专题-浅析大倾角煤巷锚杆支护技术的原理及应用.doc

1、浅析大倾角煤巷锚杆支护技术的原理及应用摘 要：随着煤矿的不断开采，近水平、易开采的煤层已经越来越少，因而必须有新的巷道支护理论与技术来指导巷道维护，以确保煤炭的安全生产1。大倾角煤巷锚杆支护技术已成为煤巷支护改革的发展方向，是煤矿实现高产高效生产必不可少的关键技术之一2。关键词：大倾角；锚杆支护；支护理论；煤巷1 引言锚杆支护作为采准巷道一种良好的支护手段在缓倾斜煤层中应用得非常成功，如何将锚杆支护应用到大倾角煤层中去，一直是人们关注的课题。本文就是结合香山公司的大倾角煤层设计了部分留顶煤的支护方法。实践证明，该支护技术取得了较好的技术、经济和社会效益。随着矿井产量和效率的不断提高，要求的巷道

2、断面越来越大，成巷速度越来越快，传统的棚式支护越来越不能满足生产需要。近年来，煤巷锚杆支护技术发展极为迅速。与棚式支架支护相比，锚杆支护显著提高了巷道支护效果，降低了巷道支护成本，减轻了工人劳动强度。更重要的是，锚杆支护大大简化了采煤工作面端头支护和超前支护工艺，改善了作业环境，保证了安全生产，为采煤工作面的快速推进创造了良好条件。目前，锚杆支护技术已在国内外得到普遍应用，是煤矿实现高产高效生产必不可少的关键技术之一。从1996年开始，我国在引进、吸收、消化国外先进技术经验的基础上，结合我国煤矿具体情况，经过大规模研究和试验，初步形成了适合我国煤矿条件的煤巷锚杆支护成套装备和技术。放顶煤工作面

3、沿底板掘进的顶煤巷道锚杆支护技术、冲击地压及破碎顶板锚杆支护技术等重点项目的顺利完成，成功地解决了困难回采巷道支护问题，显著扩大了锚杆支护的使用范围。例如，邢台矿区采用高强度锚杆支护系统和小孔径锚索支护技术，有效地控制了煤顶巷道和复合顶板巷道围岩的强烈变形，保持了巷道的稳定性，取得了显著的技术经济效益；兖州矿区采用高强度锚杆支护系统成功地解决了煤顶巷道支护难题，不仅支护效果好，技术经济效益显著，而且解决了以前采用棚式支架出现的煤层自燃等问题；新汶矿区冲击地压和破碎顶板条件下的巷道维护十分困难，采用高强度锚杆支护后，巷道围岩的强烈变形得到有效控制，稳定性得到可靠保证，而且显著降低了巷道支护和维修

4、费用。1998年以来，煤巷锚杆支护技术又有了新的发展。例如，潞安常村煤矿采用新型的小孔径树脂注浆联合锚固预应力锚索和高强度锚杆组合支护系统，成功地支护加固了多条大断面、围岩松软破碎、受地质构造和小煤柱影响的困难巷道，在没有影响矿井正常生产的条件下，保证了巷道安全状况，同时节约了大量支护费用；西山矿区在原有锚杆支护技术的基础上，又与科研院所合作进行了全面、系统的开发研究，形成了西山矿区煤巷锚杆支护成套技术，解决了复合顶板巷道、近距离煤层巷道等多个支护难题，每年节约上千万元的支护费用；阳泉矿区集中精力进行了综采放顶煤回采巷道锚杆支护技术攻关，不仅圆满解决了顶煤巷道支护难题，而且取消或简化了工作面超

5、前支护和端头支护，显著提高了采煤工作面的推进速度；兖州矿区采用高强度锚杆与锚索成功地支护了综采放顶煤沿空掘巷支护难题，进一步扩大了锚杆支护技术的使用范围。2 煤巷锚杆支护技术2.1 锚杆支护理论完善的锚杆支护理论是正确设计锚杆支护参数的基础，随着煤巷锚杆支护技术在我国的应用，近年来，锚杆支护理论研究有了进一步的发展，基于高预应力锚杆的应用，本文提出了基于高水平地应力的”刚性梁”理论及基于高垂直地应力的”刚性”墙理论。2.1.1 现有锚杆支护理论(1) 悬吊理论悬吊理论对锚杆支护机理作出了最朴素的解释：锚杆的作用在于将下位松软和/或破碎岩层悬吊于上位坚硬岩层。对于在巷道顶板一定范围内存在坚硬岩层

