大埋深高应力巷道让压支护技术研究.pdf

★ 科技创新 ★ 大埋深高应力巷道让压文护技术研究 张建 国 黄庆显 石彦磊 平顶 山煤业集 团公 司四矿 ，河南省平顶 山市 ，4 6 7 0 0 0 摘 要针 对 四矿矿 井大埋 深 高地 应 力巷道 支 护现状 及 围岩特 点 ， 总结深 井 高地 应 力巷 道支护原则，提 出采用高强可变形让压锚杆 鸟巢锚 索W 钢 带支护技 术控制深 井巷道 围 岩持续变形的方法 ，并在工程 实际中进行 了支护实践。 关键词 大埋深高地应力巷道 高强可变形让压锚杆 深部开采 1 大 埋深 高应 力巷道 支 护现状 及存 在 的问题 1 ． 1 巷道 支护 现状 尽管煤矿锚杆支护技术 已经得 到了广泛 的应 用，但 目前 的锚杆 、锚索种类单一 ，难以适应不同 地质采矿条件的变化 。随着煤矿开采深度的不断加 大，巷道支护问题更加突出。在理论和科研界 ，有 许多锚杆支护理论 ，不同的理论会给锚杆不 同的支 护机理。典型的支护理论有组合梁理论 、弹塑性松 动圈理论 、楔体加固理论、悬吊理论等，在实际顶 板控制实践中，锚杆的支护机理是几种理论综合作 用的结果 。在深部开采掘进过程中 ，要面临很多影 响巷道支护的问题 ，如 随着采深的增加 ，压力增 大多少、巷道变形范围如何及变形量多少、巷道周 边的主应力方向如何 、应力随采深增大的梯度是多 少 ，这些问题直接影响煤矿的安全生产 。也有的矿 井仍沿用浅部的支护方法和管理经验 ，从而造成支 护失效，常出现大量的折梁断腿、锚杆失效 、反复 维修、冒顶塌方现象，耗费了大量的人力物力 ，仍 不能保证正常的安全生产。 造成这些不安全因素的原 因主要是对大采深高 应力的巷道支护没有采取有针对性 的支护方式和手 段 ，因而难 以提出合理有效的深部地压控制措施和 配 套 的巷 道支 护方法 。因此深 部 开采首 先解 决 的是 巷道 “ 安全 、高效、经济、快速”的支护问题。 1 ， 2安装 载荷 不足 很 明显，安装载荷的不足可引起顶板和两帮的 早期变形 。尽管锚杆支护密度很大，仍然存在严重 的巷道变形 原设计顶锚杆采用长 2 4 0 0 ram、直径 42 2 0 mm 的左旋 高强 树脂 锚杆 ，帮、底 锚杆 采用 长 2 3 0 0 ram、直径 2 0 mm 的全螺纹等强锚杆 ，顶锚杆 7根间排距为 7 0 0 ram7 0 0 ram，帮锚杆间排距 为上 帮 3根 8 0 0 ram 7 0 0 ram，下 帮 4根 7 5 0 ram 7 0 0 ram， 锚 索 长6 5 0 0 ram， 排 距 1 4 0 0 ram，三 花 布 置 ，每 根 锚 索 距 巷 道 中心 为 7 0 0 ram。 施 工 2个 月后 顶 板下 沉 量 为 3 6 5 mm，两 帮位移量 4 2 7 mm，底膨量 6 1 5 mm，顶板高强锚杆 在大变形条件下无让压功能 ，造成局部地段有断锚 杆现 象 。 1 ． 3锚 杆材 质 满足 不 了支护的 需要 帮锚杆是全螺纹钢锚杆 ，螺距大、阻力大 ，难 以施加较大 的安装载荷 ，而且 容易退丝 。在 大采 深、高应力、大变形 的条件下 ，无法适应帮部支护 的需要。锚索搅拌锚 固剂效果不好 ，锚索与锚固剂 粘结力差 ，安装时很难对 中，三径 比不合理 。如果 采用 围岩表面控制支护 ，钢筋梯与顶板 围岩是线接 触，采用钢筋梯表面支护效果差。为此 ，平煤 四矿 曾经尝试采用高强锚杆进行己 1 5 --2 3 1 4 0机巷锚杆 支护 ，但仍然 出现断锚杆、巷 道整体变形量大现 象，大部分巷道需要复修套棚 ，但复修后巷道支护 效果仍不理想 。 2 大 埋 深高应 力巷 道 的支护 原则 2 ． 