煤巷锚杆支护动态信息设计法及其应用.pdf

2 O O 2年第 l期 总第4 8期 煤矿开采 2 O O 2 年 3月 煤巷锚杆 支护动 态信息设计法及其应用 康红普 天地科技股 份有 限公司 开采所事业都 ，北京 1 3 0 0 1 3 [ 摘要】 舟绍煤巷锚杆支护动态信息设计法的内容和特点，包括巷道 围岩地质力学测试与评 估 、数值计算初始设计 、矿压监剥 、信 息反馈 与修正初始设 计 ，以及动态信息设计 法在潞 安矿 区的应 用情况 、取 得的技术 嫂果 [ 关键词】 煤巷；锚杆盘护；动态信息设计；应用 【 中国分类号]3 3 3 3 5 3 ． 6 【 文献标识码]A 【 文章编号]1 0 0 6 - 6 2 2 5 2 O 0 2 0 1 - 0 0 0 5 - 0 4 1 y I l 8 mi c a n t i i n f o r ma t i o n a l r o c k b o l g山 me o df o r c o a l r o a d w a y a n di l s 叩叫| a 晡0 n KANC Ho n g - p u c o l Min in gT e c t m o l o D e n r 唧 I ，T ia n c fi s c Le ∞e帅 1 b c I I| l 0 C o ． -L a d -B 嘶吨 1 3 0 0 1 3 - 啤 A h 醴啊d 唧 岫 a n dd 衄 d m c Ⅲ碍 t m d L b o l t i n g d 圈 m 耐 f o r 咖 l r o a d w g ,- 帆in t d u c e d ，in c l u d i n g ∞妇 雌捆职唧 b a n d e v a l u a t io n f o r r 0 娜爪 l d i t 】g n m d w a y s ，n u m e ri c a l 唧 【 咖 a e i g n ，m o r ,i t o *mg 一 伽，训l硼 1 瞳 j 舯 f e e d l] e k舯d娜l T h e p l i c a t l m a n d I h n i e Ⅱ 耐in ’ 丑 【 】C o a l A崩 L Ⅲe哪u n d ． K印 o r i 椰 r o a ci w a y “ r o 血 曲 c肌d础 0 n ；。 P l 哪 l 叩 近年来 ，煤巷锚杆支护技术发展极为迅速。在 引进 、消化、吸收澳大利亚先进技术的基础上 ，针 对我国煤巷的具体条件进行了集中攻关 ，初步形成 了有我 国特色的煤巷锚杆支护成套技术 ．并在现场 得到广泛应用 ，成为矿井实现高产高效必备的配套 技术。锚杆支护设计是煤巷锚杆支护技术中的一项 核心内容。如果支护形式和参数选择不合理 ，就会 造成两个极端 其 一是支护强度太高，浪费材料 ； 其二是支护强度不够 ，出现冒顶事故。因此 ，锚杆 支护形式和参数的选择对发挥锚杆支护的优越性具 有 十分重要的意义。锚杆支护设计方法的发展经历 了一个长期 的过程，从简 单的工程类 比．理论计 算，到数值模拟和井下实测 ，这些方法在不同时期 和不同条件下起到了积极的作用。但是 ，多年的实 践经验表明 ，由于巷道围岩地质条件 的复杂性和多 变性 ，任何一种方法都不是万能的 ，都具有局限性 和片面性。为了解决设计存在的问题 ，提出动态信 息设计法，这种方法的设计原理和思路 已为国内外 所接受，成 为适台煤巷特点的锚杆支护设计方法。 l 煤巷锚杆支护动态信息设计法介绍 动态信息法具有两大特点 其一 ，设计不是一 次完成的，而是一个动态过程；其二 ，设计充分利 用每个过 程中提供 的信 息。该设计方法包 括 5部 分 ，即试验点调查和地质力学评估；初始设计；井 下监测 ；信息反馈 和修正设计 ；日常监测。其中 ， 试验点调查包括围岩强度 、围岩结构 、地应力及锚 固性能测试等内容 ，在此基础上进行地质力学评估 和围岩分类 ，为初始设计提供可靠的参数。初始设 计采用数值计算和经验法相结合的方法进行，根据 围岩参数和已有实测数据确定 出比较合理的初始设 计。