6、时，采用悬吊理论进行锚杆支护设计是完全可行的，也是最简单、最经济的方法。(2) 组合梁理论组合梁理论是从经典的材料力学中借用而来的。在美国七十年代无拉力全长胶结锚杆盛行时，组合梁理论被广泛用来解释锚杆的支护机理，其主要要点是：锚杆将各个薄的岩石分层贯穿在一起形成一个厚的组合梁，薄的岩石分层能独立抗拒的拉应力较小，而厚的组合梁抗拉强度大大提高。在锚杆与岩石层面横交处，锚杆与胶结物一起共同阻止岩层沿层理面的水平错动。材料力学中的组合梁理论本身不考虑水平侧压的影响，而只考虑垂直载荷。(3) 组合拱理论组合拱理论认为：在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿

7、巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱(亦称组合拱或压缩拱)，这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向载荷。在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大。因此，锚杆支护的关键在于获取较大的承压拱厚度和较高的强度，其厚度越大，越有利于围岩的稳定和支撑能力的提高。组合拱理论在一定程度上揭示了锚杆支护的作用原理，在岩石或煤层拱形巷道中可以作为锚杆支护参数的设计依据。(4) 围岩松动圈支护理论围岩松动圈理论认为： 地应力与围岩相互作用会产生围岩松动圈； 松动圈形成过程中产生

8、的碎胀力及其所造成的有害变形是巷道支护的主要对象，松动圈尺寸越大，巷道收敛变形也越大，支护越困难。 依据松动圈的大小采用不同的原理设计锚杆支护。小松动圈(040cm)采用喷射混凝土支护即可；中松动圈(40150cm)采用悬吊理论设计锚杆支护；大松动圈(150cm)采用组合拱原理设计锚杆支护参数。由于围岩松动圈是随着时间、巷道支护形式及支护强度的变化而变化，并且在同一断面上由于岩性的差异，围岩松动圈的大小也是不一样的。所以，在复杂条件下围岩松动圈理论(如煤巷、软岩巷道)并没有得到应用。松动圈支护理论对于锚杆支护的指导作用主要在于确定普通锚杆(如普通圆钢锚杆、水泥药卷锚杆等等)的适用条件和范围。(

9、5) 最大水平地应力理论自从八十年代以来，水平应力对巷道稳定性的影响已经引起了人们的普遍关注。澳大利亚W.Gale博士，通过数值模拟分析及现场观测，得到了水平应力对巷道稳定性的最基本的认识：巷道轴向与最大主应力方向平行时，巷道受水平应力的影响最小；二者垂直时，巷道受水平应力的影响最大；二者呈一定夹角时，巷道其中一侧会出现水平应力集中而另一侧应力较低，因而顶底板的变形会偏向巷道的某一侧。并提出在最大水平地应力的作用下，顶底板岩层易于发生剪切破坏，出现错动与松动而造成围岩变形，锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动，因此要求锚杆必须具有强度大、刚度大、抗剪切阻力大的特点才能起

10、到约束围岩变形的作用。所以，澳大利亚锚杆支护特别强调锚杆高强及全长胶结。2.1.2 锚杆支护新理论根据垂直地应力v与水平地应力h的关系，可以将地层的应力状态分为四种情况：即 高水平应力状态：当hv/(1-) 低水平应力状态：当hv/(1-) 正常水平应力状态：当h=v/(1-) 静水应力状态：h=v相同的岩体，在不同的应力状态及开挖环境下所表现出的力学响应是不相同的，所以，锚杆支护参数的设计必须根据不同的地应力特征而选择不同的锚杆支护理论。(1) 基于高水平地应力状态的”刚性”梁理论近几十年来，美国、澳大利亚、英国等国家的地应力观测结果表明：水平最大应力通常是垂直应力的1.252.5倍，水平应

11、力的大小、方向主要取决于地球板块之间的运动，而与垂直应力没有直接关系。我国一些矿区的地应力测试结果表明，大部分矿区的地应力是以水平地应力为主的，如金川，大同、邢台、峰峰、鹤壁、新汶、兖州等等。所以，在这种情况下水平地应力才是控制巷道稳定性的主要因素，煤巷锚杆支护的理论与设计方法必须充分考虑水平地应力的影响。在美国，由于使用无拉力全长胶结锚杆的巷道冒顶现象仍然不断发生，于是人们试图从改变锚杆结构入手解决巷道冒顶问题，其中最重要的一点就是使用抗摩擦塑料垫圈。这一改进使得实现顶板锚杆高预拉力成为可能，美国矿山巷道锚杆的预应力一般为10kN左右，可以达到锚杆杆体本身屈服强度的50%75%。实践证明，在

