煤巷锚杆-锚索支护互补原理及其设计方法.pdf
第 3 4 卷 第 4期 2 0 0 5年 7月 中国矿业大学学 报 J o u r n a l o f Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g Te c hn o l o g y V0 1 . 3 4 NO . 4 J u 1 .2 0 0 5 文 章 编号 1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 0 4 0 4 9 0 0 4 煤巷锚杆一 锚索支护互补原理及其设计方法 赵庆彪h 。 ,侯朝炯。 ,马念杰 1 .中国矿 业 大学 资 源与 安全 工 程学 院 , 北 京 1 0 0 0 8 6 ; 2 .河 北金 牛 能源 股份 有 限公 司 , 河 北 邢 台0 5 4 0 2 1 ; 3 .中国矿业大学 能源与安全工程学院,江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘 要 针 对锚 索延伸 率 小、 不 能适应巷 道 大变形 、 与锚 杆 支护力 学性 能不 匹配的缺 点 , 采 用理论 分析 、 数值计 算和 工程 实践 的 方法 , 研 究 了锚 杆一 锚 索 支护作 用互补 原理及 深 井软 弱破碎 围岩煤 巷 预应 力锚 索工程特性 ; 提 出了两个重要指标 锚 索的承载 能力和延伸 量. 分析 了锚杆一 锚 索支护 失败的原 因, 给 出了结合计 算机数值模拟 和巷道稳 定性监 测的锚杆一 锚 索支护设计 方法 .提 出了 增加锚 索延伸量的技 术方法 , 包括 合理确定锚 索位置 , 滞后安装锚 索和安装木 垫板 . 研 究成果在 邢 东煤 矿 应 用 中取 得 了 良好 的技 术 经 济 效果 . 关键词 锚杆一 锚 索 ;工程 特性 指标 ;互补原理 ;支护设计 中图分 类号 TD 8 2 文献标 识码 A Su p p l e me n t a r y Pr i n c i p l e a n d De s i g n M e t h o d o f Bo l t a n d Ca b l e An c h o r S u p p o r t i n g Te c h n i q u e Z HAO Qi n g b i a o ~。HOU Ch a o j o n g 。 。MA Ni a n j i e 1 .S c h o o l o f Re s o u r c e s a n d S a f e t y En g i n e e r i n g,Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g & Te c h n o l o g y, Be i j i n g 1 0 0 0 8 6,Ch i n a;2 .J i nn i u He b e i En e r g y Lt d .,He b e i , Xi n g t a i 0 5 4 0 2 1 ,Ch i n a; 3 .S c ho o l o f M i n e r a l a n d S a f e t y En g i n e e r i n g, Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g& Te c h n o l o g y,Xu z h o u ,J i a n g s u 2 2 1 0 0 8,Ch i n a Ab s t r a c t W i t h b o l t a n d c a b l e a n c h o r s u p p o r t i n g t e c h n i q u e t h e r e a r e s o me s h o r t c o mi n g s ,s u c h a s , s ma l l e l o n g a t i o n,t o b e i n a d e q u a t e t o me e t l a r g e d