然后将初始设计实施于井下 ，进行详细的围岩 位移和锚杆受力监测 ，根据监测结 果验证或修正初 始设计。正常施工后还要进行 日常监测，保证巷道 安 全 。 1 ． 1 试验点调查和地质力学评估 试验点调查和地质力学评估是在现场进行巷道 围岩地质力学测试基础上进行 ，包括以下几方面 [ 收薯日 期]2 O 0 2 0 “2 1 8 [ 作者简介]康缸苷 1 9 6 5 一 ，男． 山西五台． 博士，研究员 ．1 1 年毕业于中国矿业大学．现从事巷遘费护技术方面的研究工作，发 表论文 5 。 余篇，出版专著 l 奉。 5 维普资讯 2 0 O 2年第 l 期 总第 4 8期 煤田 | 开采 2 0 O 2年 3月 1 巷道 围岩岩性和强度煤层厚度 ，倾 角 ， 抗压强度 ，节理 、裂隙分布情况 ；巷道顶底板岩层 分布 ，岩层强度。 2 地质构造和围岩结构 巷道周围比较大的 地质构造 ，如断层 、褶曲等的分布，对巷道的影响 程度围岩 中不连续面的分布状况，如分层厚度和 节理裂隙间距大小 ，不连续面的力学特性等。 3 地应 力 地应力包括垂直主应力和两个水 平主应力，其中虽大水平主应力方向和大小对锚轩 支护设计尤为重要。 4 环境影响水文地质条件 ，涌水量 ，水对 围岩强度的影响 ，瓦斯涌出量大小 ，岩石的风化性 质等。 5 粘结强度测试采用锚杆拉拔 计确定树脂 锚固剂的粘结强度 该测试工作必须在井下施工之 前进行完毕。测试应采用施工中所用的锚杆和树脂 药卷 ，分别在巷道顶板和两帮设计锚固深度上进行 三组拉拨试验。粘结强度满足设计要求后方可在井 下施工中采用 。 1 ． 2 初 始设 计 锚杆支护初始设计采用数值计算结台经验法完 成。 目前应用效果比较好的数值计算程序为有限差 分软件 F L A C和离散单元法软件 U D E C 。数值 计算 设 计 包括 以 下步骤 1 确定巷道断面根据运输设备尺寸 ，通 风 要求和巷道围岩变形预留量 ，设计台理的巷道断面 尺 寸。 2 建立数值计算模型 根据巷道地质与生产 条件．确定模型模拟范围 、模型网格 ．边界条件及 模拟围岩的力学模型。为了真实反映巷道围岩的变 形特征 ．特 别是岩石屈服后的力学行为 ．而又不致 使计算速 度过慢，一般采 用两种力学 模型模拟 岩 层。一种是应变软化模型 ，模拟巷道直接顶 ．直接 底及煤层 。其它范 围内的岩层采用 摩尔～库 仑模 型。采用 界面单元模拟岩层层面。采用锚杆单元模 拟 锚杆 。 3 确定模拟方案根据模拟对象确定模拟方 案。一般 包括无 支护．不同锚杆 密度 、直 径、长 度，及有无锚索等支护方案 4 模拟结果分析分析锚杆密度 、直径和长 度等参数对支护效果的影响，最后选择有效且经济 的支护方案。 1 ． 3井 下监测 6 初始设计实施于井下后 ，必须进行全面系统的 监测 ，这也是动态信息法中的一项 主要 内容。监测 的目的是获取巷道围岩和锚杆的各种变形和受力信 息 ，以便分析巷道的安全程度和修正初始设计。井 下监测主要有以下几方面内容 1 围岩位移 围岩 位移包括 巷道表 面位移 顶底板相对移近量 、顶板下沉量、底鼓量 、两 帮 相对移近量 、帮位移量等 ；巷道顶板离层 锚 固 区内离层值和锚固区外离层值和深部位移。 2 锚杆 索受力对于全长锚固锚杆，测 量沿锚杆方向上的受力分布。对于端锚锚杆 ，可在 孔 口测量锚杆 的工作阻力。采用锚索测力计测量锚 索 的工作 阻力 。 1 ． 4 信息反馈和修正初始设计 根据井 下监测信息验证和修改初始设计 ，使其 趋 于更加合理。例如 ，当锚固范围内的离层值大于 设计值时 ，说明锚杆支护强度偏小，应加密和加粗 锚杆 ；当锚 固区外围岩离层值较大时 ，表明锚杆长 度偏小 ，应适当增加锚杆 跃度 ，或补打锚索。 2 动态信息设计法在潞安矿 区的应用 潞安矿业集团公 司是一个现代化矿区 ，以综放 开采为主要开采方法，回采巷道多为沿煤层底板布 置的煤顶巷道 。近两年与科研院所合作进行煤巷锚 杆支护技术的研究与推广应用 ，取得 良好 的技术经 济效益 ，动态信息设计法得到广泛直用 ，锚杆支护 比例显著提高。 2 ． 