深井复杂条件下底板岩巷预应力锚杆支护技术.pdf

第3 4 卷 第1 0 期 煤炭科学技术 2 0 0 6 年1 0 月 深井复杂条件下底板岩巷预应力锚杆支护技术 陈 稼 轩 1 ． 中国矿业大学，江苏 徐州2 2 1 0 0 8 ； 2 ．皖北煤电集团有限责任公司，安徽 宿州2 3 4 0 0 0 摘要任楼矿地质条件复杂，随采深增大巷道变形失稳和支护问题 日 趋严重，针对巷道地应力 高、顶板软弱等特点，在数值模拟研究巷道围岩变形机理的基础上，按照强化巷道顶部围岩、关键 部位加固、合理选择锚杆及参数的支护原则，确定了该条件下合理的支护形式和预应力锚杆支护参 数。 关键词 深部开采；底板巷道；预应力锚杆；数值模拟 中图分类号 T D 3 5 3 文献标志码 B 文章编号 0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 { 6 1 0 0 0 2 2 0 3 Te c h no l o g y o f pr e s t r e s s e d b o l t s upp o r t f o r r o c k flo o r g a t e wa y i n d e e p mi n e c o m p l i c a t e d c o nd i t i o ns CHEN J i a ． x u a n 。 ， 1 ． C h i n a U n i v e r s i t y o fMi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ； 2 ． W a n b e i C o a l a nd Ele c t r i c P o w e r G r o u p C o r p o r a t i o n L t d ． ，S u z h o u 2 3 4 0 0 0 ，C h i n a 任楼矿地质条件复杂 ，地应力较大 ，巷道变形 失稳严重 ，随着 向深部延伸，支护问题 日趋严重。 该矿岩巷一直采用 u型钢支架 支护 ，近年推广锚 杆 ，但支护效果不理想 ，支护问题仍制约着矿井 的 安全生产。本文通过借助 U D E C数值模拟软件研究 顶部开采对底板岩巷围岩变形机理的基础上，按照 强化巷道顶部围岩、关键部位加固、合理选择锚杆 及支护参数 的原则提出了该条件下控制巷道围岩变 形可行技术方案。通过现场实践，采用预应力锚杆 和关键部位锚索加固的联合支护技术对于控制该条 件下巷道围岩变形 ，保证矿井安全生产起到了积极 的作用。 1 地质条件与巷道失稳状况 1 ． 1 地质条件 任楼煤矿是皖北煤电集团的主力生产矿井 ，设 计年产量 1 5 0万 t ，于 1 9 9 7年建成投产。属淮北煤 田，位于徐宿弧形构造的前缘地带 ，童亭背斜东南 翼地层走向转弯部位， 构造复杂，地应力高。矿井 分两个开采水平 ，即 一 5 2 0 m和 一 7 2 0 m，共有 6 层可采煤层 ，目前主要开采 7 煤和 8 煤。 本文所研究的I I 。 轨道和运输下山都在 8 煤层 底板的泥岩中掘进，倾角为 1 7 。 ，距8 煤底板约 1 5 2 2 ～ 2 0 m，8 2 煤距 7 2 煤约 1 5 m，则下山距 7 2 煤层约 3 0 m以上 ，为 I I 。 采 区生产 的的必经之道 。两条下 山与工作面位置关系如图 1 所示 。 7 2 煤 8 2 煤 图 1 上部工作面 与下 山巷道 的空间位置关 系 1 ． 2 巷道失稳状况 近年来 ，由于受 果动、构造 、布置、支护及煤 柱留设等综合因素影响，该矿煤、岩巷道受采动影 响变形和破坏严重，巷道维护困难，失修率高。 表 1为对任楼矿巷道失稳状况的调查结果 。 