高强度锚杆支护技术的发展与应用.pdf

第2 8 卷 第2 期 煤 炭 科 学 技 术 2 0 0 O 年2 月 文章 编 号 0 2 5 32 3 3 6 2 o o o 0 20 0 0 1 0 4 ≯ ． 高强 度 锚 杆支 护 技 术 的发展 与应 用 弓 ． 舀 康 塾 一 一 煤炭科学研究总 院 北京开果研究所，北京1 0 0 0 1 3 摘要 夼绍了国内外高强度锚杆支护技术概况；分析 了高强度锚杆杆体 的力学性能和参数，并进 行 了分类；论述 了高强度锚杆支护系统中的其它构件，包括树脂锚固剂、组合构件和锚 索。最后舟 绍 了两个 应用实倒 。 关 键 词 童 墨 鏖 堂 盘 ； 堂 ； 兰 壅 文献标识 码 A 巷道 支 护是 煤 炭 开 采 中 的一项 关 键 技术 ，合 理 、安全 、可靠的巷道支护技术是实现矿井高产高 效 的必备 条件 。 回采巷道锚 杆支护技术近年来发展 极 为迅速 ，而且高强度 、高刚度和高可靠性成为一 种发展趋 势。这种 支护 系统在提 高 巷道 支护效果 ， 保证 巷道 安全 ．减轻工人劳动强度 ，简化采煤 工作 面端 头区维护工艺等方面具有 明显 的优越性 ，十分 有利 于采煤工作面的快速推进 ，实现矿井 的高产高 效 。 目前 ，高强度锚杆支护技术 已在 国内外得到普 遍应 用 ．取得 了 巨大的技术经济效益和社会效益 。 1 国内外概 况 1 ． 1国外概况 在国外 ，澳大利亚是应用高 强度锚杆 支护 比较 早 、技 术水平 比较高的国家。 目前 ，锚杆 支护成 为 煤矿巷道的主要支护方式 ．而且 如果 一个 矿区煤层 顶板不适合采用锚杆支护 ，那 么便认 为开采这 样的 煤层在经济上是不合理的 。英 国曾是 欧洲 主要 产煤 国 中采用传统型钢支架支护的典 型代 表。然而 ，到 8 O年代 中期 ，由于国 际市 场的 激 烈竞 争 ，英 国煤 炭工业面临严重的危机。在这种 情况 下 ，英 国果断 地 把采用锚 杆支护取代传统的型 钢支护作 为提 高其 煤炭工 业竞争 力的 三太策 略之一 ，于 1 9 8 7年从 澳 大利亚 引进 了先 进 的锚 杆 支 护技 术 。到 1 9 9 0年 ． 英 国煤巷锚 杆支护所 占比例 便从 8 O年代 中期 几乎 为 0增长到 5 0 ％，1 9 9 4年达到 8 O ％ ，1 9 9 7年达到 9 0 ％。英 国煤矿通过采用这项技术取得 了显著的效 益 ，一些濒 临倒 闭的矿井也 因此获得 了新生 。 1 ． 2 国 内概况 我 国煤巷锚 杆支护技术研究与应用 主要 经历 了 三个阶 段 1 9 8 0 ～1 9 9 0年 为第 一 阶段 ，主要 进 行 一 些基础性 的研究和试验 ．煤巷锚 杆支护应用主要 集 中在少数几个矿 区。1 9 9 1 ～1 9 9 5年 为第 二 阶段 ， 国家把煤巷锚 杆 支护技术作为 “ 八 五”期 间重点项 目进行攻关 ，无论是课题的数量 、研究 内容 的深度 和广度 ，还是现场试验推广 的面积 ，都 明显大 于第 一 阶段 。但是 ，人们真正认识 和应用高 强度锚杆还 是在第三 阶段 1 9 9 6年至今 ，在原 煤炭部 的组织 下 ，我 国引进 了澳大 利亚锚杆 支护技术 ，在邢 台矿 务 局进行 了技术 演示 ，显 著推进 了我国煤 巷高强 度 锚 杆支护技术 的发展 和提 高。