b090209 高强度锚杆支护成套技术在下沟煤矿的应用

高强度锚杆支护成套技术在下沟煤矿的应用 李殿国 天地科技股份有限公司开采 设计 事 业 部，北京 100013 摘 要 介绍包括设计方法、地质力学测试、锚杆支护材料、工程监测等技术在内的 高强度锚杆支护成套技术。并着重介 绍了该技术在下沟煤 矿综放工作面顺槽及大 断面开切眼中的试验及应用情况。 关键词 高强度锚杆支护 动态信息设计法 地质力学测试 工程监测 - 1 引 言 下沟煤矿地处陕西省彬（县）长（武）煤田，煤质优越，开采条件良好，采用综采放 顶煤开采方法。巷道断面大，巷道的两帮和顶板都是强度比较低的煤层，支护难度大。下 沟煤矿原采用木支架支护巷道，支护强度很低，在大断面全煤巷道中不再适用。为此彬县 煤炭公司与天地科技股份有限公司开采设计事业部合作，在下沟煤矿试验推广高强度锚杆 支护技术。至今，已在十个工作面的顺槽和开切眼中推广应用，取得了良好的技术经济效 果。 2 高强度锚杆支护技术 2.1 锚杆支护设计方法 采用动态信息设计法。动态信息设计法具有两大特点：其一，设计不是一次完成的， 而是一个动态过程；其二，设计充分利用每个过程中提供的信息。该设计方法由试验点调 查和地质力学评估、初始设计、井下监测、信息反馈和修正设计、日常监测五个部分组成。 试验点调查包括围岩强度、围岩结构、地应力及锚固性能测试等内容，在此基础上 进行地质力学评估和围岩分类，为初始设计提供可靠的参数。 初始设计以数值计算方法为主，结合解析法和经验法，根据围岩参数和已有实测数 据确定出比较合理的初始设计。 将初始设计实施于井下，并进行详细的围岩位移和锚杆受力监测。 根据监测结果验证和修正初始设计。 正常施工后还要进行日常监测，保证巷道安全。 2.2 地质力学测试 巷道围岩是锚杆支护对象，地质力学参数是锚杆支护设计的基础。只有充分了解研究 对象，才能使支护设计合理、安全、可靠。 与其它工程材料相比，围岩具有两大特点：其一是岩体内部含有各种各样的不连续面， 如节理、裂隙等，这些不连续面的存在显著改变了岩体的强度特征和变形特征，致使岩块 与岩体的强度相差悬殊；其二是岩体含有内应力，地应力场的大小和方向都显著影响着围 岩的变形和破坏。因此，一切与围岩有关的工作，如巷道布置、巷道支护设计，特别是锚 杆支护设计，都离不开对围岩地质力学特征的充分了解。 下沟煤矿采用天地科技股份有限公司开采设计事业部开发研制的，与煤巷锚杆支护相 配套的巷道围岩地质力学快速测试系统，完成了全矿区的地应力、围岩强度和围岩结构测 量工作，获得大量宝贵的基础数据，为锚杆支护技术推广应用起到了良好的促进作用。 2.3 锚杆支护材料 锚杆支护材料包括锚杆、锚固剂、托盘、螺母、钢筋托梁、金属网、锚索及注浆材料 等。这些材料是锚杆支护的基础，它们的力学特性显著控制着锚杆支护效果的发挥。 下沟矿经过几年的研究与实践，逐步形成完善了一套高强度高刚度锚杆系统，并已形 成了标准化、系列化。 （1）锚杆 采用无纵筋左旋螺纹钢锚杆，锚杆材质采用优质钢材或经中频调质，达到高强度和超 高强度级别的钢材。如表 1 所列，直径 22mm 的杆体极限载荷高达 342kN，比以前采用的普 通圆钢杆体强度提高了 34 倍。 