1 巷道 围岩地质力学测试 巷道围岩是锚杆支护对象，地质力学参数是锚 杆支护设计的基础 只有充分了解研究对象，才能 使 芰护设计台理 、安全 、可靠。潞安矿区采用煤炭 科学研究总院北京开采研究所开发研制的巷道围岩 地质力学快速测试 系统 ，完成 了全矿区 l 5个测点 的地应力 、围岩强度和围岩结构测量工作，获得大 量宝贵的基础数据。 地应力测量采用水压致裂测量方法。围岩强度 测试采用 WQ C Z一Ⅱ型围岩强度测定装置在井下巷 道钻孔中直接进行。围岩结构 观察 采用美 国 F S 7 5 x 2 0型钻孔窥视仪在 钻孔 中观 察。表 l 是地应力 的部分测量结果。通过本次地质力学测试 ．对潞安 矿区内各矿的地质条件 、地应力分布 、巷道围岩强 度和围岩的节理裂隙分布有了比较详细的了解 ，为 全矿区进行锚杆支护设计打下坚实的基础。 维普资讯 2 0 0 2年第 l期 总第4 8期 煤矿开采 2 0 0 2年 3月 表 I 潞安矿 区地应 力测量结 果 2 ． 2 煤巷锚杆 变护初始设计方法与软件 为了获得大量实践经验和实测数据 ，全面代表 潞安矿区不 同巷道类型 ，进行 了 1 2条示范巷道井 下施工和监测。示范巷道锚杆支护初始设计采用有 限差分数值 } I - g软件 F L A C 3 ． 3 ，按照前面所述的步 骤进行设计 实践表明，这种方法取得 了 ． 良好的设 计效果 采用数值计算软件进行锚杆支护初始设计 ，可 以考虑众多影响巷道围岩变形 、破坏和锚杆支护作 用的因素 ，在 多方案 比较 的基础 ，选 出最 优方 案 这种设计方法的科学性和合理性是很高的。但 是 ，这种设 计方法需要 有深厚 的数学和力学 基础 、 娴熟地操作计算机的能力 ，以及丰富的锚杆支护设 计经验 。这些条件对 于现场工程技术人员来说是很 难达到 的。 为了使锚杆支护初始设计既简单 、方便，适合 工程技术 人员使 用，又具 有较高的科学 性和合理 性 ，在大量示范巷道数值计算设计的基础上 ，进行 提炼 与简化 ，编制 了适合现场工程技术人员使用的 设计软件 1 设计软件的纽成本设计软件 由以下 4部 分组 成 ① 数据 库系统 包 含设计巷道地应 力、围岩 强度 、围岩结构 ，巷道使用特征等各个参数 ，是锚 杆支护设计的基础 ． ． ② 咨询系统包含与煤巷锚杆支护有关 的地 质力学测试技术 、锚杆支护理论 、设计方法 、支护 材料 、施工机具和矿压监测仪器与技术等 内容，供 工程技术人 员学习煤 巷锚 杆支护技术 基本知识所 用 ． ③ 设计系统 根据数据库 系统提供 的巷道 参 数进行锚杆 支护设计 ，得 出锚杆支护形式 ，参数 ， 所需要的支护材料等。 ④ 绘图系统 根据设计系统提供的锚杆支护 设计 ，绘制巷道支护断面图、俯视图和侧视图。 2 系统功能 该 系统提供的主要功能包括 毒看各煤矿地质力学参数的图表和 图形数据 资料； 提供煤巷锚杆支护技术 咨询 ；设计巷道支护参数 ； 并打印输 出巷道支护材料消耗清单和巷道支护三视 图 。 图 l 是该软件提供 的漳村煤矿 1 3 0 8工作面 回 风巷的锚杆支护布置 图。将此设计 实施于井下后 ， 有效地控制 了围岩变形 ，支护效果 良好 ，表明该设 计软件提供 的初始设计具 有较 高的合理性和 可靠 性 图 1 漳 村煤矿 1 3 0 8工 作面 回风巷锚杆支护布置 目 2 ． 3矿压监测与信息反馈 1 矿压监_驯根据潞安矿 区巷道条件，确定 井下监测采用综合监测和 日常监测相结合的方法进 行 综合监测 内容包括巷道 表面位移 、顶板离层 、 锚杆受力和锚索受力 ，相对比较复杂，监测工作量 大，主要用于验证和修改初始设计 ；日常监测 内容 包括锚杆锚固力抽检 、顶板离层和锚杆预紧力矩检 测 ，监测工作量相对较小 ，主要用于保证巷道的安 全 状 况 2 信息反馈指标井下监测数据很多，必须 从众多数据中选取修改 、调整初始设计的反馈信息 指标。指标应简单、易于侧取 ，而且是影响 支护参 数的关键数据 。为此 ，根据潞安矿 区巷道地质与生 产条件，选用顶板离层值、两帮相对移近量 、锚杆 受力 3个方面的 5个指标。其中顶板离层值包括锚 固区内外顶板离层值两个指标 。