近两年来 ，煤 炭科 学 研究总 院北 京开采所 等单 位在 引进、吸收 、消化 国 外 先进技术 的基 础上 ，结 合我国煤 矿具体情 况 ，又 做 了大量 工作 ，使锚 杆支护技术得到很大的完善和 提高 ，基 本形成 了适 合我国煤矿条件的煤巷锚 杆支 护成套技术。在现场应用中 ，成功地解决 了放顶煤 1 维普资讯 第2 8 卷 第2 期 煤 炭 科 学 技 术 2 0 0 0 年2 月 开采沿煤层底板 掘进 的煤 顶巷道 、冲击地压 巷道 、 复合和破碎顶板巷道等支护难题 ，显 著扩 大了锚杆 支 护的使 用范围 。 2 高强度锚杆支护 煤巷锚 杆支 护技 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 ，锚杆支护材 料 ，锚杆施工机具和工 艺及锚杆支护监耐技 术等方 面 。下面 主要论述高强度锚 杆支 护材料 ，它包 括杆 体 、树脂药卷 、钢带 、锚索等 。 2 ． 1 高强度锚杆杆体 锚杆杆体的强度与杆体材质 、直径和杆尾加工 工艺有关 。我国传统 的锚 杆大多 由普通 圆钢制 成 ， 屈服强度 为 2 4 0 MP a ，拉 断强度为 3 8 0 MP a 。杆体 直径 一 般 为 1 4～ 1 8 mm，锚 杆 的破 断 力 小 于 1 0 0 k N。而 国外锚 杆 的强度 较 高 ，杆体 的屈服 强 度 为 4 0 0 ～6 0 0 MP a ，拉 断强度 达 6 0 0 ～9 0 0 MP 丑 ，杆体 直径 为 2 O～ 2 4 mi t t 。如 澳 大 利 亚 生 产 的直 径 2 2 mm 的高 强度 锚 杆 ，其屈 服载 荷 为 1 4 5 k N，拉 断 载荷为 2 3 0 k N，而 同样 直径 的超 高强 度锚 杆 ，屈 服载荷达 2 2 0 k N，拉断载荷高达 3 1 0 k N。 我国经过 近几 年的研究 和试验 ，逐步认识到高 强度高刚度 锚杆支 护材料的重要性 。它 良好 的价格 性能 比使 锚杆支 护的优越 性得 到充 分发挥 ，并保证 了巷道支护 的可靠性 。目前 已经能够轧制无纵筋左 旋 螺纹钢锚 杆 ，并采 用优质钢材或经热处理 ，达到 高强度和超高 强度 级别 。如直径 2 2 mm 的超高 强 度杆体极 限载荷 高达 3 4 2 k N，是等 直 径普 通 圆钢 锚杆 强度 的 2 ． 5倍 左右 。 根据锚杆杆体破断载荷 Pb 将锚杆划分为 以下 四类 Pb 1 0 0 k N，低强度锚杆 ； 1 0 0 Ph 2 0 0 k N，中等强度 锚杆 ； 2 0 0 ≤ Ph 3 0 0 k N，高 强度 锚杆 ； Ph ≥3 0 0 k N，超高强度锚杆。 2 ． 2 树脂锚固剂 树脂锚 固剂为高分子材料 。由于其牯结力强度 大、固化时间快、安全可靠性高 ，已广泛应用于煤 巷锚杆支护。只有高强度 、高变形模量和高粘结力 的树脂锚固剂进行加长或全长锚固 ，才能保证锚杆 支护系统的高刚度。 我国在树脂锚固剂配方改进和生产技术方面做 了大量工作 ，现已形成系列产品 ，主要性能指标均 2 达到国外先进 国家 的要求 。在 生产技 术方面 ，开发 出小 型 树脂 锚 固剂 厂成 套 技 术。它 投 资 少、见 效 快 、年生产 能力达 2 0--3 0万支锚 固荆 ，满 足 了现 场 的需 要。