专题-巷道锚杆支护.doc

1、专题部分巷道锚杆支护摘要煤巷锚杆支护的技术已趋于成熟但是锚杆支护仍然存在较多问题。第一，锚杆支护工程隐蔽性强，监测技术不能完全满足煤矿的需要，安全可靠根本没有保证。第二，我国煤炭资源分布范围广，地质条件复杂多变，好多复杂地质条件下锚杆支护并未达到理想的支护效果。该设计是从锚杆支护的隐蔽性和我国复杂多变的地质条件等特点出发。围绕这些特点，从杆体材料，加工方法，支护设计理念、施工质量，检测设备，监测手段等方面入手进行试验研究，提高支护质量，实现高产高效。关键词：巷道；锚杆支护；高强度锚杆；监测1问题的提出由于锚杆支护能够改变围岩的力学特性，能获得良好的支护效果，带来传统支护方式无法比拟的技术经济效

2、益，在国内外已受到了普遍的重视并得到了快速的发展及广泛的应用。因此，探索正确的巷道支护理论、选择安全可靠的支护方法、确定经济合理的支护参数以及实用高效的施工工艺成了长期以来人们所致力解决的一个重大理论及技术课题，对于煤矿来说具有重大意义。锚杆支护是巷道支护的一次重大革命，它可以起到加固、悬吊、合成梁和挤压连接体等作用，在支护中使用锚杆可以改变岩体的受力状态，不仅增加了岩石本身的稳定程度，而且使被支护岩体由荷载变为承载体，提高了岩体承载能力。同时，大量工程实践表明，锚杆支护具有用料节省、巷道断面利用率高、支护及时、劳动强度小、经济效益高以及对巷道围岩变形的适应性好等诸多优。因而，井下巷道采用锚杆

3、支护是一种行之有效的支护手段，成为世界主要产煤国家煤矿支护的主要形式，美国、澳大利亚的煤矿巷道普遍采用锚杆支护，其支护比例己接近100%，英法两国煤巷的锚杆支护比例也分别达到了50%和80%以上，而我国煤矿锚杆支护在煤巷中仅占20%左右，和世界先进水平相比存在较大差距。其主要原因是巷道事故率很高。巷道变形破坏、片帮冒顶等事故在地下工程中是最常见的。据不完全统计，煤矿事故中59%以上是巷道事故。究其原因，还是对巷道变形破坏规律认识不清、支护理论不完善，从而造成支护设计工程类比居多，缺乏科学的指导，巷道支护方式选择不合理，因而也就无法保证巷道在不同地质条件下稳定和安全使用。所以本文系统的介绍锚杆支

4、护。2煤矿巷道锚杆支护应用实例分析2.1巷道锚杆支护理论的发展随着巷道锚杆支护技术的快速发展，对锚杆支护理论的研究也取得较大进展。在大量理论分析、实验室试验、数值模拟及井下试验研究成果的基础上，进一深化了对锚杆支护作用本质的认识，指导和促进了煤巷锚杆支护技术的推广应用。基于锚杆对煤岩体的作用，提出多种锚杆支护理论。除传统的悬吊、组合梁与加固拱外，还有围岩松动圈支护理论、围岩强度强化理论等。归纳起来有3种模式：(1)被动地悬吊破坏或潜在破坏范围的煤岩体；(2)在锚固区内形成某种结构(梁、层、拱、壳等)；(3)改善锚固区围岩力学性能与应力状态，控制围岩变形与破坏。通过不断深入的研究后发现，锚杆支护

5、的本质作用以第3种模式为主。同时，借鉴国内其他行业岩土锚固理论与实践应用成果以及美国煤矿锚杆支护理论与实践发现，巷道开挖后立即支护，并施加足够高的安装力，即锚杆、锚索预应力，提高锚固体的刚度是非常重要的。从巷道支护过程看，传统的深部及复杂困难巷道大多采用二次支护理论。但目前很多巷道二次或多次支护仍然不能有效控制围岩变形与破坏。怎样才能有效解决深部及复杂困难巷道支护难题?能否通过有效技术途径，实现次支护，其技术关键是什么?为了回答这些问题，进行了大量的理论研究、数值模拟及井下试验，提出了高预应力、强力支护理。其核心是强调锚杆、锚索预应力及其扩散对支护效果的决定性作用，采用高预应力、强力锚杆组合支

