专题-松软煤层回采巷道锚杆支护技术.docx

1、松软煤层回采巷道锚杆支护技术摘要：采用理论分析、数值计算和工程实践对松软厚煤层巷道围岩稳定原理与技术进行了研究，提出了该类巷道围岩稳定原理：松软煤帮是控制的关键部位，加固两帮、实现两帮稳定既能有效控顶，又能减小底鼓。通过采用高预紧力、高阻力锚杆支护，以及台阶式开挖、高帮注水、合理刷帮等控制片帮技术，实现了松软煤层巷道的稳定控制。该技术成功应用于工程实践，可为类似条件巷道支护提供参考。关键词：松软煤层；锚杆支护；围岩控制；片帮控制；底鼓控制1 前言 中国能源资源的特点是富煤少油缺气，煤炭资源丰富，油气等资源相对较少。在今后较长时期里，煤炭仍然是中国的主要能源。我国长期维持以煤为主的一次能源消费结

2、构，2007年，我国消费总量达到26.5亿吨标准煤，其中煤炭占到69.4%。改革开放以来，尽管我国能源供需多次出现失衡状况，但总体上能源消费和生产结构还是朝着以煤为主的方向发展。2002年之前，能源供求相对宽松，煤炭在能源消费构成中比重略低，但这之后，经济发展速度加快，经济结构重型化加剧，导致能源需求大幅上升，煤炭在能源结构中比重止跌回升。按照“十二五”期间的初步设想，煤炭在一次能源消费结构中的比重应逐步下降，由70%以上逐渐下降到65%左右。2011年我国能源生产和消费结构出现逆调整，煤炭在生产和消费中所占比重不降反升。根据煤炭行业协会统计，2011年我国煤炭产量35.2亿吨，约占一次能源生

3、产总量78.6%；煤炭消费总量35.7亿吨，约占一次能源消费总量72.8%。煤炭生产和消费总量同比分别增加2.1和1.9个百分点。与此同时，中国每吨标准煤的产出效率仅相当于日本的10.3%、欧盟的16.8。未来中国能源发展的战略方针是：“节能优先、效率为本，煤为基础、多元发展，立足国内、开拓国外，统筹城乡、合理布局，依靠科技、创新体制，保护环境、保障安全，以能源的可持续发展和有效利用支持经济社会的可持续发展”。为了提高我国煤炭产出率，松软煤层的产出率迫切需要提高。2 国内外锚杆支护研究现状及存在问题因煤层松软、破碎，易片帮、冒顶，松软煤层巷道难以支护。随着开采深度的增加，围岩应力增大，煤巷煤体

4、围岩的软岩特性更加突出，维护更加困难。松软厚煤层巷道一般沿顶掘进两帮与底板为松软煤体采掘影响下呈现出煤帮变形破坏严重、易片帮、底鼓量大的特征。因此，造成这种现象：在松软煤巷中施工巷道，掘进较容易，维护却极其困难，采用常规的施工方法和支护形式、支护结构，往往不能奏效。故松软煤巷的支护问题是巷道施工中很关键的问题。由于各矿区松软巷道的组成、结构和性质差异很大，迄今为止还没有一种能适应各矿区的施工方法和支护方式。2.1国内研究随着煤炭科技的发展，锚杆支护已成为当今世界煤炭开采技术的发展趋势。19961997年引进澳大利亚锚杆支护技术，在邢台矿务局进行了现场演示，基本上解决了一般条件下巷道支护问题，但

5、复合顶板、松软破碎煤层巷道锚杆支护技术在国内外的研究成果和应用实例还很少，尚处于研究阶段。2.1.1超前锚杆预支护作用机理的数值分析超前锚杆在巷道掘进过程中起预支护辅助性作用，作用机理为：超前锚杆与破碎岩块组成一个中间部位刚度极低的梁，而沿巷道周边的这种梁，在变形过程中调整上部破碎块体（移动或转动），使其形成三维的拱壳结构，从而充分发挥围岩自承能力，形成人为拱效应。为进一步分析超前锚杆的作用机理，寻求合理的布置形式和参数，采用了东北大学岩石破裂失稳研究中心唐春安教授开发的岩石（层）破（断）裂过程分析系统（Rock （Strata）Failure Process Analysis），简称RFPA