锚固剂主要力学特性为 2 4 b抗压 强度 讧 剪切强度 ／ M 弹 性模量 ／ M 抗 拉强度 ／ M 容 重 ／ g a n。 收缩 卓 ／ ％ 2 3 组合构件 7O 3 0 1 6 l o 4 1 1 5 1． 8～ 2． 2 0． 6 组合构件是高 强度 锚杆 支护 中的重要部件 。它 可将单根锚杆联结起来组成 一个 整体承载结构 ，显 著提高锚 杆支 护的整体效 果。 目前锚 杆组 合构件 主 要有三种形式 ，w 钢带、平钢带和钢筋托梁。 钢带一般 由薄钢板制成 ，钢带 上有钻孔 ，钻孔 形状 为圆形或 椭 圆形 。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 ，可使型钢强度 提高 1 O ％～1 5 ％。冷弯成型 出材 率高 9 8 ％ ，与 冲压及热轧型钢相 比，可节约钢 材 1 O ％～3 O％。 钢筋托梁采用钢筋焊接而成 ，成本 比较 低 ，在 一 定条件下 也可取得 较好的支护效果 。 2 ． 4 锚索 锚索具有锚 固深度 大、承载能力高 、可施 加较 大 的预 紧力等特点 ，因而可获得 比较理想的支护加 固效果 ，是 目前最 可靠 、最有效的一种手段 。其加 固范围 、支护强度 、可靠性是 普通锚杆支护所无法 比拟的 。 锚索有多种形式。按钢绞线的根数分 ，有单根 锚索 和锚 索束 ；按锚 固材料分 ，有树脂 锚 固锚 索 、 水泥锚固锚索及树脂水 泥联 合锚 固锚索 ；按锚固长 度 分 ，有端部锚 固锚索 和全 长锚固锚索 ；按预紧力 分 ，有预应 力锚索和非预应 力锚索 。 1 树脂端部锚固锚索 。这种锚索是针对煤巷 特点开发 的新型小孔径树脂锚 固预应 力锚 索 。其最 大特 点是采 用树脂药卷锚 固，通过锚 索搅 拌器可 以 像安 装普 通树脂锚杆对锚索进行 端部 锚固 ，其安装 孔径仅 为 。 2 8I T t r 1 ，用普 通单 体锚杆 机 即可完成 打 孔 、安装 。与 注浆 锚索 相 比，有 以下 特 点 ① 直 接用锚索搅 拌树脂药卷 ，安装 工序大为简化 ，加之 采用小孔 径 ，因而施 工速 度大 幅度提 高。② 无需 深孔钻机 、搅拌机 、注浆泵 等设 备 ，不仅设备投 资 很少 ，而且 也显著降低 了工人搬移 设备时的劳动强 维普资讯 第2 8 卷 第2 期 煤 炭 科 学 技 术 2 帅 0 年2 月 度 。③ 省去 了注浆管 、排 气管 、封孔 材料等 消耗 ， 消除了锚 固剂材 料浪 费问题 ，同时 ，由于采用新型 机具 。张拉 预 紧所 需 锚 索外 露 段 长度 比 以往 减少 5 0 ％以上 ，因而 经济上 更 为 合理。④ 树脂锚 固剂 固化速度快 由水 泥浆锚 固 时的 3 ～7 d降低 到仅 1 0 mi n ，因而锚索能及时 、主动承载 。 小孔径锚 索主要 用在 破碎 、复合顶板煤巷 ；放 顶煤开 采沿煤层底板 掘进 的煤 顶巷道 ；软弱和高地 应 力巷 道 ；以及 大跨度开 切眼和巷道交岔点 。其主 要技术参数 为 钻孔 直径 口 ／ n 蚰 2 8 锚索直径 ／ n 蚰 1 5 ． 