B070202大屯矿区深部工程锚网索支护理论及实践.doc

大屯矿区深部工程锚网索支护理论与实践马小钧1 何满潮21.大屯煤电（集团）公司生产技术部，江苏 沛县 221611 2. 中国矿业大学，北京 100083摘 要：文章从区域构造应力场入手，分析了大屯矿区的地应力特点，通过引入三维RQD指标测定、岩石水解弱化分析来综合评价岩体整体裂隙的发育状况、强度指标。在深部围岩受力特点分析和数值模拟分析的基础上，解释了锚网锚索支护围岩顶部集中应力区向帮部低应力区转移的现象，并由此提出了锚网锚索耦合设计的理念。关键词：深部工程 三维RQD 锚网锚索 耦合支护1 引 言大屯矿区地处江苏省北部苏鲁交界，是我国华东地区主要产煤和能源供应基地。大屯煤电（集团）公司现有4对生产矿井，设计生产能力500万t，2005年核定生产能力770 万t，2005年实际生产原煤740万t，综合进尺完成712.5万m。近年来，随着矿井开拓水平的逐步延伸，大屯矿区除龙东矿之外，姚桥矿、孔庄矿以及徐庄矿均已陆续进入深部开拓准备阶段。孔庄矿进行-785m水平开拓准备，徐庄矿-750m水平开拓大巷已经到位，姚桥矿进行-850m水平的延伸工程。随着矿井开采深度的加大，传统工艺施工的巷道返修率增加，许多深部工程矿压问题，尤其是高地应力造成的巷道失稳破坏，冲击地压等问题开始出现。具体表现在以下几个方面： 深部全煤巷道维护困难。全煤巷道顶板为松软易碎的顶煤，由于锚杆支护系统作用机理与稳定岩石顶板条件下的支护系统迥然不同，在较为复杂条件下如采动影响强烈和构造应力显著时，导致锚杆支护巷道设计不合理性增加，失效现象增多，局部巷道不得不改为锚网与架棚联合支护。而且，巷道在回采服务期内进行改棚、卧底以及开帮等大范围维修的力度较大，严重影响了放顶煤工作面的正常推进。如姚桥矿7001工作面和孔庄矿7431工作面在回采期间，沿空侧巷道均出现了严重的巷道底臌、大变形，工作面推进困难。在开采深度大、围岩软弱，加上受上覆工作面开采扰动的影响时，深部岩石大巷从开掘之初，底臌、两帮移近、肩窝变形破坏较为严重，返修率增高。 深部大断面硐室群、交岔点等工程的支护难度进一步增大。姚桥矿和孔庄矿均已发生过冲击矿压。面对深部工程支护中存在的问题，我们与中国矿业大学（北京）合作，对不同类型的巷道建立支护试验示范工程，在试验的基础上进行研究、总结、推广和应用。通过近两年的工作，在煤巷、岩巷以及大断面交岔点的锚杆支护技术难点攻关方面开展了卓有成效的工作，有了突破性的进展，取得了复杂地质条件煤巷、岩巷以及大断面交岔点等锚杆支护技术10多项创新成果，对深部巷道支护的规律性有了初步的认识。2 深部开采的地质特征分析2.1 区域构造大屯矿区位于秦岭构造带东延部分的北支，新华夏系第二隆起带的西侧，第二沉降带的东侧，东邻郯庐大断裂，受东西向构造和新华夏两种构造的作用，处于两个构造体系的复合部位，为地应力较为活跃的区域之一。大屯矿区主体位于丰沛复向斜内，由于受新华夏系强烈改造的影响，区域地壳经过多次反复运动，使各种构造行迹互相迁就，时而北东东向，时而东西向，时而北西向，形成了东西向成带，近南北向切割的菱形断块式煤田，大屯矿区区域构造体系见图1。矿区地质条件较为复杂。据初步测算，所在的几个生产矿井中，落差大于20m的断层密度达到1条/km2以上，小型断层密度更大，达到23条/ km2，中、小断层互相交叉切割，给采掘生产带来很大的难度。图1 大屯矿区区域构造体系图2.2 地层岩性大屯矿区煤系地层为石炭二叠系，主采7、8煤层，属华北近海性煤系地层，为海陆交互相沉积。全区呈N4570E走向，倾向北西的单斜构造，煤岩层倾角1027。典型煤系地层可以划分为泥岩组、砂岩组、煤体组和灰岩组。各岩组的主要力学参数见表1。