1 采 用预 应力锚 杆提 高支护 结构共 同承载 载荷 在支护与围岩的相互关系上 ，预应力锚杆支护 有 3个突出特点一是符合围岩与支护结构共同承 载的基本支护思想；二是及时主动支护 ，即在岩体 开挖早期就进行锚杆安装 ，安装后即对围岩提供显 中 国煤 炭 第 3 4卷第 3 期 2 0 0 8年 3月 维普资讯 著的轴 向和横向的支护阻力 ，避免岩体松动和塑性 松动圈的增大 ；三是属于柔性支护 ，选择合理 的支 护刚度，使支护完成后 ，仍能与岩体一起产生少量 的位移，释放部分能量 ，既保持岩体受力平衡 ，又 保持支护结构不失稳。新型预应力锚杆则是在此基 础上采用 了一种合理有效的让压 ，并在锚杆接近过 载时象安全阀一样起到让压保护锚杆杆体 的作用的 预应力锚杆。采用高强度预应力锚杆可以加大锚杆 的间排距 ，减少锚杆的用量 ，提高掘进速度 ，降低 掘进成本 ，具有 巨大 的发展空 间和 良好 的发展前 景 。 2 ． 2 深 部 高地压 大 变形巷 道 支护理 念 四矿 的己 1 5 2 3 1 4 0平巷属于高应力大变形巷 道。对于这种类型的巷道 ，锚杆支护系统设计必须 满足 下列 要 素 。 1 锚杆 的安 装应 力 。锚 杆 的安 装应 力是 控 制 围岩早期变形 的重要参数。安装应力过小会使 围岩 发 生过大 的早 期变 形 ，松散 破 碎 圈增 大 ，引起 顶板 破碎，锚杆受力增加 。一个合理的锚杆安装应力如 同液压支架的初撑力一样重要 。 2 支护强度 。相当于液压支架的支护 阻力 ， 在大采深 、高地应力 、厚煤层 、大断面 ，沿空掘巷 的条件下 ，支护强度必须提高 。这就要求单根锚杆 系统的强度加大 ，提高每根锚杆的支护效率。 3 锚杆变形让压性能。相当于液压支架 的安 全让 压 阀 ，为 了防止锚 杆承 受 过度载 荷 而破 断 ，锚 杆必 须有 一定 的变 形让 压性 能 。然而 ，这 种变 形让 压必须是有 “ 控制”的让压 。让压性能对顶板支护 效果影响很大 。合理的让压性能应该做到锚杆在一 定吨位上稳定让压以保证巷道支护效果和防止锚杆 杆体发生突然破断 。 因此 ，深部巷道 基本支护理念 就是高 安装载 荷、高支护强度 、锚杆变形让压性能 。 3工程 实践 3 ． 1 高 强度让 压锚 杆 支护 系统设 计 煤矿顶板是 由不 同层状岩 体组合成 的层状组合 梁 ，为了使组合梁达到其最佳 强度 ，应该设计合适 的锚杆长度及锚杆系统的安装 直力 。达到最佳组合 梁的锚杆系统设计应满足下列 条件通过调整安装 应力 ，使锚杆支护系统应能够控制锚固范围内的顶 板离层 ，这需要选择合理 的锚杆类型和安装 应力； 锚固系统应能够减少或消除顶板的拉应力 区；锚杆 大埋深高应 力巷道让 压支护技术研 究 应能够锚固在稳定的岩层 中；锚固系统应有足够的 能力来控制顶板 ，并且在整个需要支护期间 内不失 效 。根据支护理论 和支护经验 ，经过数值分析后 ， 初步确定如下支护方案。 1 锚杆形式 高强高预应力 可变形让压锚 杆 。 2 锚杆钢材 高强度螺纹钢 Q5 O O 。 3 锚杆参数 顶锚杆为 2 0 mm x 2 4 0 0 mm， 帮锚杆为 2 0 mmX 2 4 0 0 mm。 4 锚 杆预 应力 不 小 于 5 t 。 5 表面支护 J DW2 7 5 ～2 ． 7 5 mm 高强度 w 钢 带 。 3 ． 2巷道 支护 施 工方案 具 体 的施工 方案 如 图 1 、图 2所示 。 图 1 巷道 支护 断面图 注 1 一顶锚杆型号 为直 径力之 2 0 mm，长度 2 4 0 0 mm 的高强树 脂 锚杆 ，排距 1 0 0 mm； 2 一帮锚杆型号为直径 力 2 0 mm，长度 2 4 0 0 mm 的高 强树脂 锚 杆 ，排距 1 0 0 0 mm； 3 一锚索长度均为 6 5 0 0 mm 排距 1 0 0 0 mm，顶 板锚索 呈五花 布 置 ； 4 一顶帮都采用棚带进 行表 面支护 。 