表 1 高强度锚杆材料力学特征 锚杆材质 公称直径/mm 屈服强度/MPa 极限强度/MPa 屈服载荷/kN 极限载荷/kN 伸长率/% Q235 圆钢 16 240 410 48 82 26 高强度螺纹钢 22 410 600 156 228 17 超高强度螺纹钢 22 650 900 247 342 17 （2）树脂锚固剂 树脂锚固剂为高分子材料。由于其粘结力强度大、固化时间快、安全可靠性高，已广 泛应用于煤巷锚杆支护。只有高强度、高变形模量和高粘结力的树脂锚固剂，进行加长或 全长锚固，才能保证锚杆支护系统的高刚度。 （3）组合构件 组合构件是锚杆（索）支护中的重要部件。它可将单根锚杆（索）联结起来组成一个 整体承载结构，显著提高锚杆（索）支护的整体效果。在下沟煤矿采用的锚杆组合构件主 要是钢筋托梁，锚索组合构件有槽钢和钢带。钢筋托梁采用钢筋焊接而成，成本比较低， 在下沟煤矿应用，取得良好的支护效果。 （4）锚索 锚索支护是采用有一定弯曲柔性的钢绞线，通过钻孔以一定的方式锚固在围岩深部， 对围岩进行加固补强的一种支护手段。锚索支护具有锚固深度大、承载能力高、能施加较 大预紧力等特点，可获得比较理想的支护加固效果。最小直径的单根锚索破断力可达 265kN，最大可达 600kN。锚索的锚入深度基本不受限制，其加固范围、支护强度、可靠性 是普通锚杆支护所无法比拟的。 2.4 锚杆支护矿压监测 由于锚杆支护巷道围岩活动状况的隐蔽性，因此，所有采用锚杆支护的煤巷都应进行 日常巷道矿压与支护监测。监测的目的一是让井下作业人员随时观测巷道围岩活动情况， 一旦发现异常，可及时采取措施，保证安全生产；二是通过监测获得围岩稳定状况的信息， 为修改、完善设计提供依据。结合现场实际确定下沟煤矿煤巷锚杆支护监测内容有：巷道 表面收敛、顶板下沉、锚固区内外的离层值、锚杆受力及其分布、锚杆锚固力、预紧力等。 围绕以上监测内容，完善检测技术和仪器，并严格锚杆监测管理制度，以保证锚杆支护监 测的正常有序进行。 3 技术应用 下沟煤矿第 1 个综放工作面 ZF1802，其巷道布置在 8#煤层中。8 #煤层平均厚度为 16.7m，倾角为 4，煤层平均单轴抗压强度为 16.9MPa。根据综放工作面回采工艺的要求， 巷道布置在距煤层底板 4m 的位置，埋深约 350m。 巷道断面为矩形，运输顺槽宽 3.8m，高 2.7m，掘进断面积为 10.3m2；回风顺槽宽 3.0m，高 2.7m，掘进断面积为 8.1 m2；开切眼宽 7.0m，高 2.7m，掘进断面积为 18.9m2。 巷道支护采用树脂锚固剂加长锚固的锚杆组合支护系统，并采用锚索进行补强。具体参数 如下： （1）运输顺槽 顶板采用直径 20mm、长 2200mm 的左旋无纵筋螺纹钢筋锚杆，隔排 4 和 5 根锚杆，排 距 1000mm，间距分别为 1200mm 和 800mm，用树脂锚固剂加长锚固，配钢筋托梁，金属网护 顶。顶板用锚索为高强度低松弛预应力钢绞线，长度 7000mm，每 3 排锚杆安装 1 根锚索， 采用树脂锚固剂加长锚固。锚索托板为 12#槽钢，长度 1400mm。 巷帮靠工作面一侧采用长 1800mm 的玻璃钢锚杆支护，每排 4 根锚杆，间排距为 12001000（mm） ，采用树脂锚固剂端部锚固；靠采空区一侧采用长 1800mm 的圆钢锚杆支 护，每排 4 根锚杆，间排距为 12001000（mm） ，采用树脂锚固剂端部锚固。塑料网护帮。 （2）回风顺槽 顶板采用直径 20mm、长 2200mm 的左旋无纵筋螺纹钢筋锚杆，每排 4 根锚杆，排距 1000mm，间距为 800900mm，用树脂锚固剂加长锚固，配钢筋托梁，金属网护顶。 巷帮靠工作面一侧采用长 1800mm 的玻璃钢锚杆支护，每排 4 根锚杆，间排距为 12001000（mm） ，采用树脂锚固剂端部锚固；靠采空区一侧采用长 1800mm 的圆钢锚杆支 护，每排 4 根锚杆，间排距为 12001000（mm） ，采用树脂锚固剂端部锚固。塑料网护帮。 （3）切眼 顶板采用直径 20mm、长 2400mm 的左旋无纵筋螺纹钢筋锚杆，每排 8 根锚杆，间排距 为 9001000（mm） ，用树脂锚固剂加长锚固，配钢筋托梁，金属网护顶。顶板锚索为长 7000mm 的高强度低松弛预应力钢绞线，每 3 排锚杆安装 1 根锚索，用树脂锚固剂加长锚固， 用长度 500mm 的 12#槽钢做锚索托板。 巷帮靠工作面一侧采用长 1800mm 的玻璃钢锚杆支护，每排 3 根锚杆，间排距为 12001000（mm） ，采用树脂锚固剂端部锚固；靠采空区一侧采用长 1800mm 的圆钢锚杆支 护，每排 4 根锚杆，间排距为 12001000（mm） ，采用树脂锚固剂端部锚固。塑料网护帮。 4 应用效果 为了全面地了解工作面巷道锚杆支护的效果，保证巷道安全，进行了全面的矿压监测， 观测结果如下： （1）巷道表面位移 分别在下沟煤矿 ZF1802 综放工作面运输顺槽、回风顺槽和切眼中对顶板下沉量和两帮 移近量进行了监测。掘进期间巷道变形量很小，顶板下沉量和两帮移近量均不超过 10mm， 锚杆支护有效地控制了围岩变形。 （2）顶板离层 采用 LBY-3 型顶板离层指示仪监测顶板岩层锚固范围内外位移值，顶板离层监测结果 表明，锚固区内部顶板离层值为 39mm，顶板 7m 范围内岩层的总离层值也只有 510mm， 顶板离层不大。在巷道掘进 15 天，约距工作面 100m 后，顶板离层基本趋于稳定。锚固范 围内离层值大于锚固范围外离层。说明锚杆、锚索支护系统有效控制了顶板变形，特别是 在控制处于锚固范围外软弱煤层的破坏，以及在煤岩交界面上的离层方面发挥了重要作用。 （3）锚杆受力 顶板锚杆受力分布采用 CM-200 型测力锚杆测试。在施工时，将正常安装的锚杆换成测 力锚杆。典型顶板锚杆受力情况如图 1 所示。 0153045 607590 504083012016020距 孔 口 距 离 （ m）锚杆轴 向力（kN） 02/1/302/1/502/1/702/1/902/1/1002/1/12 图 1 回风顺槽顶板测力锚杆监测结果 ZF1802 综放工作面顺槽及切眼经历掘进和回采整个服务期，巷道支护状态良好，说明 高强锚杆支护技术在该矿的应用是成功的。 在后续工作面巷道支护中，根据具体条件，支护参数进行适当调整，总体使用效果良 好。 5 结 论 高强度锚杆配合小孔径树脂锚固预应力锚索的组合支护系统，是适合下沟煤矿综放工 作面回采巷道的安全、有效和经济的支护方法。 下沟煤矿实践表明，锚杆支护动态信息设 计方法是一种科学、先进的设计方法，根据矿压监测结果效验锚杆支护初始设计参数直接、 有效，使巷道支护更趋合理。高强度锚杆与锚索支护技术的支护效果明显优于其它支护方 式，它的应用为下沟煤矿大断面全煤巷道提供了一条有效的支护途径，可在类似条件下推 广应用。 参考文献 1康红普,王金华等.煤巷锚