井巷工程论文(锚杆支护)

锚杆支护技术研究摘要进入二十世纪以来，煤巷锚杆支护技术发展迅速，形成了以高强螺纹钢锚杆替代普通圆钢锚杆为标志的技术成果，并在行业内取得巨大成效。本文介绍了煤矿巷道支护理论以及锚杆支护的相关技术。最后介绍一个深井三软煤巷锚杆支护实例。关键词巷道支护，锚杆，围岩控制我国煤矿主要是地下开采,需要在井下开掘大量巷道,保持巷道畅通和围岩稳定对煤矿建设与生产具有重要意义。随着开采深度、广度及开采强度的不断提高,巷道埋深逐年增加,地质条件日趋复杂化,高地应力巷道、强烈采动影响巷道、松软破碎围岩巷道及特大断面巷道和硐室等复杂困难条件占的比重越来越大,显著增加了巷道支护难度。煤矿巷道支护经历了木支护、砌碹支护、型钢支护到锚杆支护的漫长过程。多年来国内外的实践经验表明,锚杆支护是经济、有效的支护技术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,保证了安全生产,为采煤工作面的快速推进和煤炭产量的大幅度提高创造了良好条件。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必不可少的关键技术之一。1煤矿巷道支护理论我国学者在巷道支护理论方面做了大量工作,提出多种支护理论,并在生产实践中起到积极的指导作用。以下简单介绍几种理论。1新奥法支护理论。结合煤炭行业自身特点,对新奥法支护理论进行了较好的完善和发展,形成以下支护原则采用光面爆破采用早强喷射混凝土及时封闭巷道周边,实施密贴支护采用锚喷支护,主动加固围岩,提高其自承能力,在围岩内形成承载圈实施二次支护对破碎围岩实施注浆加固实施动态设计和动态施工等。2联合支护理论。联合支护理论认为对于复杂困难巷道,只提高支护体刚度难以有效控制围岩变形,要先柔后刚,先让后抗,柔让适度,稳定支护。联合支护理论在困难巷道中得到比较广泛的应用,但随着围岩条件越来越差,该理论受到了挑战。有些巷道采用联合支护并不理想,需要多次维修和翻修,围岩变形一直不能稳定。3松动圈支护理论。围岩松动圈支护理论认为巷道开挖后一般会出现松动圈,围岩最大变形载荷是松动圈产生过程中的碎胀变形,围岩破裂过程中岩石碎胀变形是支护对象。松动圈越大,碎胀变形越大,围岩变形量越大,巷道支护也越困难。根据松动圈的大小进行了围岩分类,并提出了相应的支护形式。4围岩强度强化理论。侯朝炯等提出巷道锚杆支护围岩强度强化理论,认为锚杆支护可提高锚固体的力学参数,改善被锚岩体的力学性能,锚固区域岩体的峰值强度、峰后强度及残余强度均能得到强化锚杆支护可改变围岩应力状态,增加围压,提高围岩承载能力。此外,我国学者采用弹塑性力学、流变力学、损伤力学、大变形力学等理论对巷道围岩变形和破坏特征进行了分析,从不同角度研究了巷道矿压规律及围岩与支护体的相互作用。12锚杆支护技术难题21实体煤巷厚层复合软弱淋水顶板1实体煤巷厚层复合软弱淋水顶板的概念直接顶为复合顶板,顶板中含有N层软弱岩层岩层各自厚度较大或累厚较大,超过24M,顶板淋水。2对于实体煤巷,不论是单一的厚层煤顶板,还是一般条件下的复合软弱顶板,或者是薄层复合淋水顶板煤巷,应用目前使用的一套高性能预拉力锚杆配合M型钢带和小孔径锚索桁架组合支护技术,完全可以解决这些难题。然而,对于实体煤巷厚层复合软弱淋水顶板,还未见成功的工程实例报道。22综放沿空掘巷“停产扩巷”由于综放开采的巨大优势,我国煤矿大多采用这项工艺。煤炭回采率和能源可持续发展的要求,综放回采巷道要求沿空布置。许多学者对这一问题进行了研究和探索,取得了一些成果和进展,但都未取得根本性实质性突破。目前对于综放沿空掘巷,理论上最新的研究成果是中国矿业大学侯朝炯、李学华提出的综放沿空掘巷围岩稳定的大小结构理论。3高强预应力支护技术的提出20世纪80年代以前，我国只在简单条件下使用普通圆钢锚杆,杆体直径一般为14MM，16MM，18MM，材质为Q235，其屈服强度为235MPA，破断力均在10KN以下，80年代中后期开始研制高强度锚杆,目前多采用材质为20MNSIL级螺纹钢作锚杆材料,杆体直径一般18MM，20MM，2MM，其屈服强度为340MPA，破断力均在100KN以上,，适用范围扩展到很多复杂条件,用于煤层巷道的煤巷锚杆支护比重迅速提高。相应地,形成了按钢材屈服强度氏大小进行的锚杆分类S600MPA，为超高强锚杆。我国煤矿目前推广应用高强锚杆，多采用人工拧紧螺母的方式安装锚杆,初始径向支护力一般低于10KN,和圆钢锚杆维持在同一水平,同属于低初锚力的支护技术。而煤巷复合顶板通常有12M厚的松动层顶板煤岩互层，其负荷大致为20一40KN/M2。这种低初锚力的支护尚不足于平衡松动岩体自重,更谈不上有效地加固顶板,控制弱面离层,因而不能形成有效的主动支护。