煤矿巷道锚杆支护应用实例分析.pdf

第 2 9卷第 4期 2 0 1 0年 4月 岩石力学与工程学报 C h i n e s e J o u r n a l o f Ro c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g Vb 1 ． 2 9 No． 4 Apr i l ， 201 0 煤矿巷道锚杆支护应用实例分析 康红普 ，王金华 ，林健 煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京1 0 0 0 1 3 摘要在分析锚杆支护作用机制的基础上，提出高预应力、强力支护理论，强调锚杆预应力及其扩散的决定性作 用；指出对于复杂困难巷道，应尽量实现一次支护就能有效控制围岩变形与破坏；介绍煤矿开发出的锚杆支护成 套技 术，包括巷道围岩地质力 学测试 技术、动态信息锚杆 支护设计方法 、高 强度锚杆 与锚索支护材料 、支护工程 质量检测 与矿压监测技 术，以及锚固与注浆联合加 固技术 在分析煤矿巷道类型与特点 的基础上 ，介绍高预应 力、 强力锚杆支护 理论与技术 的典型应用实 例，包括千米深井 巷道 、软岩巷道、强烈动压 影响巷道 、大断面开切眼、 深部沿空掘巷 与留巷 、采空区 内留巷及松软破碎 硐室加 固。基 于这 些复杂困难巷道 的特点与地质 力学测 试结果， 进行巷道支护设计，通过矿压监测数据分析与信息反馈，评价支护设计的合理性与围岩稳定性。实践表明，采用 高预应力、强力锚杆支护系统 ，必要时配合注浆加固，能够有效控制巷道围岩的强烈变形 ，并取得良好的支护效果。 关键词采矿工程；煤矿巷道；锚杆支护；高预应力；成套技术；实例分析 中图分类号T D 3 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 0 6 9 1 5 2 0 1 0 0 4 0 6 4 91 6 CAS E STUDI ES oF RoCK Bo rI NG I N CoAL M I NE RoADⅥ， AYS KANG Ho n g pu， WANG J i n hu a， LI N J i a n C o a l Mi n i n ga n dDe s i g n B r a n c h ，C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ，B e ij i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n a n a l y z i n g b o l t i n g me c h a n i s m，t h e t h e o r i e s o f h i g h p r e s t r e s s a n d i n t e n s i v e b o l t i n g a r e p u t f o r wa r d ，wh i c h e mp h a s i z e t h e d e c i s i v e p a r t o f t h e b o l t p r e s t r e s s a n d i t s d i ff u s i o n ． I t i s p o i n t e d o u t t h a t t h e p r i ma r y s u p p o r t i n g s h o u l d b e a b l e t o c o n t r o l t h e d i s p l a c e me n t a n d d a ma g e o f t h e s u r r o u n d i n g r o c k a s s o o n a s p o s s i b l e u n d e r c o mp l i c a t e d c o n d i t i o n s ． T h e c o mp l e t e b o l t i n g t e c h n i q u e s f o r c o a l mi n e r o a d wa y s a r e i n tro d u c e d ， i n c l u