锚杆 锚索 钢 带 图 2 锚杆 、锚索布置平面示意 图 3 ． 3施 工 工 艺 4 3 维普资讯 用锚杆机打 2 4 0 0 mm 顶 、2 2 0 0 mm 帮深 的钻孔 。把树脂药卷和锚杆推入规定的孔位 。利用 锚杆和锚杆搅拌器通过锚杆机的上推力把树脂推入 孔 中直到锚杆托 盘离顶板 2 0 m m 左右 。注意在上 推树脂时严禁旋转 ，严禁把托盘死死压在顶板上 。 之后 ，迅速旋转锚杆搅拌 1 5 ～2 0 s 旋转搅拌时不 要施加上推力 ，然后顺势上推锚杆使托盘贴近顶 板 托盘离顶板 的间隙 5 mm 左右 。完 成搅拌后 停止 3 0 4 0 s 左右让树脂充分凝 固。紧接着旋转搅 拌器上紧螺母 。在紧螺母时应给最大扭矩而不要施 加上推力 以最大 限度 的上紧螺母 。用扭矩放大器 ， 进一步上紧螺母 ，达到规定的安装应力。 4 支 护效果 为全面了解己 1 5 2 3 1 4 0 机巷锚杆锚索支护的 支护工作状态 ，监控巷道所受到的地压影响 ，掌握 围岩的变形规律 ，以确定巷道的支护效果 ，以便及 时采取措施 。通过监测来验证设计的正确性 ，检验 支护质量 ，同时为修改设计提供科学依据 ，对顶帮 锚杆压力进行监测。顶板锚杆受力观测、顶板下沉 观测 、两帮锚杆受力观测 、两帮移近观测 的检测结 果 如表 1所 示 。 表 1 顶 板锚杆 受力、顶板下沉、两帮锚杆受力、两帮移近观测结果 日期 顶 压力表 压力 表 压 力表 位移／ mm ／ m 上帮／ t 顶 ／ t 下帮／ t 两帮 顶底 3．2 3 3． 26 ． 3．2 8 3． 3O ． 4． 3． 4．6 ． 4． 1 O． 4． 1 4． 4． 19 ． 4 ．2 9． 与原来支护检测结果对 比，顶板移近量相 比原 支护减少 了 4 4 ． 2 ；底板移 近量减 少 了 6 5 ． 4 ； 两帮移近量减 少了 7 0 ％；支护效果 良好 ，巷道 表 面整体位移量减少 了 6 0 。 5 结论 1 高强度可 变形让压锚杆 鸟巢 锚索 w 钢带支护质量和支护强 度均达到 了预期 的设计要 求 。在施工过程 中，巷道底鼓量 占整个顶底板移近 量的 8 2 ％以上 。在同一时间 段内，巷道 整体位移 量较原支护方式减少 了 5 5 以上 ，支护效果明显。 2 采用高强度可变形让压锚杆鸟巢锚索 w 钢带支护每米巷道锚杆使 用量较原 支护方式减 少 了 4 7 ． 3 ，大大减少了施工作业量和支护成本 ， 降低了劳动强度，提高了劳动效率 。 4 4 3 检测数据表明高强度可变形让压锚杆鸟 巢锚索w 钢带支护可以有效控制 围岩变形 ，在 经济合理的条件下提高支护强度 、表面质量和支护 效 果 。 4 高强可变形让压锚杆 鸟巢锚索 w 钢 带支护技术不但可以减少支护施工量、降低支护成 本 ，而且可以防止原支护方式导致的稳定巷道 “ 二 次变 形” 现象 。 参考文献 [ 1 ] 钱鸣高，刘听成 ．矿山压力及其控制 [ M]．北京 煤炭工业出版社 ，1 9 8 9 [ 2 ] 薛顺勋，聂光国 ．软岩巷道支护技术指南 ．北京 煤炭工业出版社 ，2 0 0 2 责任 编辑路强 中国煤炭第 3 4卷第 3 期 2 0 0 8年 3月 阻 阻 盯 ％ M ∞ 弘 ∞ 0 u u n u u u u M M Ⅲ 瑚 m O 9 1 7 5 4 4 4 4 4 4 6 8 5 3 3 ； 3 9 6 ； 眦 ％ 文 互 互 5 9 2 8 7 4 7 3 4 ∞ 乱 乱 乱 乱 乱 5 9 7 1 1 O 5 5 ∞ 啪 m 维普资讯