大埋深高应力巷道让压支护技术研究(1).pdf

2 0 0 8 年第 1 期 中州煤炭 总第 1 5 1 期 大埋深高应力巷道让压支护技术研究 张建 国， 黄庆 显 ， 石彦 磊 平煤 集 团公 司 四 矿 ， 河 南 平 顶 山4 6 7 0 0 0 摘要 针对平煤 四矿大埋深高地 应力巷道支护现状及 围岩特 点， 总结 了深 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 围岩的持续变形 ， 并进行 了支护试验。 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 中图分类号 T D 3 5 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 0 8 0 1 0 0 0 4 0 2 S t u d y o n Pr e s s - a n c h o r S u p p o r t i n g Te c h n o l o g y i n De p t h Hi g h S t r e s s Ro a d wa y Z HANG J i a n g u o ， HUAN G Q i n g x i a n， S HI Ya n l e i F o u r t h c o a l ， P i n g d i n g s h a n C o a l C o ． L t d ， P i n g d i n g s h a n 4 6 7 0 0 0 ， C h i n a Abs t r a c t Ai m t o t h e a c t u a l i t y a b o u t h i g h s t r e s s r o a dwa y s h o r i ng a n d s u r r o u n di n g r o c k pe c u l i a r i t y i n Fo u rth c o a l mi n e S de e pn e s s s h a f t ， s umma r i z e p r i n ci p l e o n h i g h s t r e s s r o a dwa y u p d e e pn e s s s ha f t ．An d a ut h o r s um u p r ul e s t h a t i t i s a do p t i n g d e f o r ma b l e hi g h s t r e n g t h p r e s s a n c h o r ，b i r d S n e s t a n c h o r c a b l e a n d W me t a l b a n d s u p p o rti n g t e c hn o l o g y，wh i c h c a n ha v e a n e f f e c t up o n d ur a t i v e d i s t o r t i o n i n d e e p n e s s s h a ft r o a d w a y ，f i n a l l y p r a c t i c e i n s h o r i n g a t p r o j e c t ． Ke ywor ds d e pt h hi g h s t r e s s r o a dwa y； de f o r ma b l e hi g h s t r e n g t h p r e s s a n c h o r ； d e e p s e a t e d mi n e e x p l o i t a t i o n 平煤 四矿 己三 采 区 的己 2 3 1 4 0运 输 巷巷 道 埋 深在 8 6 0～ 9 9 0 I n之 问 。由于 巷 道埋 藏 深 ， 支 护 条 件越来越复杂 ， 巷道支护难度显著增加。在掘进过 程中矿压较大 ， 顶压 、 侧压 、 底鼓较为严重 ， 锚杆、 锚 索破断问题时有发生， 巷道变形至不能正常施工作 业 ， 不但增加成本， 降低 了经济效益 ， 而且严 重威胁 着煤矿的安全 生产。为此 ， 在 己 2 3 1 4 0运输巷进 行 了高强 可变 形 让 压 锚 杆 鸟 巢锚 索 w 钢 带 支 护技 术试 验 ， 以期 达 到支 护 强度 高 、 巷 道 变形 小 、 安 全可靠 、 经济快速的目的。 1 大埋深高应力巷道支护现状及存在问题 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。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 如何及变形量大小 、 巷道周边的主应力方 向如何 、 应 牧稿 日期 2 0 0 71 01 7 作者简介张建国 1 9 6 5一 ， 男 ， 河南滑县人 ， 中国矿业大学硕 士研 究生 ， 教授级高级工程师 ， 被国家安全生产监督管理总局授予第 四届 煤 矿安全生产专家。 