i s t o r t i o n o f t h e r o a d wa y a n d u n s u i t a b l e f o r t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e b o l t s u p p o r t i n g . Th e r e f o r e ,a c o mp l e me n t a r y p r i n c i p l e o f b o l t a n d c a b l e a n c h o r s u p p o r t i n g wa s s t u d i e d u n d e r t h e c o n d i t i o n s o f 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 i n d e e p mi n e b y me a n s o f t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ,n u me r i c a l c a l c u l a t i o n a n d e n g i n e e r i n g p r a c t i c e . Two i mp o r t a n t e n g i n e e r i n g c h a r a c t e r i n d e x e s o f c o a l r o a d wa y p r e s t r e s s e d wi t h c a b l e a n c h o r we r e p u t f o r wa r d .Th e c h a r a c t e r i n d e x e s a r e l o a d c a r r y i n g a b i l i t y a n d e l o n g a t i o n o f t h e b o l t a n d c a b l e a n c h o r s u p p o r t i ng .Th e f a i l u r e r e a s o n s o f b o l t a n d c a b l e a n c h o r s u p p o r t i n g we r e a n a l y z e d a n d a t e c h n i c a l p r o c e s s t o i mp r o v e e l o n g a t i o n p r o p e r t y o f t h e c a b l e a n c h o r wa s d e v e l o p e d .Al s o a d e s i g n me t h o d o f b o l t a n d c a b l e a n c h o r s u p p o r t i n g wa s p r o p o s e d c o mb i n e d wi t h t h e n u me r i c a l c a l c u l a t i o n a n d r o a d wa y s t a b i l i t y mo n i t o r i n g.Th i s t e c hn i q u e h a s b e e n s u c c e s s f u l l y a p p l i e d i n Xi n g d o n g C o l l i e r y wi t h g o o d t e c h n i c a l a n d e c o n o mi c e f f e c t s . ’ Ke y wo r d s b o l t a n d c a b l e a n c h o r s u p p o r t i n g; e n g i n e e r i n g c h a r a c t e r i n d e x; s u p p l e me n t a r y p r i n c i