12、美国，高预拉力锚杆的使用提高了复杂顶板条件下的顶板稳定性，大大降低了冒顶事故。尽管高预拉力锚杆在美国使用已有相当一段历史并取得极佳的技术经济效果，但直至几年前人们对其作用机理还缺乏认识，特别是还没有一个科学的设计依据去确定锚杆参数。美国J.Stankus和SongGuo系统地研究了水平地应力对巷道稳定性的影响，认为水平地应力是造成巷道顶板离层跨落、底板鼓起的主要原因，但可以通过提高巷道顶板锚杆预应力，将水平地应力的消极影响变为积极的作用，从而极大地提高巷道的稳定性，并开始在锚杆支护设计中考虑锚杆预应力的影响。中国学者朱浮声、郑雨天的研究表明：当锚杆预应力达到6070kN时，就可以有效控制巷道顶

13、板的下沉量，并可以加大锚杆的间排距。基于大量采用高预拉力锚杆的成功实践经验，作者提出了关于基于高水平地应力的锚杆”刚性”梁支护理论。(2) 基于垂直地应力的锚杆支护理论“刚性”墙理论长期以来，人们普遍认为水平地应力一般小于垂直地应力，并把垂直地应力作为控制巷道围岩稳定性的主要因素。事实上，我国一些矿区或者同一矿区的不同深度的地层应力是以垂直地应力为主的，如新汶矿务局的华丰煤矿。基于对高预拉力锚杆作用的认识，作者提出了基于垂直地应力的锚杆支护理论”刚性”墙理论，其基本内容如下： 在垂直地应力的作用下，巷道两帮成为薄弱环节，所以两帮锚杆预拉力(或称初撑力)的大小对整个巷道的稳定性具有至关重要的作用

14、。当预拉力大到一定程度时，使巷道两帮形成”刚性”墙，提高了巷道两帮的刚度与承载能力，”刚性”墙的存在形成了垂直地应力的转移”通道”，使巷道顶板成为一个免压区，保护巷道顶板不受垂直压力的破坏，如图2.1-1。图2.1-1 垂直地应力在巷道两帮形成的应力”通道” 在垂直应力占主导地位的情况下，与高水平地应力的情况下”先控顶，后护帮”的支护理念相比，当垂直地应力成为控制巷道稳定性的关键因素时，巷道的支护原则是”先护帮，后控顶”。“刚性”墙的存在，降低了巷道顶板的有效跨度，从而提高了巷道顶板的承载能力，减少了巷道顶板离层冒顶的可能性。(3) 基于低水平地应力的”冒落”拱或组合拱理论由于高地应力引起的严

15、重工程问题已引起地下采矿工作者的重视，高地应力问题及其对地下工程稳定性的影响已有深入的研究，但由此对地应力的评价也会引起一些误解，认为地应力越低越好，而实际上，巷道围岩受压破坏仅是岩石的一种破坏形式，沿结构面的剪切滑移及张拉破坏也是其重要的破坏形式。在低水平地应力状态下，松散结构或碎裂结构岩体在巷道开挖过程中就容易引起冒顶，所以，在这种情况下，采用锚杆支护往往在施工过程中就非常困难，此时需要采用”冒落”拱理论或组合拱理论进行锚杆支护参数设计，可参阅有关文献。即使可以采用锚杆支护，在煤巷支护中亦应该采用小断面，以利于组合拱的形成。2.2 锚杆支护设计方法现有的锚杆支护设计方法很多，如基于以往经验

16、和围岩分类的经验设计法，基于某种假说和解析计算的理论设计法，以现场监测数据为基础的监控设计法。大量实践经验证明，单独采用任何一种方法都不符合巷道围岩复杂性和多变性的特点，因而设计效果不够理想。在多年锚杆支护实践经验基础上，根据煤巷特点，借鉴国外先进技术经验，我国提出了锚杆支护设计的动态信息法。2.2.1 动态信息设计法简介动态信息设计法具有两大特点：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。该设计方法包括五部分：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