6、或SFPA来进行分析。1.单根超前锚杆对于单根超前锚杆在巷道开挖过程中不同阶段的顶板岩层位移的研究，是超前锚杆作用机理研究的基础，分析不同直径、不同布设角度的超前锚杆支护时顶板岩层的破坏状况，同时也是确定超前锚杆最佳工作状态的首要条件：图1为无支护和锚杆直径20ram、42mm，布设角度为27、45时巷道开挖岩层破坏弹模图（推进6m）。从图中可见，超前锚杆与巷道围岩相互作用，对锚杆上方的岩体起到向上的支承作用，减少了对锚杆下部岩体的压力，减轻或防止支护范围内岩体的冒落。但单根超前锚杆的作用范围是有限的，与锚杆的长度、直径以及布设角度都有一定的关系。选择何种长度、直径的锚杆，采用多大的布设角度，

7、要根据巷道围岩的强度以及破碎程度来确定。对于强度比较低、破碎程度较大的岩体，应先选用较长和直径较大的锚杆，同时布设角度相对较小，这样才能与巷道围岩内部完整岩体相互作用，充分发挥围岩的支承能力。图1 单根超前锚杆预支护巷道开挖围岩破坏弹模图2.超前锚杆群在单根超前锚杆作用机理研究的基础上，对超前锚杆群在推进方向上的作用进行了模拟研究，这是因为在现场应用中，由整个锚杆群的整体作用来防止破碎块体冒落。研究超前锚杆群的作用机理，对于选择合适的超前锚杆、最佳的布设角度和密度具有重要的意义。图2为锚杆直径20nm、42mm，布设角度为27、45时巷道开挖围岩破坏弹模图（推进6m）。在推进方向上，各锚杆之间

8、的作用范围相互叠加，形成扩大的支承拱，使超前锚杆群形成一个整体，增强了对巷道围岩的支承能力打入超前锚杆后，顶板的破碎已明显减少，需要指出的是，当超前锚杆的布设角度较大时，不仅超前锚杆群形成的支承拱影响范围较小，而且也不利于支承拱的形成。图2 超前锚杆群预支护巷道开挖围岩破坏弹模图2.1.2锚杆锚索联合支护的数值分析工程实践表明，无论是初次支护的巷道，还是实施了多次支护的翻修巷道，其支护体破坏是一个过程，总是从某一个或几个部位首先产生变形、损伤、破坏，进而导致整个支护体失稳。对于深部松散煤层巷道，采用传统的锚网支护已很难对顶板变形、下沉及破坏产生太大的抑制作用。经研究，决定采用锚杆锚索联合支护技

9、术，并运用RFPA软件对其进行试验模拟，观察巷道围岩的控制效果。1.锚杆支护巷道围岩变形特征从模拟结果（图3）能够看出支护后巷道顶板下沉量已明显减少，降低了10% 14%。2.锚杆锚索联合支护巷道围岩控制效果由于深部煤层巷道处于高应力松散煤层，传统的锚网支护对围岩的控制不能长久有效，在掘进一段时间后，其围岩破坏继续增大。经研究，在巷道开挖一段时间后，需在一定部位打入锚索，进行二次支护。通过模拟数值分析（图4），进行锚索二次支护后的巷道顶板下沉量降低了10%。图3 锚杆支护巷道上方1.5m岩层的位移图4 锚杆锚索联合支护巷道上方1.5m岩层的位移2.2国外研究英国和西德等西欧国家在五十年代就在煤

10、矿中使用锚杆支护，但发展比较缓慢，至今 90%以上的巷道仍使用金属支架，其主要原因是这些国家的煤层和顶底板岩层比较松软，开采深度较大，以前使用的锚杆支架结构对于松软岩层锚固力低，支护效果差而且不安全。但是，锚杆支架与金属支架比较，具有成本低、掘进速度快等特点, 煤矿巷道面大量广，推广锚杆支架将可能获得巨大的技术经济效益, 故他们一直在结合本国的开采条件进行试验研究。几年来他们在锚杆支护技术上取得了较大进展，开始在深度大、断面大、岩性较软的巷道和回采顺槽推广使用锚杆支护。综合介绍他们在该条件下使用锚杆支架的锚杆类型及主要技术特点。1.锚固方式由于楔缝、倒楔和涨壳式等属于点锚固，对于松软岩层锚固力

11、较低而且不可靠，目前均改用树脂胶囊锚固。胶囊与孔壁均匀接触，锚固力大而且可靠，并可根据需要改变锚固长度。一般锚固范围在0.5m左右, 锚固力一般达10t以上, 大者可达20t。每个胶囊的长度为300400mm, 根据条件要求使用不同固结时间的胶囊。使用的胶囊要求表皮容易撕破、搅拌均匀、固结后强度很快提高，同时要求防潮、防震、不污染、不影响人身健康，保证在井下安全使用。2.杆体和锚头锚杆杆体多用螺纹钢, 直径为2032mm 屈服强度为8.526.5t。因巷道断面大, 锚杆长度一般为2.5m左右。锚杆的锚头部分切成尖斜平面,便于刺破胶囊。有一种短锚杆, 锚头银压出若干个桨状的突块, 便于搅拌和增加