表 1 巷道失修状况调查 维普资讯 第 3 4 卷 第1 0 期 煤 炭科 学 技 术 2 0 0 6 年1 0 月 从表 1 可以看出两类巷道翻修长度接近或超过 巷道总长的5 0 ％，以跨采巷道受影响最重。再如 大巷、石门局部地段的修复为 2 3次，上 下 山、采区车场及相应硐室修复次数高达 3 5 次。 2巷道围岩变形机理的数值模拟 为了分析上部工作 面开采 时对底板岩巷 的影 响，解决跨采巷道支护问题，借助 目 前岩土工程常 用的非线性数值分析方法， 通过 U D E C软件计算得 到跨采巷道周边围岩的应力和变形。掌握了该复杂 地质条件下巷道围岩的变形机理 ，从而有针对性地 提出合理的支护形式 和锚杆支护参数。 2 ． 1 数值模拟模型与条件 为模拟工作面开采对下覆岩层的影响，建立沿 倾斜剖面平面应变模型 ，模型范 围取 4 0 0 m1 0 0 m。按 围岩条件模 型共 1 9个岩层层 位，模 型两侧 面为滑动支承 ，底部为固定支承 ，上部岩层的作用 力 以应力边界条件体现。根据地应力测试结果 ，在 边界上施加相应的垂直应力及水平应力 ，垂直应力 为 1 5 MP a ，水平应力为 1 2 MP a 。围岩物理力学性 质见表 2 。节理特性考虑采动影响 ，围岩本构关系 采用 Mo h r C o u l u mb模型。 表2 主要岩层物理力学指标 2 ． 2 巷道 围岩变形机理 工作面采动时，对底板巷道的影响是逐步增大 的，通过模拟着重研究工作面跨采过程中及跨采后 对巷道的表面变形情况，围岩塑性区分布，垂直应 力与水平应力分布，垂直与水平位移分布等特点。 图2 a 和 2 b 所示分别是轨道和运输下山围岩塑性区 分布局部放大图。图3 a 和3 b 分别为工作面跨采时 水平和垂直应力分布。 分析数值模拟结果， 巷道围岩变形机理为 1 围岩塑性 区反映 了巷道 围岩的破坏部位 和程度， 运输下山和轨道下山两者的分布情况大体 相同，两肩的破坏深度要 比两帮及底角大。 一 一 b 图2 轨道、运输下山围岩塑性区分布 应力单位 MP a 图3 围岩应力分布 2 围岩位移趋 势不尽相 同运输 下 山左肩 围岩变形趋势 向上偏左 ，而右肩围岩变形趋势则 向 下偏右 ，左底角围岩变形趋势 向上 ，右底角围岩变 形趋势大致呈水平状。轨道下 山和运输下山的围岩 变形趋势大体相同，只不过在轨道下山的左底角围 岩变形趋势向上偏左。 3 受工作面跨采应力分布影响，运输下山 在肩部及底 角处 水 平应 力量 值较 大 ，分别 为 3 0 MP a 和 2 7 MP a左右 ；轨道下 山围岩水平应力普遍 保持在 2 7 MP a较高的水平 。 4 巷道 的基本变形 中主要 以顶板下沉和底 板的大量鼓起为主。巷道围岩塑性区分布较大，且 巷道顶板和底板中部均出现了不同程度的拉断区， 5 由于巷道埋深大 ，构造 复杂 ，高地应力 是造成巷道较大变形和较大塑性区的根本原因，采 动影响是巷道发生变形失稳的诱因。 3 巷道锚杆支护设计 3 ． 1 巷道支护形式设计 依据数值模拟顶部工作面开采时底板巷道的围 岩位移分布、应力分布等特征，对巷道支护形式和 锚杆参数进行设计 。考虑到最大垂直应力和水平应 力均出现在肩角和顶部 ，故设计巷道断面上帮采用 受力状态较好 的拱形断面 ，下帮则采用直墙式。断 面形状如图4所示。 2 3 维普资讯 第3 4 卷 第1 0 期 煤 炭 科 学 技 术 2 0 0 6 年1 0 月 3 ． 2 巷道基本支护参数 预应力锚杆支护作为主动支护方式，其不仅对 围岩提供主动的支护阻力，改善围岩应力状态，更 关键的是锚杆与围岩相互作用，组成锚固体，形成 锚杆 一围岩的共同承载结构，改善了锚固岩体的力 学性能，提高了锚固岩体的强度，使岩体强度，特 别是峰后强度和残余强度得到强化。充分发挥围岩 的 自承能力 ，使巷道围岩由不稳定向稳定转化 J 。 