2 4 最大 锚同 力／ k N 2 6 0 璜譬 力／ k _N 1 2 0--2 3 0 锚固 长度 ／ I r g n 8 呻 ～1 5 0 0 虽然树脂端部锚 固锚索具有 上述 特点 ，但 与注 浆锚索相 比 ，还有 以下缺点 树 脂端 部锚 固锚 索为 单根钢绞线 ，破 断载荷 比较低 ；锚索为树 脂端部锚 固．锚索的加固效果和可靠性 比注浆锚索差；锚索 长度不能太大 ，否则 ，锚索安装 比较 困难 。 2 注浆锚 固锚 索。这种 锚索一般适 合于煤矿 井下大断面硐室和巷道的补强和加 固。采 用多 根钢 绞线 ，全长锚固 ，锚索钻孔和吨位 比树脂端部锚 固 锚索大 。因采用注水泥浆锚固 ，需要一定的 固化 时 间 ，所以承载速度不像树脂端部锚固锚索那样快。 这种锚索的技术参数和施工工艺不太适合 回采巷道 的要求 。 3 树脂注浆联合锚 固锚 索。这种锚索兼有 树 脂端部锚固锚索和注浆锚固锚索的优点。单根钢绞 线 ，先用锚索搅拌树脂 锚固剂 ，进行端部 锚固 ；树 脂端 部锚 固后 ，可施加较 大的预紧力 ，使锚索 及时 承载 ；树脂端 部锚 固后 实施 水泥注浆 ，进 行全 长锚 固 ，施工采用单体 锚索 钻机 ，不需要 笨重 的地 质钻 机 ，施工速度很快 。 3 高强度锚杆支护技术的应用 高强度锚杆支 护技术 已经广泛应用于 我国各大 矿区，如 邢 台、兖 州 、潞 安 、西 山 、新 汶 、铁 法 等 ，取得 了巨大 的技术经济效益和社会效益 。下面 简单介绍两个例子 。 3 ． 1 潞 安常村煤 矿大 断面煤巷锚杆 支护技术 潞安矿务局常村煤矿 S 32胶带运输大巷为煤 层巷道 ，该巷 道断面大 ，宽 5 m，高 3 ． 1 m。 由于 两帮煤层松软破碎 ，巷道又处于 向斜构造带 ，加之 巷道一 侧 为 9 m 的 小煤 柱 ，致 使 巷 道 支 护 极 为 困 难 ，传统 的棚式支护无法控 制巷 道的强烈变形和破 坏 。为解 决 上 述 支 护难 题 ，采 用 了高 强 度锚 杆支 护 ，并进行锚 索补强。支护 参数 顶板锚 杆 为 。 2 2 n 一 ，长 2 ． 41 3 3 ． 的 高 强度 螺 纹钢 锚 杆 ，加 长锚 固。 帮锚杆为 0 2 2 n l m，长 2 m 的 高强 度 螺纹 钢锚 杆 ， 加长锚 固。锚 杆问排距 为 8 0 0 r m 8 0 0 r m 。采用 钢筋托粱 和金 属网护顶板和两帮 。锚 索为单根钢绞 线的树脂锚 固注浆锚 索，长度 6 m，每排 两 根，问 距 2 m，排距 2 ． 4m。巷道支护布置 如图 l 。 图1 巷道支护布置 潞安常村 采用上述支护方式后 ，巷道 围岩 变形 得到有效 控 制 ，顶板 下 沉量 仅 为 2 5 r m ，两 帮移 近 量 也 只 有 6 7 m 。安全状况得到可靠保证。 3 ． 2 西山屯兰煤矿复合顶板煤巷锚杆支护技术 西 山屯兰矿 1 2 2 0 2工作面轨道巷 ，为难 支护的 复合顶板 。采用 树脂加 长锚 固锚杆组 合 支护 系统 ， 并进行锚索 补强，有效地 控制 了巷道 围岩变形 。巷 道经受住 了工作 面采 动影 响。锚 固区 内外顶板役有 发生较大 的离 层 现象 。顶板 下沉 量 小 于 1 5 0 m， 两帮移近量也只有 2 1 0 r m 。 4结 论 1 高强度、高剐度和高可靠性是锚杆支护的 一 种发 展趋 势。