612N2315W 7潘西7192主巷1号机窝964251552516512123N3213E 8潘西7192主巷3号机窝967251632114210187N4315E 9潘西435运输巷临时变电所961251472010610112N2519E 地应力测量结果表明,新汶矿区深井地应力分 布有以下特征在9个测点中,埋深超过1000m 的有5个,最深为1220m;最大水平主应力最大为 4211MPa,最小为20106MPa; 9个测点中,最大水 平主应力大于垂直应力的测点有7个,占7718 , 最大水平主应力与垂直应力的比值最大为1155。 可见,新汶千米深井巷道地应力很高,而且水平应 力占明显优势。 3 深部巷道锚杆支护设计 针对深部巷道地质与生产条件,为了充分发挥 锚杆支护的作用,提出以下设计原则 1一次支护原则 锚杆支护应尽量一次支 护就能有效控制围岩变形,避免二次或多次支护, 以及巷道维修。一方面,这是矿井实现高效、安全 生产的要求,就回采巷道而言,要实现采煤工作面 的快速推进,服务于回采的巷道应在使用期限内保 持稳定,基本不需要维修;对于大巷和硐室等永久 工程,更需要保持长期稳定,不能经常维修。另一 方面,这是锚杆支护本身的作用原理决定的。巷道 围岩一旦揭露立即进行锚杆支护效果最佳,而在已 发生离层、破坏的围岩中安装锚杆,支护效果会受 到显著影响。 2高预应力和预应力扩散原则 预应力是 锚杆支护中的关键因素,是区别锚杆支护是被动支 护还是主动支护的参数,只有高预应力的锚杆支护 才是真正的主动支护,才能充分发挥锚杆支护的作 用。一方面,要采取有效措施给锚杆施加较大的预 应力;另一方面,通过托板、钢带等构件实现锚杆 预应力的扩散,扩大预应力的作用范围,提高锚固 体的整体刚度与完整性。 3“ 三高一低 ”原则 即高强度、高刚度、 高可靠性与低支护密度原则。在提高锚杆强度 如加大锚杆直径或提高杆体材料的强度、刚度 提高锚杆预应力、加长或全长锚固 , 保证支护 系统可靠性的条件下,降低支护密度,减少单位面 积上锚杆数量,提高掘进速度。 4临界支护强度与刚度原则 锚杆支护系 统存在临界支护强度与刚度,如果支护强度与刚度 低于临界值,巷道将长期处于不稳定状态,围岩变 形与破坏得不到有效控制。因此,设计锚杆支护系 统的强度与刚度应大于临界值。 5相互匹配原则 锚杆各构件,包括托板、 螺母、钢带等的参数与力学性能应相互匹配,锚杆 与锚索的参数与力学性能应相互匹配,以最大限度 地发挥锚杆支护的整体支护作用。 6可操作性原则 提供的锚杆支护设计应 具有可操作性,有利于井下施工管理和掘进速度的 提高。 此外,在保证巷道支护效果和安全程度,技术 上可行、施工上可操作的条件下,做到经济合理, 有利于降低巷道支护综合成本。 4 强力锚杆与锚索支护材料 锚杆支护材料包括锚杆杆体和附件、树脂锚固 剂、W钢带和小孔径树脂锚固锚索等。 411 强力锚杆杆体 为了大幅度提高锚杆强度,开发了专用强力锚 杆钢材配方,设计了BHRB500, BHRB600的螺纹 钢筋,达到高强度和超高强度级别。杆体直径一般 为22 - 25mm,力学性能见表2。对于直径25mm 的BHRB600强力锚杆,屈服力达300kN以上,破 断力达400kN以上。 表2 锚杆杆体力学性能 牌号直径/mm 屈服载 荷/kN 拉断载 荷/kN 伸长率 / δ5 BHRB50022190102541720 BHRB50025245143281920 BHRB60022235163111718 BHRB60025304134021518 除强力锚杆杆体外,还开发出与强力锚杆力学 3 康红普深部煤巷锚杆支护技术的研究与实践2008年第1期 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 性能相配套的托板、螺母。同时,为了减少螺母与 托板之间的摩擦阻力和摩擦扭矩,最大限度地将锚 杆安装扭矩转化为预紧力,开发出高效减摩垫圈, 置于螺母与托板之间,显著减少了摩擦阻力,在相 同的安装扭矩下大幅度提高了锚杆预紧力。 412 强力钢带 钢带是煤巷锚杆支护中的重要组合构件。W 型钢带是利用带钢经多组轧辊连续进行冷弯、滚压 成型的型钢产品。