表1 大屯矿区主要岩组力学参数试验项目单轴压缩试验饱水单轴压缩试验劈裂拉伸试验直剪试验试验指标单轴抗压强度 sc (MPa)弹性模量E (GPa)泊松比m饱水岩石单轴抗压强度 scw (MPa)软化系数劈裂拉伸强度st (MPa)饱水劈裂拉伸强度stw (MPa)软化系数内聚力C(Mpa)内摩擦角（）细纱岩69.2527.890.14367.190.97011.8710.460.88123.8633.70泥岩51.4730.590.16736.270.7057.906.420.81322.8035.33砂质泥岩89.8229.830.22469.510.7749.851.690.17224.3737.377煤26.154.5090.35818.060.6910.8980.2110.2355.41840.07海相泥岩43.2715.010.21211.480.2652.7260.1130.04212.6030.03表2 大屯矿区深部典型岩体三维RQD指标质量统计岩石质量统计泥岩组煤体组砂岩组灰岩组3DRQD值X向16949897.9Y向38.51009395Z向50.2557.786100量测地点埋深810m830m880m817m在深部开采的岩性评估过程中，由于在试验室测定的参数主要代表单个岩石试件，并非反映岩体具有多裂隙、非均质和各向异性的特点。这里引入三维RQD指标，通过在现场测定岩体不同方向的RQD指标，来评价岩体整体裂隙的发育状况。现场测定的反应岩石质量指标的典型3DRQD指标见表2。从两个表中可以看出，大屯矿区从砂岩到泥岩，岩石试件单轴抗压强度逐步降低，岩体裂隙率逐渐增加。泥岩的岩体强度较低，海相泥岩在自然状态下的单轴强度为43.27MPa,而在饱水情况下，单轴抗压强度降为11.48MPa，较自然状态强度降低了73，在巷道开掘后，如不及时封闭围岩，由于自然风化潮解，岩体强度会急剧降低，给巷道支护带来难度。3.锚网索支护在深部煤巷工程支护中的适应性研究3.1 深部围岩的受力特点巷道开挖后，壁面围岩由三维应力状态变为二维应力状态，最大主应力是沿巷道壁面的切线方向，巷道壁面切向应力达到最大值。最小主应力是沿巷道的径向应力，径向应力在巷道周边为零，向围岩内部逐渐增大，这个应力调整过程是瞬间完成的。如果巷道埋深超过软化临界深度，调整后的应力高于岩体强度的部分岩体就发生破坏，靠近壁面的岩体最先破坏，最大主应力集中区向围岩内部移动。调整的结果，围岩出现了四个区即塑性流动区、塑性软化区、塑性硬化区、弹性区（见图2）。图2 深部煤巷支护体围岩结构分区研究表明，塑性硬化区是围岩承载的主体，塑性软化区和塑性流动区是实施支护的主要对象，因此，研究巷道在各种支护载荷作用下的塑性软化区和塑性流动区的变化范围是确定支护参数和支护强度的关键。 图3 巷道围岩不同受力特点 图4 巷道围岩应力图如图3和图4所示，深埋巷道开掘后，周边的切向应力用弹性理论可以较好地解释巷道周边的应力，切向应力可以用以下公式表示： （1）式中： p0垂向应力，MPa 侧向应力集中系数； m巷道轴比，；对于顶点A：，代入公式得：在深部条件下，如果，巷道只有满足一定的轴比，才不会出现拉应力。一般情况下，由于巷道设计的需要，轴比难以满足需要，巷道会出现拉应力集中。对于两帮中点B：，代入公式得：如果，巷道以压应力为主。所以在深部高自重应力场中，应通过合理的巷道支护，减小顶板中部的拉应力集中。如果两帮岩体较为软弱，应防止帮部的压裂破坏和片帮。通过加强支护，改善周围岩体的应力状况，可以保持巷道稳定。3.2 锚网与围岩耦合作用机理分析通过锚网索支护系统与巷道围岩的相互作用，可最大限度地减少周边应力集中，达到成功支护的目的。其中，锚网和围岩的耦合作用十分重要，过强或过弱的锚网支护，都会引起局部应力集中而造成巷道破坏。只有当锚网和围岩强度、刚度达到耦合时，变形才能相互协调。