d i n g g e o me c h a n i c s t e s t i n g ，t h e d y n a mi c i n f o r ma t i o n me t h o d for b o l t i n g d e s i g n， the ma t e r i a l s o f h i g h s t r e n g t h b o l t s a n d c a b l e s ，t h e c o n s t r u c t i o n q u a l i t y d e t e c t i n g a n d mo n i t o r i n g t e c h n i q u e s ， a n d t h e c o mb i n a t i o n t e c h n i q u e s o f b o l t i n g a nd g r ou t i n g． T yp i c a l c a s e s are d e s c r i be d o n the ba s i s o f r o a d wa y t y pe s ， i nc l u di ng the r o a d wa y wi t h b u r i e d d e p th mo r e t h a n 1 0 0 0 m ， t h e e n t r y i n s o ft r o c k， t he e n t r y s t r o ng l y a ffe c t e d b y a c t i ve m i ni ng a c t i v i t y， t he l a r g e s e c t i o n o p e n o ff c u t ，t h e e n t r y d r i v e n a l o n g n e x t g o a f wi t h a t h i n p i l l a r ， t h e e n tr i e s r e t a i n e d for n e x t s u b l e v e l a n d i n t h e g o a f ， a n d t h e d a ma g e d c h a mb e r wi t h s o f t a n d b r o k e n s u r r o u n d i n g r o c k s ．On t he b a s i s o f t h e f e a t u r e s o f t h e r o a d wa y s a n d fie l d t e s t i n g r e s u l t s ，the r e i n f o r c e me n t d e s i g n s a r e c a r rie d o u t ；a n dt h e r a t i o n a l i ty o f t h e d e s i gn s a n dthe s t a b i l i ty o f s u r r o u n d i n g r o c k a r e e v a l u a t e d t h r o u g h t h e a n a l y s i s a n d f e e d b a c k t o fie l d mo n i t o r i n g d a t a ．T h e s e pr a c t i c e s po i n t o u t t h a t t he hi g h p r e s tre s s a nd i n t e ns i v e bo l t i n g s ys t e m ， c o mb i ne d wi t h g r o u t i n g i fne c e s s a r y， c a n e ffe c t i v e l y c o n t r o l t h e v i ol e n t d i s p l a c e me n t s o f t he s ur r o u nd i n g r oc k a n d g o o d r e i n f o r c e me nt e ffe c t s c a r l