p l e;s u p p o r t i n g d e s i g n 收稿 日期 2 0 0 50 10 6 基 金项 目 国家 自然 科学 基金 重大项 目 5 0 4 9 0 2 7 3 作 者简 介 赵 庆彪 1 9 5 6 一 , 男 , 辽 宁省 海城 市人 , 教授 级高 工 , 从事煤 矿 开采方 面 的研究 E ma i l q i n g b i a o l 6 8 2 6 3 . n e t 维普资讯 第 4期 赵庆彪等煤巷锚杆一 锚索支护互补原理及其设计方法 由于深井煤 巷围岩软弱破 碎 , 当采用锚杆 与锚 索联合 支护 时 , 由于对其 作用 机理 认识 不足 , 支 护 设计 缺乏 可靠 依据 , 使锚 杆一 锚 索 支护 的可 靠性 得 不到保 证 , 例如 , 邢 台矿 区一 些巷 道就 因此 而发 生 过锚索被拉 断造成 冒顶 事故_ 】 ] . 为保证 矿井巷 道顶 板安 全 , 有必 要进 行锚 杆一 锚 索 互补 原理 及 其设 计 方法 的研究 . 1 煤 巷 小 孔径 预 应 力 锚 索 的 工程 特 性 由图 1曲线 1 _ 2 ] 可见 , 巷道 支护 体载荷 与 围岩 变形 量近似 呈 双 曲线 关 系 , 即在巷 道 变形初 期 , 阻 止巷道变形 、 支护体 载荷将急剧增 大 。 因此 , 巷 道支 护体必 须 同时具 备较 大 的承载 能力 和一定 的可缩 量 , 以满足巷道 围岩一 支 护的特性. 对 于煤巷 预应力 锚索支护 , 上述两个 重要指标是锚 索 的承载 能力及 延伸量. 当前普遍应 用悬 吊理论进 行锚索支 护设计 或检 验 。 ] , 而 且一 般仅 考 虑锚 索 承载 能力 这一 指 标 , 忽视 了锚索 延伸 量指 标. 如果 锚索 的延 伸量 不 能适应巷道 围岩变形 , 锚索将被 拉断. 蛊 瑚 岩 变 形 量 图 1 围岩一 支 护相 互 作用 原 理图 Fi g . 1 Th e s c he ma t i c d i a gr a m o f s ur r o u n d i n g r o c k s u p p o r t i n g m u t u a l a c t i o n 1 .围岩 特性 曲线 ;2 .锚杆 、 锚 索联 合支 护特性 曲线 即 AB GE F ; 3 .锚 岩 支护 体 特性 蓝线 即 ABHCD 文献 E 4 3 要求 预应筋钢绞线 与锚具组装件 的静 载锚 固性 能应 同时满足下 列两项要求 ’ 7 ≥ O . 9 5,E a p u ≥ 2 . 0 , 式 中 为钢 绞线一 锚 具 组装 件 静载 试验 的锚 固效 率 系数 即钢绞线一 锚具 组装 件 静载 试验 的实 际平 均极 限拉力 与钢 绞线 的实 际平 均极 限拉力 之 比 ; c 口 为受力长 度钢绞线 的总应 变. 以上两 条件可写成 F ≥ 0 . 9 5 7 ] p Fp m一2 2 1 k N, 1 e ≥ 2 . 0 7/ 一 1 . 8 , 2 式 中 F 为 锚索 的实 际平 均 极 限 拉 力 , k N; F 为 按 钢绞线 实测破 断 荷载平 均值 计算 的实 际平 均极 限拉力 煤矿采 用 的 1 7结构 的 1 8 6 0级钢 绞线 的 Fp 为 2 6 0 . 7 k N , k N; 为 钢绞 线 协 同作 用 系 数 , 当 1至 5根 时取 p 一1 , 6至 1 2根时 一0 . 9 9 ; 为工程条件影 响 系数 , 取 一0 . 9 ; e 为锚索 的延 伸率 ; e 为钢 绞线 自由段 的延伸率 j . 可见 , 锚索 的 实 际平 均极 限拉力 仅是 钢绞线 平 均极 限破断 载荷 的 8 4 . 8 ; 钢 绞线 的延 伸率是 3 . 5 %, 而 锚索 的延 伸 率 是钢 绞线 延伸 率 的 5 1 , 表 明锚 索 支护设 计 按 钢绞线 的破 断载荷和延伸率 考虑是不可 靠的. 现场锚索使 用延伸量指标 较直观 , 锚索 的延伸 量 或延伸率与 预紧力及锚索 自由段 的长度有 关 , 因 而 , 以锚索 可利 用的延 伸量 或称 为锚索 工程 延 伸 量 作为指 标更便 于支 护设计使用. 