大埋深高应力巷道让压支护技术.pdf

2 0 1 1年第 1期 煤 矿 支护 2 1 石 采 庄中 煤 杯 参 评 论 文 大埋深高应力巷道让压支护技 术 黄庆 显 [ 平项 山煤业集团公司 四矿 ，河南 平顶 山 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 ，决定采 用高 强 可 变形让压 锚杆 、w 钢 带鸟巢 锚 索联合 支 护技 术控 制深 井 巷道 围岩 的持 续变形 ， 施工 效果在 实 际工程 中验证 。 关 键词 深 部开采 大埋深 高地 应 力 高强 可变形让 压锚 杆 鸟巢锚 索 前 言 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 。随着开 采 深度 的不 断加 大 ，巷道 支 护 问题 更 加 突 出 。 在深 部开 采掘 进过程 中，面临更 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 生产 安 全 。如 沿 用 浅 部 支 护 方 法 和 管 理 经 验 ，会造成 支 护失效 ，不 能保证 正 常的安 全 生产 。究其 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 。 四矿 己三采 区 的己 1 5 2 3 1 4 0机巷 巷道 埋 深在 8 6 0 ～ 9 9 0 m 之 间。 由 于 埋 藏 深 ，巷 道支 护 条 件 越 来 越 复 杂 ，支 护 难 度 显 著 增 加 。由于矿 压较 大 ，顶 压 、侧压 、底臌 较 为 严 重 ，锚杆 、锚索 破断 现象 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 。该 巷 道采 深 大 、围 岩条 件 变 化 大 、 地应 力 大 、地 质 采 矿 条 件 复 杂 ，其 支 护 效 果 、支护效率 和支 护成 本 问题 突显 ，已经成 为 制约 开采 和企业 发展 的一个 瓶颈 。为此 尝 试 在 己 1 5 2 3 1 4 0机巷 巷道采 用高 强可变 形 让 压锚 杆 、w 钢 带 鸟巢 锚 索 联 合 支 护 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原设 计存在 的 问题 1 ． 1 安 装栽荷 不足 原方 案尽 管将 锚 杆 支 护 密 度 设计 很 大 ， 但 由于安装载荷不足，仍引起顶板和两帮的 早期 变形 ，造成 巷道 严重变 形 。原方 案的顶 板锚 杆采 用直径 2 0 mm、长 2 4 0 0 mm 的左旋 高强 树脂 锚杆 ，顶板 每排 布置 7根锚 杆 ，间 排距 7 0 0 7 0 0 mm 。原 方 案 的 帮 、底 锚 杆采 用直 径 2 0 mm、长 2 3 0 0 ram 的全螺 纹等 强锚 杆 ，上帮每排 3根 锚杆 ，间排 距 为 8 0 0 7 0 0 ram ，下 帮 每 排 4根锚 杆 ，间排 距 为 7 5 0 7 0 0 mm 。锚 索 长 6 5 0 0 mm，排 距 1 4 0 0 mm，三花 布置 ，每根 锚索 距 巷道 中 心为 7 0 0 ram。施 工 两个 月后 ，顶 板 下 沉 量 为 3 6 5 mm、 两 帮 位 移 量 4 2 7 mm、底 臌 量 6 1 5 mm。由于 顶 板 锚 杆 在 巷 道 大 变 形 情 况 下无让 压 功能 ，局部地 段有 锚杆 断裂现 象 。 1 ． 2 锚杆 材质 满足 不 了支护 的需要 ①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 2 2 煤 矿支护 2 0 1 1年第 1 期 下 ，无 法适应帮 部支护 的需要 。 ② 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 。 ③ 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 四矿煤 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 分巷道套棚 复修 ，巷 道支护 效果不理 想 。 2 深 部巷道 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 锚杆支 护是一种 高效 、经济 、安 全 的巷道支 护手段 ，在巷道 支护 中越 来越显 出其 突 出的优点 。