针对试验巷道顶板软弱，底鼓量大，两帮移近 量大 ，地应力高等特点 ，按照强化巷道顶部围岩 、 关键部位加固、高阻让压支护、合理选择锚杆及支 护参数以及实行安全监测的支护原则。巷道支护设 计方案如图4所示 ，具体参数如下 。 图4 巷道断面及支护设计方案 1 巷道全断面仍使用 1 3 根左旋无纵筋螺纹 钢锚杆进行 支护，规格均 为 2 m m 2 4 0 0 mm， 其间距分为两种，如图中所示，两顶角锚杆间距为 6 5 0 m m，其余均为8 0 0 m m，锚杆均对称布置。底 角锚杆角度为 3 0 。 ，其余锚杆均垂直于巷道岩面布 置。下底角锚杆距底 板高度约为 3 0 0 m m。每根锚 杆均采用型号为 Z 2 3 8 0的中速药卷 1 卷加长锚固， 2 考虑到巷道围岩变形特点，在肩角和拱 顶位置采用4 , -f L 径锚索进行加强支护 ，锚索布置在 锚杆排中间，其位置如图4 所示，每断面 3 根，垂 直岩面布置。顶部锚索长度为 5 ． 3 m 拱顶锚索为 6 ． 3 m ，3 0 0 m m长 1 8号槽钢 1 块与 1 0 0 m m1 0 0 m m1 0 m m 的平钢板 1块配合做为锚索托板， Z 2 3 8 0的中速树脂药卷 2支 ，预拉力为 1 0 0 k N。 3 巷道全断 面均铺设 均铺金属 网、钢 筋梯 子梁 ，其规格与锚杆相适应 ，每个断面用 3条钢筋 梯 ，拱顶 1条 ，两帮各 1 条 ，钢筋梯彼此用锚杆压 紧 ，避免围岩变形后张开 。钢筋梯设计与锚杆眼位 2 4 相对应。 4 为提高锚杆的预拉力，保证锚杆作用的 充分发挥，要求锚杆首先用钻机上紧，在此基础 上，尽可能通过其它措施加大锚杆的预紧力，保证 锚杆对巷道围岩提供够的预紧力，一般要求预紧力 达到 2 0 k N以上。 4 支 护效 果分析 通过现场实测 ，从表面变形看工作面跨采过运 输下 山过程 中累计两 帮相对移近量为 1 7 3 m m，顶 底板的相对移近量 6 0 7 mm，底鼓量为 3 4 1 m m，其 中跨后两帮趋向稳定，而底鼓量仍是顶底板相对移 近量占主要的方面。轨道下山的围岩表面变形与运 输下山的变形规律基本类似。 可以看 出采用预应力锚杆支护后 ，巷道围岩的 自承载能力大大提 高，巷道 的整体稳定性 得到提 高 ，强化巷道顶部围岩的目的达到了，顶部的强化 使得两帮的表面变形得到控制。说明锚杆支护设计 是合理的，取得了良好的围岩控制效果。 5 结 论 1 数值模拟结果表明，两肩的破坏深度要 比两帮及底角大。肩部及底角处水平应力量值较 大 ，巷道的基本变形 中主要以顶板下沉和底板的大 量鼓起为主。 2 根据巷道围岩变形机理的数值模拟结果 确定了巷道支护体系和锚杆支护参数。 3 针对巷道地应力高、顶板软弱等特点， 提出了强化巷道顶部围岩 、加固两帮、高阻让压支 护、合理选择锚杆及锚固形式以及实行安全监测的 支护原则是有效的。 参考文献 [ 1 ] 侯朝 炯 ，勾 攀 峰 ．巷 道锚 杆 支护 围 岩强 度强 化 机理 研究 [ J ] ．岩石力学与工程学报 ，2 0 0 0 3 ． [ 2 ] 万志军，李学华 ，刘长友，等 ． 深井复杂条件下回采巷道 高强度锚杆支护技术 [ J ] ，煤炭科学技术 ，2 0 0 4 6 ． [ 3 ] 李学华，王卫军 ， 侯朝炯 ．加固顶板控制巷道底鼓的数值 分析『 J ] ． 中国矿、 比大学学报 ，2 0 0 3 1 ． 作者简介陈稼轩 1 9 7 3一 ，男，安徽宿州人，博士研究 生 ， 现在安徽皖北煤电集团有限责任公司团委工作。联系人 李学 华 ，T e l 0 5 1 6 8 3 8 8 3 4 4 5，Ema il l s x h 2 0 0 1 1 2 6 ． t o m 收稿 日期2 0 0 6 0 5 0 2 ；责任编辑朱拴成 维普资讯