1、煤巷低密度高强度支护技术摘要：本文针对现有煤巷锚网索支护与掘进存在的问题，分析了影响煤巷施工速度的主要因素，提出了煤巷低密度高强度快速成巷支护技术，对其支护原理、技术与工艺过程以及施工机具改进等进行精细化研究，形成煤巷快速成巷成套技术体系，研究成果将提高煤巷施工速度、减少支护成本，完善煤巷支护技术与施工工艺，确保矿井正常生产接续，实现矿井安全经济高产高效生产，同时也为进入深部巷道支护与掘进提供理论基础。此技术在实际的生产中会节约成本，提高施工效率。关键词： 低密度高强度； 快速成巷； 减少成本； 生产接续1 概述目前，在一些回采巷道甚至是大巷中布置煤巷，煤巷的掘进量占整个矿井巷道掘进量的70%
2、左右。高效综采工作面的快速推进，必然会依赖煤巷的大量掘进。采掘采掘巷道之间的接替的快慢与煤巷掘进有直接的关系，因为煤巷大多为回采、准备巷道。煤巷岩性基础、煤巷支护方式与支护设计的参数、以及采掘设备与技术水平直接影响煤巷掘进施工速度以及接替速度。现在的煤道支护中主要采用锚杆支护，并辅以其他支护，矿区中锚杆支护率以及很高。但锚杆、锚索间距或排距偏小，普遍在1m以下，支护密度偏大，严重影响煤巷施工速度，同时一味提高锚杆、锚索长度、杆体直径，盲目增加支护强度，结果造成支护成本增加，施工难度加大，支护效果也不明显。锚杆支护理论与技术也得到了长足的发展，像围岩强度理论、悬吊理论、组合拱（梁）理论，高强度锚
3、杆支护理论等，也逐渐完善，同时也被广泛应用于工程实际。但缺少对支护参数对掘进速度影响规律的研究，没有从考虑巷道支护成本、施工速度、控制巷道稳定性三个方面进行系统研究，相关的支护理论也不完善。在煤炭市场不太景气的环境下，实现矿井安全高产高效，研究巷道低密度高强度支护是发展的必然。苏子和高强度锚杆支护在矿区的广泛应用,使得一些大断面以及全煤巷道等支护难题得到了很好的解决,技术经济效益明显。但也带来了一系列的问题，掘进速度难以满足生产的需要，支护成本也较高，特别是一些高瓦斯复杂围岩条件下的巷道锚杆支护技术与理论，大多都是以控制围岩变形，确保围岩稳定性为目的，由于前几年煤炭效益较好，不太考虑支护成本，
4、一味提高锚杆支护强度，增大支护密度，增大锚杆、锚索杆体长度，增加预紧力，增加锚固长度等，由于缺少对锚网索支护系统精细化研究，结果造成支护强度过高，对于大变形动压巷道，不仅支护效果不好，而且支护成本高、巷道施工速度慢，无法满足矿井正常生产接续。亟待开发研究一种新的支护理论与技术，既能控制巷道变形，同时又能降低支护成本，关键是能够提高巷道施工速度。因此研究巷道低密度高强度支护技术及其加快推进速度十分必要。针对以上煤巷支护与掘进存在的问题，在掌握国内煤巷锚网索支护现状以及掘进速度现状，研究改变煤巷锚网索支护方式与支护参数，优化施工工艺、改进施工机具，解决煤巷支护与掘进的中问题，达到支护效果好，支护成
5、本低，掘进速度快的目的。因此进行此项研究具有较强的实际意义和广泛应用前景。总上所述，针对煤巷锚网索支护与掘进的现状，基于支护参数对巷道施工速度的影响规律，研究开发煤巷低密度高强度支护理论与技术，实现煤矿快速施工，势在必行。在本文中，基于从以上分析中存在的问题以及煤巷的研究，分析了影响巷道施工速度的主要影响因素，深入细化研究煤巷的快速开挖、锚杆快速支护机理，并研究开发适合矿煤巷低密度高强度支护技术与施工工艺，改进施工机具，降低煤巷施工成本，提高煤巷施工效率。2 煤巷掘进中锚杆支护的力学原理分析锚杆支护的使用充分利用围岩的自承作用，即使围岩成为承载体。在有差异的地质条件下，锚杆的作用机理有区别，但