b e a c h i e v e d ． K e y wo r d s mi n i n g e n gi ne e r i ng；c o a l m i n e r o a d wa y；b ol t s u p po r t i ng；hi g h p r e s t r e s s ；c o m p l e t e t e c h ni q ue；c a s e s s t ud i e s 收稿 日期I 2 0 0 91 1 3 0 修回 日期l 2 0 1 0一 O l 一1 8 基金项目“ 十一五”国家科技支撑计划项 目 2 0 0 8 B AB 3 6 B0 7 ；国家高技术研究发展计划 8 6 3计划 项 目 2 0 0 8 A A0 6 2 1 0 2 作者简介，康红普 1 9 6 5 一 ，男，博士，1 9 8 5 年毕业于山西矿业学院采矿工程系采矿工程专业，现任研究员、博士生导师，主要从事岩石力学与巷道 支护技术方面的教学 与研究工作 E ma i l k a n g h p 1 6 3 ． t o m 6 5 0 岩 石力学与工程学报 2 0 1 0矩 1 引 言 我国煤矿主要是井工开采，需要在井下开掘大 量巷道。据不完全统计，国有大中型煤矿每年新掘 进的巷道总长度高达 8 0 0 0 k r n左右，8 0 ％以上是开 掘在煤层中的巷道，保持巷道畅通与围岩稳定对煤 矿建设与安全生产具有重要意义。 随着煤矿开采强度与范围显著增加，巷道布置 出现 了以下发展方向 1 在巷道层位方面 ，永久 性巷道从岩巷向煤巷发展，以提高掘进速度，缩短 建井周期；放顶煤开采技术的广泛应用，使得回采 巷道从岩石顶板煤巷 向煤层顶板巷道和全煤巷道发 展。 2 在巷道断面形状与大小方面 ，拱形断面 向 矩形断面发展，以提高掘进速度与断面利用率，回 采巷道有利于采煤工作面的快速推进；小断面向大 断面发展，以满足大型采掘设备与高开采强度 的要 求。f 3 在回采巷道数量方面，单巷布置向多巷发 展，以满足高瓦斯矿井及大型矿井运输、通风的要 求。f 4 从巷道赋存条件方面，埋深从浅部 向深部 发展，简单地质条件向复杂地质条件发展 。所有这 些发展趋势都增加 了巷道支护难度，对支护技术提 出更高、更苛刻的要求。 煤矿巷道支护经历了木支护、砌碹支护、型钢 支护到锚杆支护的漫长过程。我国煤矿于 1 9 5 6年开 始在岩巷中使用锚杆支护，至今 已有 5 0多年 的历 史。锚杆支护经历了从低强度、高强度到高预应力、 强力支护的发展过程I 】 】 。早期 的锚杆主要是机械 锚固锚杆、钢丝绳砂浆锚杆、端部锚固树脂锚杆 、 快硬水泥锚杆及管缝式锚杆等。这些锚杆支护强度 与刚度低 ，支护原理上仍属于被动支护，只适应于 简单地质条件。对高强度锚杆支护技术的认可是从 1 9 9 6 1 9 9 7 年引进澳大利亚锚杆支护技术开始的【 。 通过引进技术与示范工程 ，高强度螺纹钢锚杆并进 行加长或全长树脂锚固，动态支护设计方法，小孔 径树脂锚固预应力锚索等新技术、新材料、新方法 在很多矿区得到推广应用 ，取得较好的支护效果和 经济效益I4 7 J 。但是，随着巷道埋深增加，地质条 件的复杂化及受到强烈的采动影响，高强度锚杆支 护逐渐暴露出很多问题。在深部及复杂困难巷道中， 高强度锚杆支护巷道围岩变形大，支护构件破坏严 重，支护效果差，不能满足安全生产要求。 近年来，为了解决深部及复杂困难巷道支护难 题 ，又开发出高预应力、强力锚杆支护技术 ～ 。 不仅重视锚杆的强度 ，而且更重视支护系统的刚 度 ，特别是锚杆预应力的重要性，真正实现 了锚杆 的主动、及时支护，充分发挥 了锚杆的支护作用。 井下应用大幅度减少了巷道围岩变形与破坏 ，巷道 支护与安全状况发生了本质改变 。同时，实现了高 强度、高刚度、高可靠性与低支护密度的 “ 三高一 低”的现代锚杆支护设计理念，在保证支护效果的 前提下，显著提高 了巷道掘进速度与工效。 目前，国有大 中型煤矿的煤巷锚杆支护率达到 6 0 ％，有些矿区超过 了9 0 ％，甚至达到 1 0 0 ％。我国 煤矿已经形成 了有 中国特色的煤巷锚杆支护成套技 术体系，锚杆支护 已经成为煤矿巷道首选的、安全 高效的主要支护方式 。