由此 , 得 到预应 力 锚索延伸量 的工程指标 为 ≥ 1 . 8 - F y L , 3 式 中 为锚索 工程延 伸量 ; L为锚索两 锚 固端 之 间 自由段长度 ; F 为锚索安 装时 的预 紧力 , k N. 2锚 杆一 锚 索支 护 作 用 的互 补原 理 为 了说 明锚杆一 锚 索联 合 支护 的作 用 , 根 据锚 杆 支护 的锚 固平 衡拱原理 . 将锚 杆及其 锚 固范 围 内的围岩作 为巷道的支护体 锚 岩支护体 , 把锚 索 作为加强支护 , 通过 分析 围岩与支 护体 的相互作 用关 系 , 研 究锚杆一 锚 索联合支护 的作用原理. 图 1为巷 道 围岩一 支护 相 互作 用原 理 图. 由图 1可 见 , 在 软弱 破碎 围岩条 件下 , 巷 道 围 岩 的变形 量 很大 , 巷道开挖后立 即采用锚索 支护会 因锚索延 伸 量超过极 限而破 断. 因此在巷道开挖 初期 只安装 锚 杆 , 通过锚 杆 的加 固作用 , 锚 岩 支护体 具有 一定 的承载 能力 , 允 许 围岩发 生较 大变形 , 释放 围岩 变 形 能 , 围岩在 一定 变形 范 围 内可 以保 持 自身稳 定. 随着 围岩变形量增 大 , 锚 岩支护体 的承载能力和 自 稳性 降低 , 当锚 岩支护 体 的 自稳 性达 到极 限之 前 、 围岩剩余变形小 于锚索工程延 伸量时 , 安装锚索 即 在 图 1中点 B安装 锚 索 。 减 少 了 围岩 对锚 索 延伸 量 的要求 , 保 持锚岩 支护体 和 围岩稳 定. 图 1中 , 曲 线 1与 曲线 2交 于点 G, 与 曲线 3交 于点 H , 表 明 锚杆 锚索联合支 护提高 了支护 阻力 , 减 小 了巷道 围 岩 变形. 锚杆 和锚 索各 自发 挥 了 自身的优 势. 在巷 道 开挖 支护初期 , 以锚 杆 的柔性 支护 为主 , 后期 以 锚索 的悬 吊作用 为主 , 从而 大大改善 了锚 杆支护 的 整体支 护性 能 , 达到控制 围岩大变形 的 目的. 因此 , 将此 支护作 用原理称 之为锚杆一 锚索 支护作用 的互 补 原 理 . 在 实 际工程 中 , 锚 杆一 锚 索联 合 支护 是否 能 实 现锚杆 与锚索 支护 作用 的互 补性取 决 于采用 的支 护方 法 和合理 的支护设计 , 它要求将锚岩 支护体 的 维普资讯 4 9 2 中 国矿业 大 学学 报 第 3 4卷 特 性与锚 索 的力学 特性有 机地 结合 起 来进 行总体 支护设 计. 在支护设计 中 , 应根 据巷道 围岩条 件 , 采 用 合理 的锚杆 支护形式 和参数 , 选择 与之相 匹配 的 锚 索支护参数 , 这是锚 杆一 锚索联 合支护 的关键. 为 了使锚 索能适 应 围岩 较大 的变 形而 不发 生 破断 , 实现 锚杆 与锚 索支 护作 用 的互补 性 , 除 了必 须 了解锚 索 自身的力学 特性 承载能力和延 伸量 , 还要深入研究 锚索适应 围岩大变形 的技术. 3 锚 杆 一 锚 索支 护 设 计 3 . 1设计方 法及步骤 按 照初 始设 计 一工程 监测 一修 正设 计 的过程 进行 设计 _ 9 _ . 初始 设计 采 用 以离 散元 数值 计算 方 法 为主 , 结合 理论 计算 和工 程类 比法 , 通 过 多方案 选优 作 为井 下施 工方 案. 按 照锚 杆一 锚 索 支护作 用 互补 原理 , 锚 索支护参数设计 除 了需确定 锚索 的锚 固深 度和悬 吊能 力外 , 必 须验算锚索 的延伸量是 否 与 围岩变形相适应 , 当围岩变形量大 于锚索延伸量 时 , 应将锚 杆支护参数设计 与锚索支 护参数设计综 合 考虑. 具 体设计方法 和步骤如下 1 建立数值 计算模 型. 应 用工 程类 比法 , 参 照 已有工程或类似 条件工程 的支护效果 支护参数 和 围岩 变形破坏状 态 , 对数 值模 型 中难 以测 取 的力 学 参数进行调 整 , 使数值 模拟结 果基本 符合 已有工 程或类似条件 工程的实 际状 态. 2 改变锚 杆 支 护形 式 和参数 , 选用 支 护效果 较好 的锚杆 支护 方案 和参 数. 