6、都是对巷道中支护的围岩内部，通过施加预应力，使围岩形成整体受力，进而加固，构成围岩自承载体，使其具有整体应力。这其中主要利用了围岩的自身结构的稳定性。矿区的锚杆支护实践应用表明，在同一条件下锚杆支护使得巷道围岩位移量与金属支架相比减少了一半左右，这体现了锚杆支护的巨大优势。以下内容从不同的角度对锚杆支护作用的原理、围岩条件的区别出发，把锚杆支护作为一个系统来研究进一步揭示锚杆支护的本质。2.1悬吊理论图2.1为悬吊理论的示意图 图2.1 悬吊理论悬吊理论认为，锚杆支护的作用是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上。如果在煤巷浅部的围岩裂隙比较发育，顶板将会出现破碎松动区，极不稳定，此时锚杆的
7、悬吊作用是将破碎松动区的煤岩锚固在更深部的未松动的岩体结构上。但这种理论只有在一定条件下，才能实现其价值。悬吊理论适用于两种情况:1） 在巷道中会遇到的层状岩体,这在巷道掘出后,直接顶会因为应力过大，发生变形，直接顶与老顶会分离。此时及时将锚杆通过挤压直接顶并且将其锚固在老顶的围岩上，直接顶的下沉和离层会得到有效地抑制，来保证支护效果。2）巷道顶板的一部分容易松动冒落成拱，回采过程中，由于岩层之间的干扰，巷道顶板裂隙发育变得更为破碎，大量的岩石之间存在裂隙，因为彼此之间的咬合、摩擦、挤压形成了冒落的拱状。由于冒落拱内部和外部的煤岩的裂隙程度不一致，导致两者的冒落程度不一致，内部会变得容比外部煤
8、岩更容易冒落。因此在对围岩进行锚杆支护时，需要将内部煤岩吊挂在冒落拱外部的岩石上。根据悬吊理论，需要计算的直接顶冒落拱内的岩石的重量。同样，在煤巷中，计算煤岩的重量。这样的计算结果和支护效果会与实际有些差距，因为没有考虑围岩的自承力。由于悬吊理论来源于顶板层状岩体，在该理论在实践中，锚杆支护对巷道两帮和底板支护效果并不理想。因此，如果在实践中的顶板软岩或坚硬顶板不稳定，围岩破碎区较大，这样不能将锚杆固定在岩石，不再使用悬吊理论。2.2 组合梁理论图2.2,图2.3为组合梁理论示意图。 图2.2 组合梁理论示意图（1）组合梁的理论是，如果顶板是的类似层状岩体，那么锚杆支护一方面可以提供锚固力，提
9、高岩石分离层之间的静摩擦，这样可以阻止岩层继续沿层面移动，避免岩层分离现象；另一方面锚杆体可提高岩层间的刚度，阻止岩层间出现大的滑移，从而将巷道顶板锚固范围内的几个薄的岩体锚固成整体的岩层。见图2.2，2.3。图2.3 组合梁理论示意图（2）杆支护参数可根据组合梁的强度大小确定。在实践中，同悬吊理论相似，没有将锚杆的力学作用与围岩的自身稳定性结合起来，而是分开考虑，这样就会造成理论和实践有一定的差距。随围岩条件转变，顶板不能形成支点，裂隙发育受到连续破坏，这样导致组合梁的破坏。组合梁适用于层状顶板支护参数的设计，对于巷道帮、底的支护参数设计效果不明显。2.3 组合拱理论图2.4,2.5,2.6
10、为组合拱理论示意图。 图2.4 组合拱理论示意图（1） 组合拱理论强度群体作用。组合拱理论是在巷道围岩的裂隙发育区安装锚杆进行加固，裂隙发区在锚杆两端起，形成类似于圆锥形的、可以重叠的压应力区。因为随着锚杆密度的增大，锚杆形成的压应力区数量会增加，就会有重叠。因而在需要锚固的岩体中形成一个有厚度的均匀压缩带，即压缩拱。形成的压缩拱内三向受压，为稳定的三向应力，围岩整体锚固强度增加，锚杆的支承应力相应提高。压缩拱可以有效地防止围岩松动变形，并能使用自身的稳定性来承受压力。 图2.4 组合拱理论示意图（2）锚杆预应力的作用，一方面通过拱内产生的压应力来增加其摩擦力，从而防止岩块转动和滑移。这种方式