它深刻地改变 了矿井 的开拓 部署与巷道布置方式 ，对我国高产高效矿井建设、 煤炭产量与效益的大幅度提高及安全状况的改善起 到不可替代的重要作用。 2 煤巷锚杆支护理论的发展 随着煤巷锚杆支护技术的快速发展，对锚杆支 护理论的研究也取得较大进展 。在大量理论分析、 实验室试验、数值模拟及井下试验研究成果的基础 上，进一步深化 了对锚杆支护作用本质的认识，指 导和促进了煤巷锚杆支护技术的推广应用l 】 训 。 基于锚杆对煤岩体的作用 ，提 出多种锚杆支护 理论。除传统的悬 吊、组合梁与加固拱外 ，还有 围 岩松动圈支护理论 ， 】 、围岩强度强化理论㈣ 等。 归纳起来有 3种模式 1 被动地悬吊破坏或潜在 破坏范 围的煤岩体 ； 2 在锚 固区内形成某种结构 梁、层、拱、壳等 ； 3 改善锚 固区围岩力学性能 与应力状态 ，控制围岩变形与破坏。通过不断深入 的研究后发现 ，锚杆支护的本质作用 以第 3种模式 为主。同时，借鉴 国内其他行业岩土锚固理论与实 践应用成果I 1 J 以及美 国煤矿锚杆支护理论与实践 经验【 J 发现，巷道开挖后立即支护，并施加足够 高的安装力，即锚杆、锚索预应力，提高锚固体的 刚度是非常重要的I “ 剐 。 从巷道支护过程看 ，传统的深部及复杂困难巷 道大多采用二次支护理论。但 目前很多巷道二次或 多次支护仍然不能有效控制围岩变形与破坏。怎样 第 2 9卷第 4期 康 红普 ，等．煤矿巷道锚杆支护应用实例分析 ． 6 5 1 ． 才能有效解决深部及复杂 困难巷道支护难题 能否 通过有效技术途径 ，实现一次支护，其技术关键是 什么为了回答这些问题，进行了大量的理论研究、 数值模拟及井下试验，提出了高预应力、强力支护 理论 J 。其核心是强调锚杆 、锚索预应力及其扩 散对支护效果的决定性作用I 1 ，采用高预应力、强 力锚杆组合支护，通过合理的支护设计，实现 一次 支护 。该支护理念 的提 出主要考虑 以下两方面 1 首先一次支护是矿井实现高效、安全生产 的要求 。随着采煤工作面推进速度与产量 的大幅度 提高，要求服务于回采工作面的顺槽应在使用期限 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。 再则，很多巷道与硐室掘出后就要安装设备 ，给二 次支护及后续的维修施工带来很大困难 ，而且存在 不安 全 因素 。 2 更重要的是一次支护是锚杆支护本身的作 用原理决定的。锚杆支护 的基本原理与设置在巷道 开挖表面的支护有本质的区别。由于煤岩体基本上 属于不连续体 ，也不能用研究连续体的方法分析锚 杆支护的作用 。要充分发挥锚杆的支护作用，必须 保证锚杆有足够的锚固力 ，而且锚杆的工作阻力能 够有效地扩散到围岩中。而 围岩离层、滑动、裂隙 张开及新裂纹的产生等不连续变形恰恰是影响锚固 力 ，阻隔锚杆工作阻力扩散 的主要 因素 。大量的井 下工程实践表明，巷道围岩一旦揭露立即进行锚杆支 护，并施加足够的预应力，能够控制围岩早期离层， 支护效果最佳；而在 已发生离层 、破坏的围岩中进 行锚杆、锚索支护，虽然有时支护体受力很大，但 支护效果不明显。 3 煤巷锚杆支护成套技术 煤巷锚杆支护成套技术是一个庞大的系统，包 括巷道围岩地质力学测试 、锚杆支护设计 、支护材 料 、施工机具与工艺、支护工程质量检测 、矿压监 测、特殊地质条件支护技术等诸 多方面 Ⅲ 。 3 ． 1 巷道围岩地质力学测试技术 巷道围岩地质力学测试主要包括地应力、煤岩 体强度与结构测量。 在地应力测量方面 ，煤矿井下主要采用应力解 除法与水压致裂法。应力解除法主要采用国内研制 的测量仪器，也有些矿区引进 了澳大利亚等国家的 仪器与技术，进行原岩应力与次生应力测量[ 2 l 1 。对 于水压致裂法，除从地面钻孔测量外【 ，煤炭科学 研究总院开采设计研究分院开发研制了专 门用于煤 矿井下的小孔径水压致裂地应力测量仪器【 2 3 J ，在全 国 2 0多个矿区进行了 3 0 0余个测站的测量工作，获 得大量宝贵的测量数据 2 引 。 在煤岩体强度测试方面，开发出钻孔触探法井 下煤岩体强度原位测定装置，在井下钻孔 中能够快 速、准确地测量煤岩体 的抗压强度f 2 。在煤岩体结 构观测方面，开发 出矿用电子钻孔窥视仪，可快速、 清晰地观测煤岩体 中的节理、层理、裂 隙等结构面 及离层 。