通过 数值模 拟计 算 , 得到锚杆支 护允许 的顶板最 大下沉量. 因 为松 动破 坏区只是塑性 区的一部分 , 不能将 数值计算得 到的 围岩塑性 区作为松动破坏 区 , 结 合围岩应力 和位移 判断 围岩松 动破 坏区范 围 , 如 图 2 C 1 ] 所示. 一1 0 . 7 4 1 2 5 8 宽度 / m 1 5 1 3 1 1 9 7 g \ 5 3避 1 0 1 3 5 图 2 围岩松 动 破坏 区 范 围的划 分 Fi g . 2 The d i s t r i b u t i o n o f r e l a x e d a n d b r o k e n z o n e o f r o a d wa y s u r r o u n d i n g r o c k 3 根 据上述 顶板下沉 量和 围岩 松动破坏 区范 围 , 确定 锚 索支护 参数 . 按 围岩松 动破 坏 区范 围确 定锚索 长度 , 按 顶板 的最 大下沉量 及锚索所需 的延 伸量 和长度 , 确定锚索 的实际延伸 量及其与所需 延 伸 量 的差 值 , 如果 锚 索延 伸量 差值 较小 , 可 调整 滞 后 锚索安 装 时间 , 减 小安 装锚 索时顶 板 的下沉 量 , 如果延伸量差 值较大 , 需要采取 其它技术. 4 采取 锚索 适应 围岩 变形 技术 后 , 再 进行 数 值 模拟计算 , 根据计 算结果判 断支护参数是 否在支 护效果 和经 济合理性方 面达到最佳 . 计算 结果 给 出作用 于锚 杆 或锚 索上 的载 荷一 般为锚杆或 锚索约束 围岩变形 的作 用载荷 , 需采用 悬 吊理论对 锚索 的承 载能力进行 检验. 这 一检验是 以锚索能适 应 围岩变形 为前提条件 的. 3 . 2 锚 索适应 围岩变形 技术 为 了达到锚杆 和锚 索支护作用 互补 , 可改变锚 索支护工 艺 、 支 护结构 和利用 锚杆支 护巷 道 的围岩 变形特 点 , 提高锚索 的适 应性 . 1 采用 木 垫板 提 高锚 索 的抗 变形 能 力. 一般 木 垫板 可 增加 锚 索 适应 围岩 变形 量 3 O ~5 0 mm. 虽 然 使用 木 垫板 减 小 了锚索 支 护 初 期 的 刚度 , 但 是 , 木垫 板 的抗压 强度 大 , 在锚 索 较大 的支 护阻 力 下 , 锚 岩支 护体有 控制 的发生 变形 , 释放 围岩变 形 能 , 减小锚 索载荷 , 增 加锚索 的延伸量. 2 滞 后掘 进迎 头 安 装锚 索. 在 顶板 达 到最 大 下沉 量之前安 装锚索 , 关键是掌握 顶板失稳前 的最 大 下沉量 , 这不仅 与顶 板 的岩石 性质 、 节理构 造 有 关 , 也与锚 杆的支护参 数 , 巷 道形状与跨 度有关. 3 合理 布置 锚索 位 置. 根 据煤 巷顶 板呈 现 弯 曲下沉 即沿巷道 宽度方 向中间下沉量最 大 、 两 帮下 沉 量小的特点 及防止两顶 角顶板发生剪 切破坏 , 锚 索不 布置在巷道 中间 , 将 锚索布置在 距两帮较 近的 位 置 , 减 小对锚索延伸 量 的要求. 4工 程应 用 实 例 4 . 1 锚 索适应 围岩 变形量计算 邢 东矿 井 1 1 2 2回风 巷宽 3 . 8 I T I , 高 3 . 5 I T I , 埋 深 8 0 0 m, 两帮 及底板为松散煤 层 , 煤 的 厂值为 0 . 6 ~ 1 . 0 , 顶 板 2 ~4 m 范 围赋 存 软 弱 的炭 质 泥岩 或 煤 线 , 为 了保 证锚 索适 应 围岩 大变形 , 采用 加木 垫 板 、 滞 后安 装 和侧 边 安装 锚索 的 3种技 术. 由数 值 模 拟计 算可 知 , 当顶 板 使 用 长 2 . 4 m, 直 径 为 2 2 ml T l 螺纹钢 锚杆 , 采用 0 . 7 m0 . 7 m 间 、 排距进 行 全 长锚 固锚梁 网支护时 , 锚岩支护体 自稳 的顶板 最 大下沉量 达 1 O O ~ 1 1 0 mm. 