达到耦合的标志是围岩应力集中区在协调变形过程中，向低应力区转移和扩散，从而达到最佳支护效果。3.2.1 围岩集中应力区向低应力区的转移现象数值模拟研究结果表明（图5），在巷道掘进初期，巷道围岩顶部应力迅速集中，是巷道垮落危险区域；在实施锚网耦合支护后，顶部应力集中区迅速下降，而帮部低应力区应力状态迅速提高，整个围岩不同部位应力状态趋于均匀化。由此可见，实施锚网耦合支护技术以后，围岩支护状态从开放环境到封闭力学环境，围岩集中应力区向低应力区发生了转移和扩散，整个应力扩散均匀化过程是通过锚网耦合设计自动实现。1掘进锚喷后围岩应力状态；2锚网耦合设计作用后应力状态；3应力转化中性点；4应力变化趋势图5 围岩顶部集中应力区向帮部低应力区转化过程3.2.2 围岩应力场和位移场的变化随着围岩受力由集中应力区向低应力区转化，锚杆受力趋于均匀化，围岩的应力场和应变场趋于均匀化。3.3 锚索的关键部位耦合机理分析锚索除具有普通锚杆的的悬吊作用、组合梁作用、组合拱作用、楔固作用外，与普通锚杆不同的是对顶板进行深部锚固而产生强力悬吊作用。通过锚索支护，改善了巷道的受力条件，使相邻的锚杆、锚索的作用力相互叠加，组合形成新的、厚度和刚度增大的岩梁，顶板压力通过巷道煤帮向煤体深部转移，顶板得到有效控制，有效抑制帮臌。 图6 拱形巷道锚索关键部位耦合图7 矩形巷道锚索关键部位耦合如图6和图7所示，没有锚索支护时，直墙半圆拱巷道周围形成“双耳”应力集中关键部位，常常造成巷道两边剪坏；在应力集中关键点上施工锚索后，浅部围岩剪应力集中程度明显减小，深部岩体的剪应力水平显著增加，表明调动了深部岩体强度，控制了浅部岩体的稳定性。4 锚网索支护在深部煤层巷道支护的应用实践大屯煤电集团公司姚桥矿从上世纪90年代后期，率先在综放工作面7516、7507等顺槽、开切眼成功地应用煤巷金属树脂锚杆（索）进行支护。随后，煤巷锚杆（索）支护技术在全局范围内普遍推广。近年来，随着开采深度逐年增大，我们积极探索适应深部地质条件的支护设计思想及巷道控制手段，对煤巷锚杆支护进行试验、理论研究后加以推广，在深井煤巷锚杆支护理论中积累了一定的经验。4.1 高强锚杆（索）的合理选择大屯矿区使用的锚杆主要有直径14mm、16mm、18mm、20mm和22mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆。锚索主要采用直径15.24mm、17.8mm和18.9mm的钢绞线。在深部地压大、断面大、受采动影响强烈的巷道支护中，我们要求使用直径22mm和18.9mm的高强锚杆和锚索。从技术角度考虑，锚杆和锚索的直径越大，提供的锚固力越大，支护效果越好。但锚杆直径增大将使锚杆支护成本增加。资料表明，当钻孔直径为29mm、锚固长度相同的情况时，如果以直径14mm带纵筋建筑螺纹钢锚杆支护成本为基准，锚杆直径增大，锚固成本增加313%。锚杆直径增大锚固力也增大，其增加幅度为31147%。两个增加幅度相差悬殊，后者增加幅度是前者的1011倍。所以适当加大锚杆杆体直径在技术和经济上是较为有利的。4.2 适度让压原则深部巷道开挖以后，原来储存在岩体内的应力和能量会发生释放和转移。通过预留变形空间，在原来的金属托盘上加设具有一定厚度的木托盘，针对钢绞线锚索延伸率低（15.24mm的钢绞线,延伸率为3.5）的弊端，对锚索设计了专门的让压托盘，可以充分释放巷道变形能，又保护了托盘受力状况，避免初始开挖后能量的过渡集中而对托盘的破坏。通过现场监测（见图8、图9）发现，不论应用锚杆钻机或气扳机对锚杆螺母实施的扭矩多大，不论锚索张拉力多大，经过一段时间后，锚杆螺母扭矩和锚索托板的托锚力都经过一个急速下降期、快速承载期和缓慢承载期的过程，甚至有的锚杆的托锚力、螺母扭矩会下降到零。