全面、可靠的地质力学参数为巷道布置和 支护设计提供了必要的基础参数 。 3 ． 2 锚杆支护设计方法 目前，煤矿巷道锚杆支护设计普遍采用动态信 息设计法L 2 。设计不是一次完成的，而是一个动态 过程 充分利用每个过程中提供 的信息，实时进行 信息收集 、信息分析与信息反馈。 进行锚杆支护设计时，锚杆与锚索支护各构件 之间的相互匹配对 发挥各构件及支护系统的整体支 护效果具有十分重要 的作用。锚杆托板、螺母应与 杆体的强度匹配，锚固剂的力学性能应与杆体匹配， 组合 构件及金属 网的形式 与力学参数应与杆体匹 配 。锚索与托板、组合构件及金属 网之间的相互匹 配与锚杆类似 。高预应力、强力锚杆杆体应配套高 强度拱形托板 、高强度螺母及高效减摩垫片，组合 构件应配套强度与刚度 比较高、护表面积比较大 的 w 型钢 带，金属 网最好采用强度与刚度高 的钢筋 网。对于高预应力、强力锚索，应使用高强度 、拱 形大托板，实现锚索预应力与工作阻力的有效扩散。 否则，任何支护构件的破坏 ，都会影响支护效果， 甚至有可能导致整个支护系统的失效。此外，锚杆 与锚索的形式、参数与力学性能应相互匹配，使锚 杆与锚索共同发挥支护作用，避免各个击破 。 3 ． 3 锚杆支护材料 锚杆支护材料经历 了低强度 ，高强度 ，到高预 应力、强力支护的发展过程。 普通 Q2 3 5圆钢黏结式锚杆是我 国煤矿曾经广 泛使用 的锚杆型式。 目前，一些地质条件简单的矿 区仍在使用。为了适应复杂困难巷道条件，开发出 高强度螺纹钢锚杆支护系列材料 见表 1 。通过杆体 6 5 2 岩石力学与工程 学报 2 0 1 0笠 表 1 锚杆杆体物理力学性能 T a b l e 1 P h y s i c o m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f b o l t b a r s 结构与形状优化，有利于提高锚固效果；通过开发 锚杆专用钢材，达到高强度和超高强度级别 J 。 在预应力锚索支护方面 ，开发出煤矿专用的大 直径、高吨位锚索 。索体直径最大达 2 2 mm，拉断 载荷达 6 0 0 k NL 2 。 3 ． 4 锚杆支护施工质量检测与矿压监测 在锚杆施工质量检测方面，开发出系列锚杆拉 拔计，锚杆预紧力检测器具，及声波锚杆锚 固质量 检测仪。在巷道矿压监测方面，开发出各种测量表 面位移、顶板离层、深部位移的仪器 ，及测量锚 杆、锚索受力的系列仪器。近年来，还研制 出先进 的巷道矿压综合在线监测系统。井下采集数据，传 输至井上，可实时进行矿压监测与数据分析。 3 ． 5 锚固与注浆联合加固技术 在松散破碎的煤岩体中开掘巷道，单独采用锚 杆支护 ，锚固效果差，锚杆性能不能充分发挥。此 外 ，对于破坏巷道维修或翻修，单独采用锚杆支护 也很难取得较好 的支护效果。将锚固与注浆加固技 术有机结合 ，是解决破碎 围岩巷道支护的有效途 径 。 根据煤矿巷道的特点，开发出不同形式的注浆锚 杆p U J 。对于极破碎煤岩体，还引进和研制 出钻锚注 加固技术，解决了难成孔的破碎煤岩体加固难题【 3 1 ] 。 在小孔径树脂锚索基础上 ，研制出树脂与注浆联合 锚固锚索。通过控制注浆参数，达到注浆加 固的目 的p 3 3 1 o注浆材料除常用的水泥基材料外，还开发 出不 同类型的化学加固材料，如聚氨酯 、脲醛树脂 等【 j 引 ，以适应不同的围岩条件。 4 典型应用实例分析 煤巷锚杆支护技术已经广泛应用于煤矿井下各 类巷道。从大巷、集中巷，到回采巷道 ；从薄及中 厚煤层回采巷道，到综采放项煤工作面煤顶巷道和 全煤巷道；从近水平煤层、缓倾斜煤层巷道 ，到急 倾斜煤层巷道；从项板 比较稳定的巷道，到复合、 破碎顶板巷道；从实体煤巷道 ，到沿空掘巷和沿空 留巷；从小断面巷道到大断面开切眼与交岔点；从 浅部巷道，到深部高地应力巷道，涵盖了我国煤矿 的各种巷道类型。 4 ． 1 煤矿巷道类型与特点 煤矿巷道有很多类型 。按用途划分，有为开采 水平服务的大巷 、主要石 门、主要上下山，这类巷 道是矿井的主要通道 ，服务年限长；为采区服务的 巷道，如采区集 中巷、石 门、上下山等 ，这类巷道 是采区的主要通道，服务年限比较长；为回采工作 面服务 的巷道，包括顺槽、开切眼及回撤通道等， 这类巷道服务年限较短，受回采工作面动压影响显 著 ，而且多数巷道要求采前保持稳定，采后又能及 时垮落。