由于带钢在冷弯成型过程中的硬 化效应,可明显提高型钢强度。冷弯成型出材率高 98 ,与冲压及热轧型钢相比, 可节约钢材 10～30。W型钢带的优点主要为 1护表面积大,护表作用强,有利于锚杆 预应力扩散和锚杆作用范围的扩大; 2强度比较高,组合作用强; 3刚度大,抗弯性能好,控制围岩变形的 能力强。 W型钢带的主要缺点是钢带较薄、巷道压 力大时,易出现托板压入或压穿钢带,导致钢带发 生剪切和撕裂破坏。采用适当加大钢带厚度或选用 强度更高的钢材可以解决这个问题。 为了与强力锚杆配合,设计了厚度5mm、宽 度280mm的强力W型钢带,其破断载荷高达 500kN,同时,刚度也大幅度提高,组合与护表能 力大大增强。 413 强力锚索 小孔径树脂锚固预应力锚索是煤巷锚杆支护的 有效补强手段,主要用在破碎、复合顶板巷道,煤 顶巷道,高地应力巷道,以及大断面巷道与交岔点 等 [6 ]。最早使用的小孔径树脂锚固锚索直径为 1512mm,使用过程中发现这种锚索有以下弊端 1索体直径偏小,与钻孔直径28mm不 匹配,孔径差过大,明显影响树脂锚固力,易出现 锚固端滑动现象; 2索体破断载荷较小,在高地应力、受采 动和地质构造影响的巷道中经常出现拉断现象; 3索体延伸率低,不能适应围岩的大变形; 4索体强度低,施加的预应力水平较低, 导致锚索预应力作用范围小,控制围岩离层、滑动 的作用差。当锚索使用比较长时尤为如此。 针对上述问题,煤炭科学研究总院开采设计研 究分院与有关单位合作,开发了大直径、高吨位的 锚索。一方面加大了锚索索体直径,从1512mm增 加到20mm, 22mm,不仅显著提高了索体的破断 力,而且使索体直径与钻孔直径的配合更加合理; 另一方面,改变了索体结构,采用新型的19根钢 丝结构代替了原来的7根钢丝,索体结构更加合 理。如22mm的 强 力 锚 索 索 体 的 破 断 力 达 到 600kN,是1512mm的钢绞线破断力的213倍;索 体延伸率接近7 ,比1512mm的钢绞线提高一 倍。强力锚索已经在高地应力巷道、特大断面巷 道、受强烈采动影响巷道等困难条件得到应用,取 得良好的支护效果。 5 应用实例 新汶矿区平均开采深度已超过1000m,最深达 1300m。它集中了采深大、地质构造复杂、矿井灾 害现象多重条件,使巷道支护极为困难 [7]。深部 岩石巷道围岩变形大、底鼓严重;煤巷维护困难, 需多次维修与翻修;冲击矿压煤层巷道支护问题没 有得到解决。以往研究形成的锚网喷二次支护理论 受到了挑战,有些困难巷道采用二次支护后仍出现 大变形与破坏等问题,需要多次支护,巷道维护费 用极高,而且围岩变形长期不能稳定。为此,开展 了深部巷道支护理论与技术研究 [8 ] ,下面介绍协 庄矿运输巷的试验情况。 511 试验巷道地质与生产条件 试验地点为新汶协庄矿1202E运输巷。该巷 沿二煤顶板掘进,煤层平均厚度214m,倾角20～ 26 。直接顶为厚615m的砂质页岩,水平层理发 育,破碎易冒落;直接底为黏土岩,遇水膨胀变 软,厚度0～015m;其下为厚212m的砂质页岩。 巷道埋深1150～1200m。原岩应力测量结果表 明最大水平主应力为35～40MPa,垂直主应力为 30～32MPa。直接顶砂质页岩的单轴抗压强度在35 ～40MPa,煤层强度在12MPa左右,煤岩体强度比 较低。巷道断面1111m 2 ,全宽317m,全高3m。 512 高预应力、强力锚杆支护设计 针对上述高地应力、软岩巷道,进行了高预应 力、强力支护系统井下试验。 采用有限差分数值计算进行了多方案比较,确 定巷道支护形式为高预应力、强力锚杆组合支护 锚杆支护布置如图 1 。 锚杆为直径25mm, BHRB600型左旋无纵筋锚 杆,长度214m,杆尾螺纹为M27,极限破断力 400kN。树脂加长锚固,预紧力达到80kN。 组合 构件为W钢带,钢带厚 度5mm,宽 280mm。采用金属经纬网护顶、护帮,锚杆排距 110m,每排12根锚杆。顶板锚杆间距019m,上 帮间距111m,下帮间距018m。 