6、护，通过合理的支护设计，实现一次支护。该支护理念的提出主要考虑以下两方面：(1)首先一次支护是矿井实现高效、安全生产的要求。随着采煤工作面推进速度与产量的大幅度提高，要求服务于回采工作面的顺槽应在使用期限内保持稳定，基本不需要维修；对于大巷和硐室等永久工程，更需要保持长期稳定，不能经常维修。再则，很多巷道与硐室掘出后就要安装设备，给二次支护及后续的维修施工带来很大困难，而且存在不安全因素。(2)更重要的是一次支护是锚杆支护本身的作用原理决定的。锚杆支护的基本原理与设置在巷道开挖表面的支护有本质的区别。由于煤岩体基本上属于不连续体，也不能用研究连续体的方法分析锚杆支护的作用。要充分发挥锚杆的支护

7、作用，必须保证锚杆有足够的锚固力，而且锚杆的工作阻力能够有效地扩散到围岩中。而围岩离层、滑动、裂隙张开及新裂纹的产生等不连续变形恰恰是影响锚固力，阻隔锚杆工作阻力扩散的主要因素。大量的井下工程实践表明，巷道围岩一旦揭露立即进行锚杆支护，并施加足够的预应力，能够控制围岩早期离层，支护效果最佳；而在已发生离层、破坏的围岩中进行锚杆、锚索支护，虽然有时支护体受力很大，但支护效果不明显。2.2煤巷锚杆支护成套技术煤巷锚杆支护成套技术是一个庞大的系统，包括巷道围岩地质力学测试、锚杆支护设计、支护材料、施工机具与工艺、支护工程质量检测、矿压监测、特殊地质条件支护技术等诸多方面。2.2.1巷道围岩地质力学测

8、试技术巷道围岩地质力学测试主要包括地应力、煤岩体强度与结构测量。在地应力测量方面，煤矿井下主要采用应力解除法与水压致裂法。应力解除法主要采用国内研制的测量仪器，也有些矿区引进了澳大利亚等国家的仪器与技术，进行原岩应力与次生应力测量。对于水压致裂法，除从地面钻孔测量外，煤炭科学研究总院开采设计研究分院开发研制了专门用于煤矿井下的小孔径水压致裂地应力测量仪器，在全国20多个矿区进行了300余个测站的测量工作，获得大量宝贵的测量数据。在煤岩体强度测试方面，开发出钻孔触探法井下煤岩体强度原位测定装置，在井下钻孔中能够快速、准确地测量煤岩体的抗压强度。在煤岩体结构观测方面，开发出矿用电子钻孔窥视仪，可快

9、速、清晰地观测煤岩体中的节理、层理、裂隙等结构面及离层。全面、可靠的地质力学参数为巷道布置和支护设计提供了必要的基础参数。2.2.2锚杆支护设计方法目前，煤矿巷道锚杆支护设计普遍采用动态信息设计法。设计不是一次完成的，而是一个动态过程；充分利用每个过程中提供的信息，实时进行信息收集、信息分析与信息反馈。进行锚杆支护设计时，锚杆与锚索支护各构件之间的相互匹配对发挥各构件及支护系统的整体支护效果具有十分重要的作用。锚杆托板、螺母应与杆体的强度匹配，锚固剂的力学性能应与杆体匹配，组合构件及金属网的形式与力学参数应与杆体匹配。锚索与托板、组合构件及金属网之间的相互匹配与锚杆类似。高预应力、强力锚杆杆体

10、应配套高强度拱形托板、高强度螺母及高效减摩垫片，组合构件应配套强度与刚度比较高、护表面积比较大的w型钢带，金属网最好采用强度与刚度高的钢筋网。对于高预应力、强力锚索，应使用高强度、拱形大托板，实现锚索预应力与工作阻力的有效扩散。否则，任何支护构件的破坏都会影响支护效果，甚至有可能导致整个支护系统的失效。此外，锚杆与锚索的形式、参数与力学性能应相互匹配，使锚杆与锚索共同发挥支护作用，避免各个击破。2.2.3锚杆支护材料锚杆支护材料经历了低强度，高强度，到高预应力、强力支护的发展过程。普通Q235圆钢黏结式锚杆是我国煤矿曾经广泛使用的锚杆型式。目前，一些地质条件简单的矿区仍在使用。为了适应复杂困难

11、巷道条件，开发出高强度螺纹钢锚杆支护系列材料(见表2-1)。表2-l 锚杆杆体物理力学性能通过杆体结构与形状优化，有利于提高锚固效果；通过开发锚杆专用钢材，达到高强度和超高强度级别。在预应力锚索支护方面，开发出煤矿专用的大直径、高吨位锚索。索体直径最大达22 mm，拉断载荷达600kN(28J。2.2.4锚杆支护施工质量检测与矿压监测在锚杆施工质量检测方面，开发出系列锚杆拉拔计，锚杆预紧力检测器具，及声波锚杆锚固质量检测仪。在巷道矿压监测方面，开发出各种测量表面位移、顶板离层、深部位移的仪器12引，及测量锚杆、锚索受力的系列仪器。近年来，还研制出先进的巷道矿压综合在线监测系统。井下采集数据，传