此外还有联络巷、各类硐室及交岔点。 按照是否受到采动影响可将巷道划分为静压 巷道与动压巷道；按照巷道层位划分为岩石巷道、 半煤岩巷道、煤层巷道 ；按照护巷煤柱宽度可划分 为实体煤巷道、煤柱护巷、沿空掘巷 、沿空留巷 及采空区内留巷 ；按照巷道断面形状划分为矩形 类巷道、梯形类巷道、拱形类巷道及圆形类巷道 ； 按照巷道断面大小划分为 小断面巷道f 8 m2 、中 等断面巷道 8 ～1 2 m 、大断面巷道 1 2 --2 0 m 及特 大断面巷道r ≥2 0 1T I 。 。 煤矿沉积岩复合型煤岩体有以下特 点煤岩体 强度低；地质构造复杂，层理节理发育，极易离层 垮落 ；深部矿井地应力高，冲击地压突出。煤矿巷 道的使用特征表现为采准巷道 占煤矿总巷道进尺 的 8 0 ％以上 一般沿煤层顶板或底板掘进， 断面多是 矩形类断面，存在夹角与直角，巷道应力分布差。 主要原因是为了在煤层中掘进 ，提高掘进速度，避 免掘进时出现大量岩石 ，更重要的是有利于采煤工 作面的快速推进。相反，如果采用拱形断面 ，虽然 能够改善巷道受力状态，但巷道施工工艺复杂，成 巷速度低，有时还需要破坏顶板 ，出现矸石。对于 回采巷道，拱形断面给回采工作面端头支护造成很 大 困难，阻碍采煤工作面的正常推进。此外，采准 巷道一般都受到采煤工作面的动压影响；为了提高 煤炭资源回收率，采用小煤柱或无煤柱护巷。回采 巷道要求采前保持稳定，采后又能及时垮落。 特殊的地质与生产条件带来一系列复杂困难巷 道松软破碎围岩巷道、深部高地应力巷道、大断 第 2 9卷第 4期 康红普 ，等． 煤矿巷道锚杆 支护应用 实例分析 面巷道、受强烈动压影 响巷道及沿空巷道等。下面 介绍典型的应用实例 。 4 ． 2 千米深井高地应力岩石大巷支护技术 新汶矿区是我国煤矿典型的千米深井矿区，为 了解决高地应力巷道支护难题 ，在锚杆、锚索支护 技术方面进行 了大量的研究与试验[ q刚 。但是，当 巷道埋深超过千米 以后，以往采用的二次支护技术 不能有效控制巷道 围岩强烈变形。为此，开展 了高 预应力、强力支护技术研究l 们。 1 巷道 围岩地质与生产条件 华丰矿一1 1 0 0 m 水平西运输大巷是矿井永久 岩石大巷，服务年限2 0 a 。巷道埋深为 1 2 2 0 m。该 巷道穿层掘进，揭露岩性为煤 7 ～9之间的煤岩层，穿 过岩石大部分 为粉砂岩 、中砂岩 。煤岩层走 向为 3 0 0 。 ～3 1 0 。 ，煤岩层倾角为 3 0 。 ～3 3 。 。采用水压致 裂法进行 了原岩应力测量 。最大水平主应力为 4 2 ． 2 MP a ，方向为 N 3 。 E；最小水平主应力为 2 2 ． 8 MP a ， 垂直主应力为 3 0 ． 5 MP a 。所测区域地应力很高，而 且水平应力占明显优势。巷道断面呈直墙半圆拱形， 宽度 3 ． 7 m，墙高 2 ． 0 m。掘进断面积为 1 2 ． 8 m 。 2 锚喷支护设计 经过数值模拟分析，确定运输大巷支护形式为 高预应力、树脂加长锚 固强力锚杆支护 ，并喷射混 凝 土 。 锚杆杆体为 5 mm 左旋无纵筋锚杆专用螺纹 钢筋，长度 2 ． 4 m，极 限拉断力 4 0 0 k N，屈服力为 2 9 4 k N，延伸率 1 8 ％。预紧力设计为 8 0 k N。树脂 加长锚固。采用 w 型钢护板与钢筋网护顶、护帮。 顶板与两帮锚杆间排距均为 8 0 0 mm，每排 1 3 根锚 杆；底板锚杆每排 3根，间距 l 0 0 0 mm，排距 8 0 0 m m o 喷射混凝土巷道开挖后，立即喷射 3 0 mm厚 的混凝土 ，起到临时支护作用，同时将巷道局部超 挖部分填平。待锚杆施工完成后，滞后掘进工作面 5 0 m进行底板锚杆施工，并进行二次喷射混凝土施 工，喷厚 1 2 0 mm。巷道支护断面如图 1所示 。 3 井下监测数据分析 井下进行 了巷道表面位移 、顶板离层及锚杆受 力观测 。 在巷道开挖 1 1 d 、掘进 2 2 m 后，围岩变形达到 最大值 ，之后趋于稳定。在开挖阶段，顶板下沉量 为 1 7 mm，平均下沉速度为 1 ． 