4 总第80期煤 矿 开 采2008年第1期 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图1 1202E运输巷强力锚杆支护参数 513 高预应力、强力锚杆支护效果分析 锚杆支护实施于井下后,进行了矿压监测。如 表3,强力锚杆支护巷道顶底板移近量为281mm, 两帮移近量为173mm,顶板离层为4mm,分别比 原锚杆支护巷道降低6918 ,7718 ,95 ,巷 道变形降低幅度非常显著。可见,强力锚杆支护有 效控制了深部巷道围岩变形。 表3 不同支护巷道围岩变形量对比 锚杆支 护类别 两帮移 近量/mm 顶底板移 近量/mm 顶板下 沉量/mm 顶板离 层/mm 原有锚杆支护77993019580 强力锚杆支护173281404 降低率/77186918791595 6 结论 1深部巷道埋深大、地应力高,构造应力 场复杂,围岩强度和变形特征发生明显变化。围岩 变形的流变性、扩容性和冲击性显著,支护困难。 2锚杆支护主要作用在于控制锚固区围岩 的离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容变形 与破坏,使围岩处于受压状态,抑制围岩弯曲变 形、拉伸与剪切破坏的出现,最大限度地保持锚固 区围岩的完整性,减小锚固区围岩强度的降低,使 围岩成为承载的主体。在锚固区内形成刚度较大的 预应力承载结构,阻止锚固区外岩层产生离层,同 时改善深部围岩的应力分布状态。 3锚杆预应力及预应力的扩散对支护效果 起着决定性作用。根据深部巷道条件确定合理的预 应力,并使预应力实现有效扩散是支护设计的关 键。单根锚杆预应力的作用范围是很有限的,必须 通过托板、钢带和金属网等构件将锚杆预应力扩散 到离锚杆更远的围岩中。特别是对于巷道表面,即 使施加很小的支护力,也会明显抑制围岩的变形与 破坏,保持顶板完整。护表构件在预应力支护系统 中发挥极其重要的作用。 4在深部巷道中,应采用高预应力、强力 锚杆组合支护系统,同时要求支护系统有足够的延 伸量与冲击韧性。深部巷道应尽量一次支护有效控 制围岩变形,避免二次支护和巷道维修。 5新汶矿区深部巷道支护实践表明,高预 应力、强力锚杆支护系统是有效控制深部巷道围岩 变形和破坏的支护形式。 [参考文献] [1 ]王金华 1我国煤巷锚杆支护技术的新发展[J ]1煤炭学报, 2007, 32 2 11321181 [2 ]康红普,姜铁明,高富强 1预应力在锚杆支护中的作用[ J ] 1煤炭学报, 2007, 32 7 67326781 [3 ]范明建 1锚杆预应力与巷道支护效果的关系研究[D ]1北京 煤炭科学研究总院, 20071 [4 ]张 农,高明仕 1煤巷高强预应力锚杆支护技术与应用[ J ] 1中国矿业大学学报, 2004, 33 5 52425271 [5 ]康红普,林 健 1我国巷道围岩地质力学测试技术新进展 [J ]1煤炭科学技术, 2001, 29 7 272301 [6 ]康红普 1高强度锚杆支护技术的发展与应用[J ],煤炭科学 技术, 2000, 28 2 1241 [7 ]王怀新,周 明 1高强锚杆支护材料在深井的开发应用[ J ] 1矿山压力与顶板管理, 2002, 19 1 302311 [8 ]王金华 1千米深井煤巷围岩变形特征及其控制技术研究[D ] 1北京中国矿业大学北京 , 20071 [责任编辑邹正立] 我国大型矿区内的小煤矿不再配置资源 国家 关于促进煤炭企业组织结构调整的指导意见 中指出,各地要抓紧制定和实施煤炭资源整合方案,对大 型矿区内的小煤矿不再配置资源;对影响大型煤矿统一规划开采、且能与大型煤矿进行资源整合的小煤矿,由大型煤 矿采取整体收购或联合经营等方式进行整合改造;对影响大型煤矿安全生产的小煤矿,依法予以关闭。关闭不具备安 全生产条件、严重超层越界开采的煤矿。提高资源、土地、环保、技术等准入门槛,限期淘汰不符合产业政策、布局 不合理、破坏资源、污染环境的煤矿。 5 康红普深部煤巷锚杆支护技术的研究与实践2008年第1期 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. 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