图8 姚桥矿7009溜子道锚杆托锚力监测曲线图9 姚桥矿7009溜子道锚索托锚力监测曲线为了防止锚杆、锚索的托锚力在急速下降期带来的被动承载，我们在煤巷锚杆支护设计时，要求对锚杆和锚索进行有效的二次紧固。通过采用二次紧固，改善了巷道的维护状况，增强锚杆系统的支护能力。4.3 锚杆、锚索的三径合理匹配树脂锚杆支护三径匹配是指钻孔直径、锚杆直径、树脂药卷直径“三径”之间的最佳配合，从而使树脂锚杆支护结构整体达到最佳的支护状态。锚杆（索）的三径合理匹配问题，影响锚杆支护的质量和效果。大屯矿区施工的锚杆和锚索钻孔直径为29mm、33mm、43mm等几种。通过在300号混凝土中所作的锚杆锚固力与孔径关系试验，直径为20mm、22mm左旋无纵筋锚杆，锚固长度为100mm，锚固力随着钻孔直径（孔经为2629mm区间）的增加而增大，到29mm时达到最大，此时锚杆的锚固力为55kN。超过29mm后则迅速降低；直径为18mm带纵筋建筑螺纹钢锚杆锚固力随着钻孔直径增大（孔径为2643）而减小，孔径为26mm时，锚固力最大，为43kN，孔径为28mm时锚固力次之，为35kN，孔径为33mm时，锚固力迅速下降，为5kN，孔径为43mm时，锚固力降低为零。从试验结果分析可知：直径20mm的锚杆，钻孔直径为29mm时锚固力最大，宜采用直径为29mm的钻孔。直径为18mm的锚杆，钻孔直径为26mm时锚固力最大，宜采用直径为26mm的钻孔。钻孔直径选的选取主要考虑锚固力最大、锚固成本降低、钻孔效率高、施工和组织管理方便性等因素。钻孔直径越大，锚固成本越高，钻孔时间越长。综合考虑多种因素，对于直径20mm、22mm的锚杆，选取的钻孔直径为29mm（见图10）。 图10 无纵筋螺纹钢锚杆锚固力与锚杆钻孔直径的关系在能够保证顺利安装的前提下，一般要求树脂药卷直径尽量加大。通过试验室试验，树脂药卷直径比钻孔直径小46mm时，锚杆所提供的锚固力达到最佳状态。综合分析，在29mm钻孔中使用树脂药卷直径为23 25mm是较为合适的；对直径为33mm钻孔，使用直径2426mm无纵筋螺纹钢锚杆时，使用树脂药卷直径为28mm比较合适。4.4 煤巷锚固方式和长度的选择锚杆的锚固方式有端锚、加长锚和全长锚。采用全长锚固，可以避免集中受力点，增强层面间的抗剪能力，减轻岩层间的错动，有效提高锚杆支护系统的刚度，限制围岩变形，具有诸多的优越性。但全长锚固适用于围岩变形量小且支护强度大的巷道。由于全长锚固具有锚杆安装困难，装药数量多、占用时间长、锚杆起始安装外露长度大、锚杆钻机扭矩小，搅拌困难、锚固费用高等不足，在深部煤层巷道变形量大，服务期短，支护强度要求相对较小，全长锚固高额的费用一般难以承受，如果支护密度不足，全长锚固可能要起反作用，造成树脂锚固体被破坏，反而降低锚固力，甚至锚杆失效。大屯矿区在深部顶板较完整、稳定并且应力不大的类回采巷道和部分类巷道中使用端头锚固；在部分类和、类不稳定围岩巷道中采用加长锚固，给锚杆留一定的自由段，既能有效地对围岩进行加固，减少围岩变形，保持巷道稳定，又能满足现场工艺操作简单方便的要求。总之，深部困难条件下，通过应用性能优越、质量可靠的支护材料；选择合理的支护形式和支护参数，提高支护强度，预留变形空间，适度让压，特殊情况辅以锚注工艺和卸压技术，锚网索支护在深部煤巷支护中的应用是完全可行的。5.锚网喷在深部岩石大巷和大断面交岔点支护中的应用大屯矿区深部岩巷应用十多年来，总结出很多有益的经验，施工技术得到了不断的改进和完善。近年来，由于深部地质条件复杂，巷道在受高地应力和采动影响强烈时，锚网索支护的岩石大巷出现了不少问题。一是巷道受高水平应力作用时，变形加剧，表现出明显的不对称性(见图11)。二是随深度的增加，巷道底臌量增大（见图12）。如孔庄785西翼轨道大巷在巷道开掘后大约一年左右的时间内，上帮侧最大底臌量达600700mm，最大底臌速率达到7.5mm/d。