5 5 mm／ d ，最大下沉 速度为 5 ． 0 mm／ d ；两帮移近量为 2 0 mm，平均移近 图 l 深部岩石 大巷锚 喷支护 布置 Fi g ． 1 La y o u t o f b o l t i n g a n d s h o t c r e t e l i n i n g i n d e e p r o c k ma i n r o a d wa y 速度为 1 ． 8 2 mm ／ d ，最大移近速度为 8 mm ／ d 。 在 相对稳定 阶段 ，项底板 平均移近量 为 3 5 1 mm，平均移近速度为 1 ． 0 9 mm／ d ，最大移近速度为 3 ． 0 mr n ／ d ；顶板下沉量为 5 5 ． 6 mm，下沉速度为 0 ． 1 6 mm／ d ，最大下沉速度为 1 ． 0 mm／ d ；两帮平均移近量 为 1 1 2 mm，移近速度为 0 ． 3 2 mm ／ d ，最大下沉速度 为 1 ． 0 mr n ／ d ；底臌量为 2 9 5 ． 4 mm，底臌速度为 0 ． 9 1 mm／ d 。顶底移近量 中主要 以底臌为主。 顶板浅部离层量为 3 3 mm，深部离层量为 9 mm，总离层量 为 4 2 1 T i m。浅部离层 占总离层量的 7 8 ％，巷道围岩主要在浅部f 2 m 范 围内 产生了离 层。在掘进期间，帮锚杆受力为 1 0 5 ～1 2 5 l ，顶 板锚杆受力为 1 0 0 k N左右。巷道在掘进与稳定期间 位移量不大 ，而且趋于稳定。高预应力、强力锚杆 支护有效控制了深部高应力岩石大巷变形与破坏， 满足 了巷道支护的要求。 为了对不同支护参数的支护效果进行 比较 ，将 锚杆直径变为 2 2 fi l m，其他参数不变 ，在井下进行 了试验。监测数据表明顶板离层增加 了 3 3 ％，顶 底板与两帮移近量明显增大，而且掘进影响结束后 一 直不能稳定 。由此可见，直径 2 2 mm 的锚杆不能 有效控制 围岩变形。通过井下监测、数据分析与反 馈 ，不仅 了解 了支护参数对支护效果的影响，还验 证 了本文提供 的支护设计的合理性。这个过程充分 显示 了动态信息设计法 的优越性。在以下的应用实 例 中，都采用 了这种设计方法。 岩石力 学与工程学报 2 0 1 0 焦 4 ．3 软岩巷道支护技术 平庄矿区红庙煤矿是我国典型的软岩矿井 。煤 层及顶底板岩层胶结差，表现出煤岩体强度低、松 散破碎、易风化、易崩解、遇水膨胀等特性，致使 矿井采准巷道支护困难，大部分巷道在服务期内不 得不多次翻修，严重影响回采工作的正常推进，不 仅支护费用高，而且带来很大的安全威胁。红庙煤 矿为解决软岩巷道支护难题 ，进行 了许多有益的探 索工作， 试验了多种支护形式， 虽然取得一定效果， 但没有彻底解决这一问题 。为此，平庄煤业集 团公 司、红庙煤矿与煤炭科学研究总院开采设计研究分 院合作在五区 5 2 一片顺槽进行 了研究和试验 ， 以解决松软破碎 围岩巷道支护难题 。 1 1试验巷道地质与生产条件 红庙煤矿五区 5 2 一片工作面开采 5 2 煤 层 ，该煤层上覆 51 煤层己回采 。两煤层间距很 小，本工作面范围内 5～ 2 煤层顶板距 5 1 煤层底 板最近仅 6 m，最大也只有 9 m左右。5 2 煤层平均 厚度为 5 ． 9 9 m，含数层夹矸。煤层倾角为 1 5 。 ～1 6 。 。 煤层单轴抗压强度仅为 4 ． 8 MP a ，层理、节理发育。 顶板砂质泥岩强度为 1 5 2 5 MP a ；直接底也为砂质 泥岩，单轴抗压强度为 2 3 ． 5 MP a ，具有膨胀性。 在 1 8 0石 门采用水压致裂法进行过地应力测 量。最大水平主应力为 l 4 ． 6 2 MP a ，方 向为 N7 2 。 E ， 最小水平主应力为 7 ． 3 5 MP a ，垂直主应力为 9 ． 6 8 M P a。 在五区 5 2 一片工作面运输巷与回风巷都进 行了试验，以回风巷为例进行介绍 。回风巷掘进断 面呈直墙半圆拱形，宽 3 ． 8 m，墙高 1 ． 2 m，掘进断 面积为 1 0 ． 2 m 。巷道埋深 3 5 0 4 0 0 m。 2 巷道支护设计 采用数值模拟进行多方案比较 ，结合已有 的经 验确定巷道采用树脂全长预应力锚固组合支护。 