在 支护 与围岩 的相 互关 系 上 ，这种支 护有三个 突出特点 第一是 符合 围岩 与支护结 构 共 同承 载 的基 本支 护 思 想 ； 第二是 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 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 ；第三是 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 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 O 顺槽 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 满下列 要素 1 锚杆 的安装应力 相 当于液压 支架 的初 撑力 ，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 ，对 于高应 力大 变形 巷道基 本支 护 理念应 该是 在一定 的合理 支护强度 的条件 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 到即保 证 巷道 支 护 效 果 又 保 证 锚 杆 不 被 破 坏 。总 之 ，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 按照上 述 原则 ，四矿对 己 1 5 2 3 1 4 O 机 巷进行 了支 护实践 。 3 ． 1 高强让压 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 应 力 。达 到最佳组 合梁 的锚 杆 系统设计应 满 足 下列条件 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 2 0 1 1年第 1期 煤矿 支护 2 3 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 来 控 制 顶 板 ，并且 在整 个需要 支护 期 间内不 失效 。 经过 分析后 ，初 步确 定支 护方 案如下 ①锚 杆形式 为高 强高 预应力 可 变形让 压 锚杆 ； ②锚杆 材质 为 Q5 0 0高 强螺纹 钢 ； ③ 锚 杆 参 数 为 顶 板 锚 杆 2 O mm、长 2 4 O O mm； 两帮 锚杆 直径2 0 mm、 长 2 4 O Om m ； ④锚杆 预应 力 不 小 于 5 0 k N； ⑤表 面支 护采 用 J D W 2 7 5 2 ． 7 5 mm 高 强 w 钢 带 。 3 ． 2 高强让压锚 杆 实验 室 实验 无 让压管 锚杆 ，锚 杆迅速 达 到其屈 服载 荷 ，允许 变形 仅 为 8 ram，在 掘 进 期 间 锚 杆 很 可 能发生 塑性破 坏 ，一旦 发生 破坏 ，锚杆 将 失 去其稳定 支撑 能力 。微 小 的载荷或 变形 扰 动会 让锚杆 破 断 。 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 左 右 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 。这 样一 方 面保证 锚杆 系统在 掘进 期 间不发 生塑 性 破坏 ，也 保 证 巷 道 围岩 在 1 6 o k N 工 作 阻 力 的用 下 有 控 制 让 压 ，以 保 证 围岩 的 稳 定 性 。 3 ． 3巷 道 支护施 工方 案 顶板 锚杆 采 用 直 径 2 0 mm、长 2 4 0 0 mm 的高 强锚 杆 ，间排距 为 1 0 0 0 1 0 0 0 ram ， 树脂 锚 固剂锚 固 ；顶 板 锚索 采用 长 6 4 0 0 mm 的鸟 巢锚索 ，间排距 为 1 0 0 0 1 0 0 0 mm ， 锚索 排列 呈 五花 布 置 。顶 板 采 用 w 钢 带 护 顶 。 巷两 帮采用 直径 2 0 mm、长 2 4 0 0 mm 的 让 压 锚 杆 支 护 ， 间 排 距 为1 0 0 0 1 0 0 0 ram ，树脂 锚 固剂锚 固。 支护方 案如 图 1 、图 2所 示 。 3 ． 4施 工 工 艺 ①钻锚 杆孔 ，顶 板孔 深 2 4 0 0 mm，两 帮 孔 深 2 2 0 0 mm； 图 1 机巷支护断面示意图 图 2机 巷 锚 杆 、锚 累布 置 平 面 示 意 图 ②用锚 杆将树 脂锚 固剂 卷推入 孔 中 ，直 到锚杆 托盘 离顶 帮2 0 mm 左 右 。推进 时 不 能 搅 拌 ，不 能 让 托 盘 死 死 压 在 顶 帮 上 ； ③迅 速 开启锚 杆 钻机 搅 拌 1 5 ～2 0 s ，旋 转 搅拌 时不要 施加 上推力 ，然 后顺 势推进 锚 杆 使托 盘 贴 近 顶 帮 ， 留托 盘 离 顶 帮 的间隙 5 mm左 右 ； ④停 止搅 拌 3 0 4 0 s 左 右 ，让 树 脂锚 固 剂 充分凝 固 ； ⑤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 地上 紧螺母 。 ⑥用 扭矩 放大 器 ，进 一步 上紧 螺母 ，达 到 规定 的安装 应力 。 锚杆 施工 工艺 可 以总结 为 一 推 推树 2 4 煤矿 支护 2 0 1 1 年第 1 期 脂锚 固剂 卷 人孔 到 规定 位 置 ，二 转 旋转 搅 拌树脂 锚 固剂 ，三停 树 脂 锚 固剂 完成 初凝 ，四紧 紧固螺母 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 监测 、顶板下沉 观 测 、两帮锚 杆受力 观测 、两 帮移 近观测 的检 测 结果列表 1 。 表 1 1 5 2 3 1 4 0机巷 监 测 数 据 距迎头距离 全宽 上帮 下帮 顶 上帮压力 顶板压力 下帮压力 位移量／ mm 日期 ／ m ／ m ／ t ／ t ／ t 两 帮 顶底 3 ． 2 3 O ． 5 4 ． 1 6 5 3 ． 0 9 6 1 ． O 6 9 O ． 2 5 0 7 1 0 7 7 1 3 3 ． 2 6 1 9 4 ． 0 5 9 2 ． 9 9 8 l _ O 6 1 0 ． 2 0 8 l 4 2 9 9 1 4 2 3 3 ． 2 8 2 7 4 ． 0 4 2 2 ． 9 8 5 1 ． O 5 7 0 ． 2 0 0 1 4 2 8 1 0 2 0 4 0 3 ． 3 0 4 l 4 ． 0 2 8 2 ． 9 7 3 1 ． O 5 5 O ． 1 8 8 1 5 2 7 1 1 3 6 5 1 4 ． 0 3 4 1 4 ． 01 7 2 ． 9 6 3 1 ． O 5 4 O ． 1 8 O 1 5 2 6 l 1 4 1 6 4 4 ． 0 6 6 0 4 ． O 0 4 2 ． 95 1 ． 0 5 4 O ． 1 7 4 1 5 2 6 1 1 4 5 7 2 4 ． 1 0 7 5 3 ． 9 9 7 2 ． 9 4 3 1 ． O5 4 0 ． 1 6 9 1 5 2 6 1 1 5 O 8 1 4 ． 1 4 9 5 3 ． 9 9 3 2 ．9 3 9 1 ． O5 4 0 ． 1 6 5 l 5 2 6 1 1 5 5 8 7 4 ． 1 9 1 2 0 3 ． 9 9 2 ． 9 3 6 1 ． O 5 4 0 ． 1 6 l 5 2 6 1 1 5 8 9 3 4 ． 2 9 1 7 0 3 ． 9 8 4 2 ． 9 3 1 ． 0 5 4 0 ．1 5 8 1 5 2 6 1 1 6 O 9 8 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 相 比原 支护 减 少 了 6 5 ． 4 ，两 帮 移 近 量 相 比 原支护 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 O 。 5 结 论 ① 高 强可 变 形 让 压锚 杆 、W 钢 带 十 鸟 巢锚索联合 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 臌量 占整个顶 底 板 移 近量 的 8 2 以上 。在 同一 时问段 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 可变 形 让 压 锚 杆 、W 钢 带 鸟巢 锚索联合 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 。 ③检测数 据 表 明高 强 可变 形 让 压锚 杆 、 W 钢带 鸟 巢 锚索 联 合 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 、W 钢 带 鸟 巢锚索联 合支 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 98 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 O 02 ． 作者 简介 黄 庆 显 男 ，1 9 6 5年 出 生 ，毕 业于平 煤职工 大学 。现任平 顶 山煤 业集 团公 司 四矿 开 拓 副矿 长 ，高 级 工 程 师 。联 系 电 话 0 3 7 5 2 7 3 4 3 7 5 ； 电 子 信 箱 h u a n g q i n g x i a n l 9 6 5 1 2 6 ． C O rn。 收稿 日期 2 0 1 0 1 1 2 3 ；责任编辑 黄 翔