占顶底移近量的 63%左右。底臌导致水沟严重损坏，轨道挤压变形，由于巷道断面不能满足安全生产的要求，不得不进行了3 次大的巷道返修。图13 给出785大巷底臌严重地段底臌量与时间关系曲线。图11 徐庄750大巷不对称变形图12孔庄785西翼轨道大巷上帮底板臌出变形图13 孔庄785西翼轨道大巷底臌量时间变化曲线深部岩石大巷支护中存在的上述问题，有其复杂的变形机理，通过研究，我们总结出以下四种变形力学机制，即剪切滑移型变形力学机制、塑性挤出型变形力学机制、结构变形型力学机制和物化膨胀型变形力学机制。通过锚索网支护，对不同的变形力学机制加以有效转化，使巷道的变形力学机制由复合型向单一型转化，是实现深部锚索网喷支护成功的关键。5.1 锚网喷支护的强度问题深部岩石大巷锚网喷支护的难点主要是软弱岩层、地质构造带和受采动影响强烈以及地应力水平较高区域，在这些区域进行巷道支护，除进行有效的卸压和二次支护外，提高锚网喷支护的强度是十分必要的。深部巷道围岩松软破碎，且大多数为层状结构，在其中开挖巷道，通过高强的锚杆和锚索支护，一方面，可以依靠锚杆的锚固力增加各岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象；另一方面，锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度，阻止岩层间的水平错动，从而将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层（组合梁）。这种组合厚岩层在上覆岩层载荷作用下，其最大弯曲应变和应力都将大大减小，组合梁的挠度亦减小，而且组合梁越厚，梁内的最大应力、应变和梁的挠度也就越小，巷道的有害变形可以得到控制。所以，通过适当增加锚杆（索）的强度，可以有效地改善围岩的应力条件，有利于表层岩石的成拱效应，是深部困难条件下的锚网索成功支护的必要前提。深部软岩巷道喷层的作用主要体现在其护表能力上。在强调锚网索支护的同时，在深部大巷的支护中，必须研究喷层和金属网在巷道支护中的作用。深部软岩巷道，由于地应力水平较高，巷道初始变形量较大，当巷道的喷层厚度较大，由于较厚喷体不可塑，加之网铺设的位置不当，发生喷体开裂进而导致掉落，造成巷道破坏。因此，在增加衬砌强度时，不增加喷层厚度，而通过增加钢筋网的强度和刚度和网在喷层中的位置来改善喷体的整体功能。通过使用直径6mm的金属网，初喷厚度为30mm50mm，复喷厚度为2040，将网置于喷体的中外层，保证网外喷体开裂时，因喷层薄，且喷层与金属网有一定的粘结作用，不会产生大的裂隙以至冒落，影响巷道的稳定。5.2 二次支护的问题深部巷道的变形量大，在一次支护的基础上，进行巷道的二次支护是十分必要的。二次支护主要包括对锚杆的二次紧固，和巷道的复喷。深部巷道支护需要强调初喷和复喷的时间间隔，复喷时间距离掘进迎头必须超过58m的距离，保证巷道充分变形后，进行复喷作业，从而保证成形质量和复喷效果。5.3 锚索关键部位的支护作用现场工程实践表明，对于深部软岩巷道，无论是新开巷道、还是实施了多次支护的翻修巷道，其破坏是一个渐进的力学过程，是从某一个或几个部位开始变形、损伤，进而导致整个支护系统的失稳。具体表现特征是：沿巷道断面各个方向的位移速度各不相同，从剧烈变形的部位发生裂纹，鳞状剥落，变形破坏区域逐渐扩大，最终导致整个支护系统的失稳。这些首先破坏的部位，称之为关键部位。深部软岩巷道通过在关键部位施加锚索，实现支护体与围岩的二次耦合，充分发挥围岩的自承能力，从而使支护体对围岩的支护力降到最小，使支护系统达到相互耦合的最佳支护状态。5.4 深部巷道对底板的控制问题深部巷道为“四面来压”，对底板的开放式支护只能导致巷道底臌加剧。针对泥岩底板的岩石大巷巷道底臌