11、，是通过增大岩体的内部粘结力，来提高岩体破碎后的整体强度，保证围岩稳定性。另一方面，组合拱理论认为此时锚杆对围岩产生三向压力，改变了围岩整体强度。对锚杆支护设计适应组合拱理论，揭示了锚杆支护的作用原理。但是在实践过程中，并没有更深层次地阐述需要支护的围岩体与锚杆支护之间的相互作用。图2.6 组合拱理论示意图（3）2.4 围岩强度强化理论 是根据软岩、煤巷的特征提出岩体的强度理论。图2.7为岩体强度理论示意图。图2.7 岩体强度理论示意图 锚杆支护作用的本质就是岩体与杆体的相互之间的力学作用，形成锚杆围岩整体承载力来改善锚固体的力学参数。由于锚固体的强度增加，同时使得支护的岩体强度也会水涨船高，
12、也会增加。特别是峰后和残余强度均获得进一步提高，充分利用了围岩体具有自承力结构。 见图2.8。图2.8 锚杆围岩结构受力在现代煤矿巷道掘进中，锚杆支护提供了最经济，最有效，最安全的支护，为煤巷快速掘进提供了可能性。在不同的采矿技术发展的时期，产生了不同的理论，这些理论是不断发展和完善的。理论是实践的基础。因此，了解锚杆支护理论是进行巷道锚杆支护设计的前提，了解这些理论对低密度、高强度、快速成巷技术非常有意义。3 影响一般条件煤巷快速掘进的主要因素在煤巷掘进的锚杆支护中，如果降低锚杆间距，同时必须要保证支护的强度。所需支护强度的大小决定了支护设计的参数大小，因此锚杆支护参数的设计就是是锚杆预应力
13、的计算。中国煤矿逐渐意识到锚杆预应力的意义重大。不管是在理论上的研究还是在实践中，都取得了良好的效果。但是仍然有很多矿区对预应力的认识还不够，仅停留在表面，并且在施工设备上不能提供所需的预紧力，导致高强度锚杆不能发挥应有的作用。本节通过采用数值模拟及井下效果进行分析同时在掘进过程中，掘进设备的选型也至关重要。3.1 数值模拟预应力影响因素在数值模拟中分析锚杆支护参数对预应力的影响，从而总结出，如何在锚杆低密度的条件下，通过改变支护参数来提高支护强度，进而提高成巷速度。3.1.1 模型与方案通过FLAC数值模拟软件对锚杆的支护参数进行分析，从而得到预应力与应力场之间的关系。背景条件为常村煤矿的煤
14、巷。巷道宽5米，高3.2米。顶板为煤岩。采用锚杆支护。锚杆的直径大小是21cm，长度为2.3m；锚杆的破断载荷为300 kN，加长树脂锚固;锚杆的间排距为1.1 m。模拟方案分为5种，分别从锚杆预应力的影响，锚杆长度的影响，锚杆根数的影响，锚杆固定方式以及锚杆安装角度的影响进行设计。设计如下：锚杆预应力的影响：锚杆预应力被设计为二十二百二十千牛，其中二十千牛分为一个等级级；锚杆长度的影响：安装锚杆长度为二分之三三米，每五分之一米为一个等级；锚杆数量的影响：每排锚杆定为一根九根；锚杆锚固方式的影响：加长、端部与全长锚固；锚杆安装角度的影响：锚杆安装角度为045度，每5度为1级。通过模拟分析，得到
15、如下结果，并对结果进行分析：3.1.2 锚杆预应力的影响 模拟结果表明：当锚杆的预应力低于20KN时，其结果是锚杆的应力场的应力不大，压力圈规模很小，有效的压应力区难以形成，不能发挥整体的强度效果。由于近零应力区是顶板支护的最薄弱部分，恰恰当预应力很小时，近零应力区的范围扩大，导致这部分区域几乎没有加固围岩，更不能提高围岩应力。几乎没有主动支护效果，或者主动支护效果很差。当锚固预应力超过100KN，即高预应力。用过模拟结果看来，由于锚杆的预应力值很大，导致其压应力范围很广，这与预应力底时正好相反。有效的压应力区范围较广，其间相互连接，部分重合，没有死角，几乎充满整个需要支护的顶板，充分发挥了主动支护的作用。因此提高锚杆的预应力对加强支护强度非常重要，它是锚杆支护设计中的一个重要参数。因此，提高锚杆预应力是加强支护强度的的有效支撑，是锚杆支护地一个重要的参数，特别对于巷道支护的初期，效果很明显。3.1.3 锚杆长度的影响 下图3.1为不同长度锚杆的预应力分布。