锚杆为直径 2／ T ／ ／ ／ ／左旋无纵筋螺纹钢，长度 2 ． 4 m，树脂全长锚固，端部采用快速固化锚固剂 ， 后部采用慢速固化锚固剂。采用 w 型钢护板与钢筋 网 顶板 、菱形金属网 帮 护表 。锚杆全部垂直巷道 表面打设。 锚杆排距 9 0 0 m m， 顶板每排 7 根，间距 8 5 0 mm；每排每帮 2根锚杆，间距 6 0 0 mi l l 。锚杆 预紧力矩为 4 0 0 N． m。 0 2 2 m i l l 锚索，l x 1 9的钢绞线，长度为 4 ． 3 m， 树脂端部锚固。每 1 ． 8 m打 3根锚索 ，锚索间距为 1 ． 2 8 m。锚索预紧力为 2 0 0 2 5 0 k N。 软岩回采巷道锚杆支护布置如图 2所示。 0一 图 2 软岩回采 巷道锚杆支护布置图 F i g ． 2 La y o u t o f r o c k b o l t i n g f o r s o ft r o c k e n t r y f 3 井下监测数据分析 在掘进期间，软岩回采巷道表面位移曲线如图 3 所示。表面位移在距掘进工作面 5 3 m 以后趋于稳 定。两帮移近量为 7 9 mm，其中上帮移近量为 4 6 mm，下帮移近量为 3 3 mm。顶底移近量为 2 8 1 mi l l ， 其中顶板下沉量为 4 3 mm，底臌量 2 3 8 mm，底臌 量占巷道项底移近量的 8 4 ． 7 ％。底臌量大的原因主 要是底板没有进行支护 。顶板浅部离层为 1 4 mm， 深部离层为 2 3 mm，总离层值为 3 7 mm。 g 墨 疽 距掘进工作面距离， m 图 3 软岩回采巷道表面位移 曲线 F i g - 3 Di s p l a c e me n t c u r v e s o f s o ft r o c k e n t r y 锚杆在安装并施加预应力后的一段时间内，受 力均有变小的趋势。随着巷道掘进工作面推进，在 距工作面 1 9 m 以后， 锚杆受力逐渐增大， 在距工作 面 】 】 9 m后受力逐步稳定。在锚杆安装直至受力稳 定的过程 中，全长预应力锚固锚杆受力变化幅度较 小，部分锚杆受力变化幅度在 8 ～9 k N，多数锚杆 受力变化幅度在 5 k N 以内。 锚索安装并张拉后，受力变化也不大。在距掘 第 2 9 卷第 4期 康红普，等．煤矿巷道锚杆支护应用实例分析 6 5 5 进工作面 2 1 m 以后，锚索受力基本保持稳定。 整个掘进期问巷道变形量 小，围岩保持 了较好 的完整性 ，锚杆与锚索受力变化不大。软岩回采巷 道井下支护状况如 图 4所示。 图 4 软岩 回采巷道井 下支护状况 Fi g． 4 Ro c k bo l t i n g s t a t e of e x t r a c t i o n e n t r y i n s o f t r oc k 在采煤工作面回采期间，对巷道表面位移测站 进行 了重新设定，对锚索受力进行了详细观测。巷 道在距采煤工作面 4 0 5 0 m 范围内开始受到明显 的采动影响， 位移量明显增加， 特别是 3 0 m 以后影 响强烈。在距采煤工作面 3 m 的位置 ，两帮移近量 达到 2 5 6 mm；顶板下沉量达到 1 1 0 mm。锚索在距 回采工作面 1 0 0 1 1 1 处开始缓慢 增长 ，在距工 作面 5 6 m增长速度 明显增加，并逐步达到最大值 。到与 采煤工作面平行位置，锚索受力均达到 2 0 0 k N 以 上 。 总体来看 ，巷道围岩完整 、稳定，总变形量不 大，完全能够满足安全生产 的需要 。 4 ． 4 强烈动压影响巷道支护技术 潞安漳村矿 由于生产需要 ，出现一种掘进与采 煤工作面对穿的强烈动压影响巷道 。目前一般 的巷 道支护方式无法满足这种对 穿巷道支护的要求 。为 此，开展 了对穿巷道全断面高预应力强力锚索支护 试 验 l 2 8 l 。 f 1 试验巷道地质与生产条件 试验巷道为 2 2 0 3工作面瓦排巷，与正在回采的 2 2 0 2工作面之间的距离为 2 3 m，而且中间还要掘进 一 条回风巷 。瓦排巷埋深 3 2 5 3 9 6 m。煤层单轴抗 压强度为 8 MP a ，直接顶为厚度 3 ． 6 2 m 的泥岩。邻 近的 2 2 0 2工作面正在回采，2 2 0 3