厶 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， 因而造成支护失效 ， 常出现大量的折梁 断腿 、 锚杆失效 、 反复维修、 冒顶塌方 ， 耗费了大量的 人力物力 ， 仍不能保证正常的安全生产。主要是对 大埋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 。 2 安装载荷不 足。很明显， 安装载荷 的不足 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 2 0 m m、 L 2 4 0 0 m m 的左旋 高强树脂 锚杆 ， 帮 、 底 锚杆采用 2 0 m m、 L2 3 0 0 mm全螺纹 等强锚杆。 顶 锚杆 7根 间 排距 7 0 0 m m 7 0 0 m m； 帮锚 杆 间排 距 上帮 3根 8 0 0 m m7 0 0 mm， 下帮 4根 7 5 0 mm 7 0 0 mm。锚索 L 6 5 0 0 m m， 排距 1 4 0 0 m m， 三花布置 ， 每根锚索距巷道 中心 7 0 0 am。施工 2个 月 后顶板 下沉 量为 3 6 5 m m， 两 帮位 移量 4 2 7 m m， 底 鼓量 6 1 5 a m， 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。 维普资讯 2 0 0 8年第 1期 张建国等 大埋深高应力巷道让压支护技术研究 总第 1 5 1期 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。锚索搅拌锚固剂效果不好 ， 锚索与锚 固剂黏结力差 ， 安装时很难对中， 三径比不 合理 。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 2 3 1 4 0运输巷锚 杆支护 ， 但仍然出现断锚杆 、 巷道整体变形量大和大 部分巷道复修套棚 ， 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 采取 预应 力锚 杆 。 提 高 支护 结构 共 同承载 载荷 预应力锚杆在支护与围岩的相互关系上 ， 具有 明显的特点 ①符合围岩与支护结构共同承载的基 本支护思想 ； ②及时主动支护 ； ③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 杆接近过载时像安全阀一样起到让压保护锚杆杆体 作用的预应力锚杆。采用高强预应力锚杆可以加大 锚杆的问排距 ， 减少锚杆 的用量 ， 提高掘进速度 ， 降 低 掘进 成本 ， 具 有广 阔 的发展 前景 。 2 ． 2深部 高地压 大 变形 巷道 支护 理念 平煤 四矿的己 2 3 1 4 0回采巷道属于高应 力大 变形 巷道 。对 于这 种 类 型 的巷 道 ， 锚 杆 支 护 系 统设 计必须考虑下列要素 ①锚杆的安装应力 ； ②支护强 度 ； ③锚杆变形让压性能。因此 ， 对于高应力大变形 巷道基本支护理念是 在一定 的合理支护强度条件 下 ， 支护系统在安装时必须对顶板施加足够 的安装 应力。同时 ， 锚杆本身必须有变形让压性能 ， 以让掉 不必要的地压载荷 ， 起到既保证巷道支护效果又保 证 锚杆 不被 破坏 的作用 。 3 工 程 实 践 按 照 支 护 原 则 ， 平 煤 四矿 对 己 2 3 1 4 0运 输 巷 进行了支护实践。 3 ． 1 高 强让 压锚 杆支 护 系统设 计 对 于 煤 系地 层 来 说 ， 由于 煤 系地 层 是 层 状 沉 积 岩层 ， 组合梁理论是最适合 的。然而 ， 工程实践 中锚 杆的支护机理往往是几种支护机理的共同作用 。 煤矿顶板是由不同层状岩体组合成的层状组合 梁 ， 为了使组合梁达到最佳强度 ， 应设计合适的锚杆 长度及锚杆系统 的安装应力。达到最佳组合梁的锚 杆系统设计应满足条件 ①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 ； ②锚 固系统 应能够减少或消除顶板 的拉应力 区； ③ 锚杆应能够 锚固在稳定的岩层 中； ④锚 固系统应有足够 的能力 控制顶板 ， 并且在整个需要支护期间不失效 。 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 强螺纹 钢 Q 5 o o 。 ③锚杆参数 顶锚杆 2 j 2 0 mm、 长 2 4 0 0 m m； 帮锚杆 2 j 2 0 m m、 长 2 4 0 0 mm。④锚杆 预应 力 不小于 5 0 k N。⑤表面支护 J D W2 7 5 2 ． 7 5 m m 高强 w 钢带 。 3 ． 2 高强让 压 锚杆 实验 室试 验 无让压管锚杆 ， 锚杆迅速达到其屈服载荷 ， 允许 变形仅为 8 m m。有让压管的锚杆 ， 在接近锚杆屈服 前 ， 锚 杆 迅速 承受 载 荷 。达 到 1 6 0 k N时 锚 杆 实 际 屈服 载荷 为 1 7 5 k N ， 让压 管 开始 启 动让 压 ， 而锚 杆 仍然在弹性变形阶段。 