12、输至井上，可实时进行矿压监测与数据分析。2.2.5锚固与注浆联合加固技术在松散破碎的煤岩体中开掘巷道，单独采用锚杆支护，锚固效果差，锚杆性能不能充分发挥。此外，对于破坏巷道维修或翻修，单独采用锚杆支护也很难取得较好的支护效果。将锚固与注浆加固技术有机结合，是解决破碎围岩巷道支护的有效途径。根据煤矿巷道的特点，开发出不同形式的注浆锚杆。对于极破碎煤岩体，还引进和研制出钻锚注加固技术，解决了难成孔的破碎煤岩体加固难题。在小孔径树脂锚索基础上，研制出树脂与注浆联合锚固锚索。通过控制注浆参数，达到注浆加固的目的。注浆材料除常用的水泥基材料外，还开发出不同类型的化学加固材料，如聚氨酯、脲醛树脂等，以适应

13、不同的围岩条件。2.3典型应用实例分析煤巷锚杆支护技术已经广泛应用于煤矿井下各类巷道。从大巷、集中巷，到回采巷道；从薄及中厚煤层回采巷道，到综采放顶煤工作面煤顶巷道和全煤巷道；从近水平煤层、缓倾斜煤层巷道，到急倾斜煤层巷道；从顶板比较稳定的巷道，到复合、破碎项板巷道：从实体煤巷道，到沿空掘巷和沿空留巷；从小断面巷道到大断面开切眼与交岔点；从浅部巷道，到深部高地应力巷道，涵盖了我国煤矿的各种巷道类型。2.3.1煤矿巷道类型与特点煤矿巷道有很多类型。按用途划分，有为开采水平服务的大巷、主要石门、主要上下山，这类巷道是矿井的主要通道，服务年限长；为采区服务的巷道，采区集中巷、石门、上下山等，这类巷道

14、是采区的主要通道，服务年限比较长；为回采工作面服务的巷道，包括顺槽、开切眼及回撤通道等，这类巷道服务年限较短，受回采工作面动压影响显著，而且多数巷道要求采前保持稳定，采后又能及时垮落。此外还有联络巷、各类硐室及交岔点。按照是否受到采动影响可将巷道划分为：静压巷道与动压巷道；按照巷道层位划分为：岩石巷道、半煤岩巷道煤层巷道；按照护巷煤柱宽度可划分为：实体煤巷道、煤柱护巷、沿空掘巷、沿空留巷及采空区内留巷；按照巷道断面形状划分为：矩形类巷道、梯形类巷道、拱形类巷道及圆形类巷道：按照巷道断面大小划分为：小断面巷道(8 m2)、中等断面巷道(812 m2)、大断面巷道(1220 m2)及特大断面巷道(

15、20 m2)。煤矿沉积岩复合型煤岩体有以下特点：煤岩体强度低；地质构造复杂，层理节理发育，极易离层垮落；深部矿井地应力高，冲击地压突出。煤矿巷道的使用特征表现为：采准巷道(占煤矿总巷道进尺的80以上)一般沿煤层顶板或底板掘进，断面多是矩形类断面，存在夹角与直角，巷道应力分布差。主要原因是为了在煤层中掘进，提高掘进速度，避免掘进时出现大量岩石，更重要的是有利于采煤工作面的快速推进。相反，如果采用拱形断面，虽然能够改善巷道受力状态，但巷道施工工艺复杂，成巷速度低，有时还需要破坏顶板，出现矸石。对于回采巷道，拱形断面给回采工作面端头支护造成很大困难，阻碍采煤工作面的正常推进。此外，采准巷道一般都受到

16、采煤工作面的动压影响：为了提高煤炭资源回收率，采用小煤柱或无煤柱护巷。回采巷道要求采前保持稳定，采后又能及时垮落。特殊的地质与生产条件带来一系列复杂困难巷道：松软破碎围岩巷道、深部高地应力巷道、大断面巷道、受强烈动压影响巷道及沿空巷道等。下面介绍典型的应用实例。2.3.2千米深井高地应力岩石大巷支护技术新汶矿区是我国煤矿典型的千米深井矿区，为了解决高地应力巷道支护难题，在锚杆、锚索支护技术方面进行了大量的研究与试验。但是，当巷道埋深超过千米以后，以往采用的二次支护技术不能有效控制巷道围岩强烈变形。为此，开展了高预应力、强力支护技术研究。(1)巷道围岩地质与生产条件华丰矿一l 100 m水平西运输大巷是矿井永久岩石大巷，服务年限20 a。巷道埋深为1 220 m。该巷道