针对这种情况,研制出能够通过高扭矩钻机安装的新型高性能预拉力锚杆闭,可以实现2030KN以上的初始径向张力,辅以其他能够实现较高预张力的预应力锚索、钢绞线预拉力析架等加强支护手段,不仅能够平衡顶板松动岩体,而且对顶板弱面形成有效约束,离层显著减少,支护效果和安全状况随之大大改善。由此,形成煤巷高强预应力支护技术的概念,是指能够在支护构件和顶板间实现明显超过松散岩体自重的预张力、形成顶板预应力承载结构,并有效控制顶板离层的高强支护技术。这是有别于低强度低初锚力的锚杆支护阶段和高强度低初锚力的锚杆支护阶段的一个相对的阶段性概念,是锚杆类支护技术发展的一个新阶段,近几年高性能锚杆等新型支护手段的研制和应用、大扭矩钻机的开发和推广等相关技术正是按照这一思路迅速发展的,并初步形成高预拉力、高可靠性和大间排距的新技术特征。24工程实例41巷道的维护条件白集矿位于徐州矿区东部,开采夏桥系3号煤层,煤层平均厚度605M,开采深度830M。3号煤层煤质松软破碎,顶底板均由强度很低的页岩与砂质页岩组成。表2为井下锚杆支护段围岩力学性能实测值,其顶板为2030M厚不稳定砂质页岩,掘巷时易发生冒顶和片落,底板为40M厚煤体。因煤体强度太低,取样困难,仅做试验获取了单轴抗压强度,为23MPA,另测量其硬度系数F为022。表2巷道围岩物理力学性能表42支护方案及参数支护方案顶板采用全长树脂锚固高强锚杆、W钢带及菱形金属网联合支护,两帮煤体采用加长锚固型可拉伸锚杆与菱形金属网联合支护,底角加强锚杆支护。顶板锚杆材料选用20SIMN建筑螺纹钢,其较高的强度和杆体表面纹理能够满足全长锚固的要求,但这种螺纹钢并非为加工锚杆而设计的,不能够直接安装螺母,锚尾必须加工成螺纹才能使用,这就削弱了锚尾的抗拉能力。试验表明,这种锚杆破断都发生在螺纹部位,对其进行热处理,可大大改善锚杆性能,见表3。全长锚固锚杆锚固性能与“三径”匹配密切相关。国外研究表明,锚杆与钻孔直径相差410MM的,锚固效果好。国内钻孔成形质量、直度、锚杆本身直度相对较差,根据实验研究两者相差612MM为宜,据此选择20MM锚杆与28MM钻孔匹配,树脂药卷直径23MM,能够满足充分搅拌和锚固要求。锚固长度为100MM,锚固力可达41KN,其他匹配锚固效果都较差。两帮及底角锚杆选H型杆体可拉伸增强锚杆,这种锚杆材料为Q235,外形与普通锚杆相同,只需对锚杆螺纹部分进行热处理,以保证锚尾螺纹段强度高于锚杆杆体,性能见表4,端锚时即可实现可靠的支护阻力和较大的延伸率。为保证松散煤体内锚固力超过杆体强度,采用小孔径28MM,树脂药卷加长锚固1000MM,实测锚固力绝大多数接近杆体强度,最大值为85KN。煤巷锚杆支护设计专用软件FLAC有限差分软件为数值模拟分析核心程序,它包括汉化的前后处理程序,能方便地进行原始数据的输入与转换、方案设计、支护参数分析比较等,本文主要用来确定锚杆长度,计算结果如图1。在锚杆布置相同底板无锚杆时,除底鼓量变化不大外,锚杆长度对巷道变形量影响大。当锚杆长度达到18M后,围岩移进量变化趋缓,增加锚杆长度作用已不大,因此井下试验选择顶板锚杆长为1900MM,帮锚杆长为1800MM。试验巷道支护参数顶板3根锚杆,规格201900MM两帮及底角8根,规格161800MM,排距08M,布置如图2,按此方案进行数值计算的位移场分布如图3。虽然巷道周围塑性区破坏较大,围岩应力绝对值大,分布复杂,底板有一定鼓起,但巷道两帮及顶板位移控制较好,巷道成形好,这一计算结果与井下实测相符。该区段锚杆支护效果与矿工钢支护进行了比较。矿工钢适应性极差,维修频繁,平均50D清一次底煤,约500MM；架棚翻修周期95D,两帮移近567MM,巷道变形的速度始终不稳定,日平均两帮移近63MM,顶底移近91MM。锚杆支护巷道有相对稳定阶段,两帮移近速度12MM/D,顶底15MM/D。其中顶板下沉035MM/D,仅为矿工钢的1/6。掘后180D累计变形量两帮270MM,顶底324MM,此时锚杆已在屈服状态下工作,但巷道保持良好。采动影响后期清一次底煤约500MM,两帮个别地方补打锚杆即满足了使用要求,报废时两帮移近430MM,帮顶基本完好。因此锚杆支护从根本上改善了维护状况,能够控制深井三软煤巷围岩稳定。35小结1煤矿巷道支护经历了木支护、砌碹支护、型钢支护到锚杆支护的发展过程。实践证明,锚杆支护是经济、有效的支护技术,是煤矿实现高产高效生产必不可少的关键技术之一。2煤矿锚杆支护技术经历了从低强度、高强度到高预应力、强力支护的发展过程。目前已开发出包括巷道围岩地质力学测试、动态信息支护设计、高强度与高刚度支护材料、快速施工机具与工艺、工程质量检测与矿压监测及锚固与注浆联合加固在内的锚杆支护成套技术,成为首选、安全高效的主要支护方式。3高强度、高刚度锚杆支护技术成功应用于千米深井巷道、软岩巷道、强烈动压影响巷道、沿空掘巷与留巷、采空区留巷等复杂困难条件,围岩的强烈变形得到有效控制,取得良好的支护效果。4锚杆支护技术是继我国煤矿成功应用综合机械化采