锚杆受力选用 2个 指标 ，全长锚固 1 个，端锚 1 个。 7 维普资讯 2 0 0 2 年 第 1 期 菖第 4 8 期 煤矿开采 2 0 0 2年 3月 反馈信息指标数值必须要确定准确，因为它是 关系到巷道锚杆 支护 的安全性和经济性 的重要指 标。在 l 0余条示 范巷道锚杆支护监测数据 的基础 上 ，结合以前 的锚杆支护监测资料 ，确定反馈信息 指标数值的参考值如表 2 所列。 裹 2 不 同类型巷道矿压监测反馈指标值 3 设计修改准则 将实测数据与反馈指标 相 比较 ，就可判断支护设计 的合理性，必要时修改设 计。根据潞安矿区煤巷的条件 ，确定 了修改初始设 计的准则 。如果实测值都小于反馈指标值 ，则设计 不要修改 。如果实测值有一个或多个大于反馈指标 值，就需要修改设计。如果锚固区内离层值大于反 馈指 标 ，则 每 排 增 加 一 根 锚 杆 ，或 缩 小 排 距 l C Omm 。 如果锚杆受力大于反馈指标，则将锚杆直径加 大 2 m m。如果直径超过 2 2 ra m，改用强度更 大的材 质 。 如果锚固区外离层值大于反馈指标 ，则加大顶 板锚杆长度 ，增加 2 0 0 1 r R fi 若锚杆长度大于 2 ． 4 m． 则加大锚索密度 ，将锚索排距减小 l 排锚杆排距 。 如果两帮移近量大于反馈指标，则加大帮锚杆 长度 ，增加 2 0 0 1 r R fi 。若帮锚杆长度大 于 2 m，则 每 排增加 l 根锚杆，或将排距缩小 1 O m m。 修改后的支护设计方案实施后 ，还应继续进行 现场监测 ，评价支护效果和巷道的安全程度 对于 局部特殊条件，如断层 、破碎带，需采取特殊的方 法 处 理。 2 ． 4 潞安矿区煤巷锚杆支护矿压监测软件 为了减轻工程技术人员的工作量 ，使他们能够 及时 、准确地处理大量矿压监测数据 ，判断初始设 计 的合理性，必要时进 行修改，编制 了矿压监测软 件。本软件由以下三部分组成 ① 数据库 系统 输入 、存贮 和输出需要处理 的矿压监浏数据 ② 绘图系统 根据数据库提供 的矿 压监测数 据 ，绘制各种矿压监测 曲线。 ③ 判断系统 判 断锚杆 支护初 始设计 的合理 8 性 。 该系统提供的主要功能包括处理巷道表面位 移 、巷道顶板离层 、全长锚固测力锚杆 、端部锚 固 锚杆的观测数据 、分析数据处理结果 ，并 以图形方 式直观表示观测结果 ；根据观测结 果验证初 始设 计 ，当初始设计不符合要求时，提出修改初始设计 的各项建议。 目前 ，该软件已在潞安矿区得到广泛应用 ，对 推动潞安矿区煤巷锚杆支护技术的健康发展起到了 重要 作用 。 3 结论 1 目前 国内外锚杆支护设计方法很多 ，但都 不同程度地存 在着不合理性 、片面性和不可靠性， 而 且很多设计方法针对岩巷，不适用 于煤巷锚杆支 护设计。 2 动态信息设计法包括试验点调查和地质力 学评估 、初始设计 、井下监测 、信息反馈和修正设 计 、日常监测，具有动态性和信息性两大特点，符 合井下巷道 围岩复杂性 、多变性的特点 ，是一种 比 较科学 、合理的设计方法 。 3 对于研究人员 ，锚杆支护初始设计采用以 有限差分数值计算为主 ，与理论分析和经验相结合 的方法是可行的 ，设计结果 比单纯采用某种方法既 快速又合理。 4 对 于现场工程技术人员，采用数值计算方 法进行锚杆支护设计有较大困难。在大量数值计算 设计的基础上进行提炼和简化，编制简单 、方便的 设计软件是一条可行的途经 。 5 煤巷锚杆支护监测软件 ，可提高监测数据 处理的速度 和准确性 ，减轻工程 技术人员 的工作 量，对促进矿压监测的 日常化和规范化具有重要意 义 [ 参考文献】 【 1 j 康红普 回采巷道锚扦支护影响因素的 F L A C 分析 [ 】 ] 岩石 学 工程学报 ，1 9 9 9 ，I 8 5 5 3 4 5 3 7 ． [ 2 ] 康红普，林健 ． 我国巷道围岩地质力学测试技术新进展 [ J ．． 煤炭科学技术 ． 2 0 0 1 ，2 9 7 2 73 0 ． 3 ]朱浮声 锚喷 加固设 计方法【 M] 北 京 冶 金工韭 出艋 杜 ， l g g 3 【 责任raM邹正立】 维普资讯