所 以 , 锚 索可 在顶 板下 沉 量 达 到 9 0 mm 时 安 装. 锚 索 木 垫 板 使 用 厚 5 O 维普资讯 第 4期 赵庆彪等 煤巷锚杆一 锚索支护互补原理及其设计方法 4 9 3 mm 的松木 板 , 压缩 量 可达 3 0 mm. 将 锚 索安 装在 距煤 帮 1 / 4巷 道 跨 度 的位 置. 采 用 以上 3种 方 法 时 , 锚 索适应 围岩 变形量计算 如下 锚索 滞 后安 装时 , 在 锚索 位置顶 板 的下 沉量 9 0 1 / 2 4 5 mm 巷道 中间下沉 量 9 0 mm, 锚 索位 于巷道 宽度 的 1 / 4位 置 , 所 以 , 锚 索 位置顶 板 下沉 量 是 巷 道 中 间 下 沉 量 的 1 / 2 ; 木 垫 板 压 缩 量 3 0 mm; 7 I T I 长锚索 的 自由段 长度 5 . 5 IT I , 安装时施 加 预 紧力 8 0 k N, 锚 索 的工程 延伸量 / \ ≥{ 1 . 8 一 J %x L f 1 . 8 - 5 5 0 0 7 9 m m . 锚索位 置允许顶板 下沉 量为 45307 9 1 5 4 mm 换算 到巷道 中部 允许 的顶板 下沉量为 1 5 42 3 08 m m . 计算 表明 , 锚 索允许巷道 顶板 中间的下沉量达 到 3 0 8 mm 而 不破 断. 锚 索排 距 0 . 7 IT I , 每 排 两根 锚索其承 载能力 为 2 2 2 1 4 4 2 k N. 该 承载 能力可悬 吊的岩柱高度 为 h 4 4 2 k N/ 0 . 7 I T I 3 . 8 r n 2 5 k N/ m。 一6 . 6 Y n . 根 据 数 值 模 拟 结 果 , 当 顶 板 下 沉 量 达 到 5 0 0 mm 时 , 顶板 松 动 区 的高度 仅 为 4 . 5 IT I , 如 图 2所 示. 所 以, 当锚 索达到极 限破断延伸量 、 允许 顶板下 沉 量 为 3 0 8 mm 时 , 松 动 区 的 高 度 显 然 小 于 6 . 6 m. 因此 , 锚索 的承载能力 、 延伸量 均满足要求 . 4 . 2支护效果 1 回风 巷顶 板 及两 帮稳 定 , 顶 板下 沉 量小 于 9 0 mm, 巷道两帮平 均移 近量 3 2 0 mm, 巷道 掘进影 响期一般少 于 2 5 d . 2 提高 了锚 索适 应 围岩 变形 能 力 , 未 发生 锚 索 破断现象 . 5 结 论 1 提 出了煤 巷预应力 小孔 径锚索工 程特性 的 两个重要 指标 , 推 导得 到 了锚索 的 承载 能力 破 断 力 及 锚索延 伸量 的计 算式 , 为锚 索支护 设 计提 供 了重要依 据. 2 提 出 了锚杆一 锚索 支护 作用 的互补 原理. 在 巷道 开挖初 期 , 以锚 杆柔 性 支护 为主 , 后期 以锚 索 悬 吊作用 为主 , 将锚 岩支护体 的特性与锚 索的力学 特性 有 机地 结 合起 来 , 达 到支 护 大 变 形 巷道 的 目 的 . 3 研 究 并提 出了包 括合 理 确定 锚索 位 置 、 滞 后 安装 锚索 和使用 木垫 板 等 3项 提 高锚 索延伸 量 的 工 艺 方 法 . 参 考文献 [ 1 ] 赵庆彪. 深井破碎围岩煤 巷锚杆一 锚索 协同作用机理 研究[ D] . 北京 中国矿业大学资源与安全工程学院, 2 004. 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Hi g h - S t r e n g t h a n d p r e t e n s i o n b o l t i n g s u p p o r t o f c o a l r o a d wa y a n d i t s a p p l i c a t i o n [ J ] .J o f Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g T e c h n o l o g y , 2 0 0 4. 3 3 5 5 2 4 5 2 7 . 责任 编辑陈 其泰 维普资讯