3 ． 3 巷 道支 护施 工 工艺 巷道 施工 布 置 如 图 1 、 图 2所 示 。锚 杆 施 工 工 艺 如下 。 图 1 支护断面示意 图 2 锚杆、 锚索布置示意 1 用 锚杆 机 打 2 4 0 0 m m 顶 、 2 2 0 0 m m 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 约 2 0 m m。注 意在 上 推树脂时严禁旋转 ， 严禁把托盘死死压在顶板上。 2 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 m m左右 。 3 完成搅拌后停止 3 0～ 4 0 s ， 让树脂充分凝 固 。 4 旋转搅拌器上 紧螺母 在 紧螺母时应用最 大扭矩 ， 而不要施加上推力， 下转第2 2页 5 维普资讯 2 0 0 8年第 1 期 中州煤炭 总 第 1 5 1 期 库和新成果 图表， 提供给通防技术决策部 门。系统 是 开放 的 ， 利用 互联 网扩 大 知情 面 ， 扩 大监 督 范 围 。 该系统 目前有的省份可以做到全省联网， 使矿山有 更 多人关 注 ， 使 矿 山更 安全 图 3 。 匝 圈 卤圆 菱 圈 动 态 [巫章口 [匾团 修 改 l 接 口 驱 挚 程 序 l l 1 接 口 驱 动 箜 序 2 l 数 据 宜 f 特捏暮辖 L 煤 矿 空 间 数 据 库 服 务 器L 阚 空 间 s Q L 查 I 标 准 H T M L 文 本 流 F L应 厢 服 务 器 W E B 服 务 器 H 罂苎 I t r f J a v a ] J a y m c r ip t l l H T M L I m g M a a I I 堡 I 空 面 t 可 视 化 选 取一 ． ．一 ． f 用 户 提 交 的 空 间 查 询 请 求 l l 竺 I 千 ● l 兄 弟 矿 井 w E B 浏 览 器 ／ 客 户 端 ， 插 件 一／ ‘ 矿 井 生 产 用 户 I 堡 J l苎 竺 旦 卜 联 机 分 析 处 理 图 3 安全监测监控 管理信息 系统 4 矿山煤质远程管理信息系统 。煤质直接决 定煤产品质量 ， 尤其是为特定客户提供的专用煤种 ， 而煤的赋存是不稳定的， 有时可能变化很大， 所 以煤 质需要实时检测。动态修改煤质数据 ， 通过平面 图 和煤质数据库系统， 传输给煤质数据库服务器 ， 从而 形成新的煤质成果， 包括煤质平面图、 煤质曲线和煤 质数据表， 通过互联 网把数据提供给客户和煤质管 理 部 门 图 4 。 藤 丽 一 质数据库系统 数据接 F I 2 接几 驱动程序l l I 接口 骄动程序2 丝 些 墨 竺 煤 矿 空 间 数 据 库 服 务 器L ⋯ ⋯ ⋯ 匹葡 T ⋯ ⋯ 【 苯 ⋯ ⋯ 一 IJ a v a ／J a v m c fi p t 空 下 兄弟矿井E W E B ] 览I I ／ P 端黼件 3 结语 【 级主管部门} l 集团 公司 用户 图 4矿井煤质远程管理信息 系统 矿井生产用户 二二[ 联机分析处理 把 数 字 矿 山技 术 应 用 到 地 质勘 探 和 矿 山开 发 中 ， 始于 2 1世纪 初 ， 我 们建 立 了数 字矿 山网 ， 为矿 山 修编报告， 取得 了较好 的成绩。近年来 ， 计算机技术 不 断发 展 ， 数 字矿 山技术不 断完善 ， 在矿 山开发 中的 应 用也 更加深 入 。应 充分 利 用 数 字矿 山技术 ， 进 一 步 提高 矿 山技 术水平 ， 把矿 山建设 得更好 。 责任编辑 秦爱新 上接 第 5页 以最 大 限度 上 紧螺母 后 ， 再用 扭 矩 放大器 ， 进一 步达 到规定 的安装应 力 。 4 支护效果 为全面了解 己． - 2 3 1 4 0运输巷锚杆锚索支护的 工 作状态 ， 监控 巷道 所受到 的地压 影响 ， 对巷道 进行 了监测。结果表明 与原来支护监测结果对比， 顶板 移 近量 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 量较原 支护 方式减 少 了 6 0 ％ 。 5 结语 1 高强可 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 2 2 支护方式减少了5 5 ％以上， 支护效果明显。 2 高强可变形让压锚杆 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 。 3 采用高强可变形让压锚杆 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 ％ ， 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。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 [ M] ． 北 京 煤 炭工业 出版社 。 2 0 0 2 ． 责任编辑 秦 爱新 维普资讯