12、锚固力。除螺纹钢杆体外，在顺槽的煤层中也使用木锚杆, 这种木锚杆由两个半圆木粘在一起组成，材质是较好的硬木。直径为36mm的木锚杆，抗拉强度可达10t，抗剪强度2.5t。还有一种中间包有一根玻璃钢纤维芯的木锚杆（图5），其抗拉强度可达16t，抗剪强度达12t。木锚杆用于加固工作面煤壁和巷道煤帮，当采煤机采煤时，可以切掉木锚杆而不损失机器和产生火花。木锚杆可以几根串联起来，增加锚固的深度，其施工过程如图6所示。图5 玻璃钢芯木锚杆图6 玻璃钢芯木锚杆安装图3.垫板目前西德和法国使用的垫板呈圆帽形，直径约为200mm毫米，厚约5mm，中间有一个长椭圆孔。这种结构的垫板强度比平面状的垫板高得多，而且

13、可以相对于锚杆偏转, 使垫板和金属网紧接岩面，保证锚杆外端锚固的可靠性。4.伸长锚杆这种锚杆是由一种特殊钢做的。伸长锚杆的主要特点是钢材延伸率达4050%，其屈服限与破坏强度相差1.5倍。普通锚杆钢材的延伸率一般为16%，围岩变形大或岩层局部错动大时，锚杆可能拉断或剪断而丧失锚固力，同时因锚杆刚度大，围岩表面产生应力集中大，变形不均匀, 容易破坏脱落。伸长锚杆还有一个特点是屈服变形的范围大，因而总变形量大，其最大伸长量可达500mm以上。西德已开始用这种锚杆支护回采巷道，有一条断面为18m2, 用这种锚杆支护了200多米, 效果很好。目前这种锚杆的价格为普通锚杆的五倍, 但因其适用范围广，所以

14、，还是很有发展前途的。2.3关于锚杆的支护理论西德结合本国的开采条件对锚杆进行研究试验, 他们的指导思想是使锚杆支架具有金属可缩性支架的性能, 即允许围岩有较大的变形, 同时保持对围岩有足够的承载能力。这种观点和我国目前应用的锚喷支护理论和支护措施是不同的, 我国多数主张不允许围岩产生松动破坏, 一般不允许巷道产生大于100mm的变形, 并主张二次或多次复喷, 强调采用全长锚固（例如注水泥砂浆、管缝式或涨管式锚杆等）。但由于巷道受回采动压影响、深度大及岩层松软, 巷道一般变形都比较大, 围岩难免产生松动破坏, 因此, 在这些条下锚杆的支护理论和支护结构是应该深入研究的。西德埃森研究所编制了一套

15、设计锚杆参数的程序, 输入有关数据后, 在儿分钟内就可输出结果,画出巷道断面轮廓、围岩松动范围、锚杆布置图及打印出锚杆参数的数据。当然, 为了使这种电算结果有效地用于实际, 必须保证锚杆支护的理论是正确无误的。3 松软煤层回采巷道锚杆支护技术3.1.1 顶部锚杆的作用1.锚杆的早期作用分析巷道开掘阶段顶板破坏范围较小，此时锚杆的作用主要是控制顶部岩层(或煤层)的滑动、离层、失稳。锚杆安装越及时，予紧力越大，则效果越好。相反，如果锚杆没有予紧力，则只有当岩层（或煤层）产生一定变形时，锚杆才有载荷，显然不能控制在这以前顶板岩层的离层和失稳。予应力太小也不能起到良好效果，如果锚杆安装不及时，较大范围内的岩层已产生滑动、失稳、离层，岩层承载能力丧失很大，再补打锚杆也不会取得良好的效果。2.锚杆的中期作用掘进影响稳定后至采动影响前，此阶段主要是由于岩石的流变效应，致使随着时间推移，岩层强度不断降低，顶板下沉及锚杆受力逐渐加大，最后形成一定范围的破坏区，当巷道有煤柱时，残余支承压力也影响巷道围岩变形和破坏。此时锚杆的主要作用为：阻止锚固区域内的岩层离层及滑动，从而提高岩层的水平承载能力，在破坏区内形成次生承载层，它可以阻止上部破坏岩层的进一步离层；次生承载层形成后，会使上部岩层的应力分布趋于均匀和