它在提高巷道 支护 效果 ，保 证巷道 安 全 ，加快 采煤 工作面的快速 推进等 方面具有 重要 作 用 ，是 实现矿 井高产高教 的必备 条件 。 2 按锚 杆 杆 体 破 断 强 度 ，可将 锚 杆 分 为 四 类 ，低 强度 、中等 强度 、高强度和 超高强度 。高强 度锚杆的拉 断载 荷应 不低于 2 0 O k N。 3 树脂锚固剂应具有 高强度 、高变形模 量和 高粘结力 ，而且进行 加长或全 长锚 固 ，才能保证 锚 3 维普资讯 第2 8 卷 第2 期 煤 炭 科 学 技 术 2 0 C 0 年2 月 文章编号 0 2 5 32 3 3 6 2 0 0 o 0 2一O 0 0 4 0 3 ／ 6 7 t ／ 渤 锎 闽 戮 隙 幽 规 静 溺 漪 治 ／ 缝 旦 旦 一 金 泽 平 ， 余 兆 星 贵州盘江煤电 集团有限责任公司 土城矿，贵州 盘县5 6 1 6 2 1 摘要根据对土城矿首采层初采期涌水的观测结果 ， 层初采期 间涌水量进行 预测 ，并提 出相应 的防范措施 。 关键词 首采 层 ； 文献标识码 A 土 城 矿 经 改 扩 建 万 t ／ a ， 共有 3个生产采 区 ，开 采煤 层群 ，可采煤 层 分别为 l 、3 、5 、6 、9 g、1 2 、1 3 、1 5 、 1 6 、1 7 、l 8 等。在 2 1采 区首采层为 1 煤 ，在 l 4及 l 5采区首采层则 为 3 煤 。据 自 1 9 8 4年矿井 投 产以来的水文资料统计 ，首采层在初采期 间均发 生 涌水 剧增的现象 ，而下伏其他煤层在初采期 间却 未发现涌水剧增的现象 。土城矿井 田范围 内仅锅 厂 河、敖家小溪 2条季节性河流 ，根据地质 资料 ，飞 仙关组全 段为 1 2 0 r n，龙潭组为 2 8 0 ～3 2 0 m，所有 煤层 的直 接顶 与老顶均为粉砂岩或细砂岩 ，局部 为 中砂 岩 ，且含有植 物叶片化石 。其 地层 柱状见 图 1 总结出裂踩水涌出的特征及规律，并对首采 所示 。 7 L 地层系境 柱状 厚度 ／ m 界 拳 组 段 最 覃 累计 岩性 飞 2 0 袭馨色细砂岩 仙 下 _ 5 5 2 5 ． 5 灰白色箝砂岩 魄 一 美 段 一 组 0 ．1 2 5 6 耗蜃糟砂岩 古 2 4 2 8 0 l 煤 层 选 ■_ 生 龙 0 ． 6 2 8 6 蕨色 糟 砂泥 岩石 上 绿灰 色 中砂 岩 界 矗 疆 1 8 6 4 7 2 段 2 2 4 9 4 3 煤屉 组 5 4 5 4 8 灰色 荷砂岩 圈 1 杆支 护系统 的高刚度 。 4 小孔径锚索在破碎、复合顶板巷道，放顶 煤开采沿煤 层底 板掘进的煤顶巷道 ，软弱和高地应 力巷道 ，以及大 跨度 开切眼和巷道交岔点等困难条 件 ，具 有 良好的补强加固作用 ，显著扩大 了锚杆支 护使用范 围。 5 高强度锚杆 支护技术 的应用 范围将越 来越 广 ，使用量将越来越大 ，给煤炭行业带来的技术经 济效益将越来越显 著。 参考 文献 [ 1 ] W． J ．O v e r v ie w 0 f S t r a t a c ∞t r 0 I I s s u e s A ／ t a c t g R 。 a d ． w a yR e k ff o r c e me 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