阳煤集团锚杆锚索支护现状及技术发展对策.doc

阳煤集团锚杆锚索支护现状及技术发展对策 作者 任晓峰 摘要：通过阳泉煤业集团从1985年以来开始较大规模的研究，试验和推广巷道锚杆支护技术以来，在生产过程中查找存在的问题和不足，有针对性地分析了锚杆锚索支护现状，并提出了今后改进和发展技术对策。 关键词：锚杆锚索支护；技术；对策 掘进与回采是煤矿开采的2个关键环节。安全、有效、快速的巷道支护技术是保证矿井实现高产高效的必要条件。据不完全统计，我国国有大中型煤矿每年新掘进的巷道总长度高达7000余km。如此巨大规模的地下工程在其它行业是不多见的。因此，巷道支护的可靠性直接影响煤炭企业的经济效益与安全生产。煤矿巷道支护经历了木支护、砌碹支护、型钢支护到锚杆锚索支护的漫长过程。多年来国内外的实践经验表明，锚杆锚索支护是煤矿巷道的主要和有效的支护技术。 1 阳泉煤业集团锚杆锚索支护发展概述 阳泉煤业集团从1985年就开始较大规模的研究、试验和推广巷道锚杆支护技术。19931994年与煤科总院合作完成了“阳泉主采煤层巷道锚杆支护参数及钻具选择的研究”项目，使该技术得到进一步推广，取得了较好的技术经济效益和社会效益。 近年来，阳泉煤业集团在锚杆和锚索支护技术方面做了大量研究、试验工作，取得了比较丰富的理论和实践经验，处于国内领先水平。但是随着综采放顶煤开采技术的发展，公司在厚煤层沿底板掘进巷道的数量急剧增长，由于此类巷道顶板为煤层，在地质、矿压等的影响下，支护难度大、支护费用高，严重影响了回采工作面的衔接和生产。1998年阳泉煤业集团引进了煤炭科学研究总院发明的小孔径锚索支护技术，与北京建井所合作从1998年10月开始在新景矿71113回采工作面尾巷进行试验，并取得成功。1999年3月20日，在一矿北丈八井8904工作面回风顺槽考试采用锚杆、网、W钢带、锚索支护形式，共施工920 m。在巷道掘进和回采期间没发生顶煤冒落现象，掘进期间巷道顶底板和两帮移近量只有35 mm，月进度超过400 m。回采期间该巷道顶底板移近量最大100 mm，没有发生较大变形，能够满足使用，平均每个工作面月产量至少增加1万多t。2000年5月，在属于松散煤层的五矿15#煤层，综放工作面顺槽锚杆网W钢带锚索联合支护试验取得成功。之后，公司在综放工作面顺槽巷道全部采用了锚杆网W钢带锚索联合支护或全锚索支护，井下各类巷道特别是受二次动压影响的瓦斯尾巷、峒室、回采工作面切巷等也推广了锚索支护。 至此，锚杆锚索支护已经成为阳泉煤业集团不可缺少的主要支护技术，对降低生产成本、提高经济效益起到了重大作用。 2 锚杆锚索支护的不足及改进的必要性 近几年来，阳泉煤业集团的巷道支护主要以锚杆锚索支护为主，该支护方式的全面推广应用，不仅保证了矿山的安全生产，而且促进了原煤产量的大幅度提升。集团百万吨采煤队个数由2000年的4个增加到2006年的15个，2个400万t和2个200万t的采煤队脱颖而出。全公司的产量以每年350万t的速度递升，2007年的原煤产量达到3 300万t以上。随着产量的逐年增长，开拓掘进进尺的速度也在相应加快，2007年开拓掘进进尺达到252500m，而且90%以上的巷道采用锚杆锚索支护。多年来，在锚杆和锚索支护技术方面做了大量的研究、试验工作，取得了比较丰富的理论和实践经验，解决了大量巷道支护难题。但是，为了更好的适应高产高效的需要，促成集团公司原煤产量跨越式增长，在许多方面还需要作进一步深入的研究。 (1)缺乏锚杆与锚索支护设计所需要的基础性参数，即巷道围岩地质力学参数，包括地应力大小、方向、煤岩体强度、煤岩体的结构、弹性摸量、粘聚力、内摩擦参数、深部采区围岩松动圈等参数的测试不全面。基础参数的不足导致对巷道围岩性质认识不清，支护参数设计基本依赖以前的经验，存在一定的盲目性；即支护设计没有根据巷道的地质与生产条件进行个性化设计。针对不同的条件应该提出不同的支护形式和参数，但目前的锚杆支护参数往往相差不大，造成了支护材料浪费，而有的巷道支护强度不足，围岩变形较大。 (2)复杂困难巷道围岩变形与破坏的特征、机理及支护的相互作用关系有待进一步深入研究。需要研究地应力、围岩强度、围岩结构、煤柱宽度、采动等对巷道变形与耦合的影响方式与程度，以及锚杆与锚索支护控制围岩离层、滑动、裂隙张开等扩容变形与破坏的作用。为解决复杂困难条件下巷道支护难题提供可靠的理论依据；以便对松软破碎围岩巷道等的支护设计提供更有力的理论支撑。 (3)部分巷道的支护密度高，影响掘进进度。需要研究与应用高预应力、高刚度的强力锚杆支护材料，以及大直径(2022 mm)、柔性及高吨位的强力锚索支护材料，以解决支护密度给掘进速度代来的负面影响。 (4)锚杆与锚索支护巷道的矿压监测和信息反馈工作有待进一步加强。需要进一步进行全面、系统的巷道围岩变形与破坏状况、锚杆与锚索受力状态监测，制定信息反馈准则、反馈指标与数值，并及时进行信息反馈，判断支护设计的合理性、评价支护效果，确保巷道支护安全经济。 (5)支护形式的锚固方式亟待改善和提高。巷道顶帮支护的锚杆锚索的锚固范围与结构不合理，锚杆锚索的锚固方式单一，导致支护整体效果差、锚杆锚索抗剪切能力差和锚固力低，使巷道支护缺乏持久性。 (6)锚杆钻机及配套施工机具品种单一、功率小、可靠性差、锚杆预紧力低、施工速度慢。 综上所述，虽然我们在锚杆与锚索支护技术方面已经取得很大成效，但毕竟巷道地质条件是复杂、多变的。随着开采深度、强度与广度的发展，为进一步提高巷道支护技术水平，进一步改善巷道支护效果，适应矿井高产高效的需要，有必要开展全面、系统的锚杆锚索支护改进技术研究。 3 锚杆锚索支护技术应开展的工作 3.1 巷道围岩地质力学参数的测定和评估 巷道围岩是一个极其复杂的地质体，与其它工程材料相比，它具有2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，一方面不仅需要测定岩块的物理力学性质，更重要的是充分了解巷道围岩内部节理、裂隙、层理等结构面的分布状况，原位测量岩体强度，获得比较接近于井下围岩实际条件的力学参数；另一方面，应进行井下原岩应力测量，了解巷道所处的应力环境与应力分布状态。基于这些地质力学参数的锚杆支护设计才能保证合理、可靠、安全。 我们曾经对主采煤层及顶底板岩石物理力学性质进行过测定，但是一方面由于测量时间比较早，已经不能适用于目前的采区和巷道；另一方面，井下未进行过地应力的测量与围岩结构观察，基础参数明显不足。因此，开展巷道围岩地质力学参数的测定与评估，是改善巷道支护首要的、必要的工作。测试工作主要包括以下几方面： (1)井下巷道围岩强度测试。采用WQCZ56型巷道围岩强度测定装置，井下原位测定煤岩体强度，测定不同深度煤层和顶板岩石的强度。 (2)巷道围岩结构观察。采用KDVJ400型矿用电子窥视仪，在井下钻孔中观察顶板煤岩层的节理、裂隙、层理等结构面和离层分别状况。 (3)原岩应力测量。采用SYY56型水压致裂地应力测量装置，井下测量原岩应力的大小和方向。 (4)测试数据处理和评估。处理和分析围岩变形、钻孔结构观察与地应力测量数据与资料，对巷道所处的应力环境、结构、完整性和稳定性进行评价。 3.2 复杂困难条件下巷道围岩变形破坏规律及支护机理研究 针对复杂困难条件巷道类型与具体条件，采用现代力学理论与数值模拟方法研究巷道围岩变形与破坏机理，围岩与支护体的相互作用关系，为锚杆与锚索支护设计提供理论基础。 (1)巷道围岩变形破坏机理。分析巷道围岩变形与破坏的主要影响因素，研究巷道围岩变形与破坏在时间和空间上的演化特征。包括煤岩体流变的形式和主要影响因素；大偏应力条件下围岩扩容与破坏特征，结构面离层、滑动、节理、裂隙、裂纹等张开的特征和规律；围岩不连续变形的机理及发生条件、表现形式等。 (2)锚杆与锚索支护作用机理包括：锚杆与锚索预应力引起的附加应力场分别特征分析；锚杆与锚索对岩石扩容变形与破坏的约束作用；组合构件在预应力扩散和抑制浅部岩层松散、离层的作用，以及锚杆、锚索力学性能与参数的相互匹配，在强度与刚度方面的协调。 3.3 锚杆与锚索支护形式与参数优化 根据巷道围岩地质与生产条件，在围岩地质力学参数测试的基础上，确定初步的锚杆支护形式和参数，然后采用数值计算方法(FLAC和UDEC)，进行多方案比较，优化支护形式与参数。 (1)调查公司各矿主要巷道类型与条件，现有的支护形式与参数，存在的技术问题。 (2)选择典型的巷道类型与条件，建立数值模型，确定边界条件和力学本构方程，分析巷道围岩变形的影响因素，破坏特征。 (3)进行不同围岩条件下锚杆、锚索支护巷道围岩变形和破坏规律的模拟，分析锚杆支护与围岩的相互作用。 (4)不同支护形式和参数的多支护方案的比较，分析锚杆支护的影响因素，通过多方案对比，优化支护形式与参数。 3.4 巷道矿压监测与信息反馈技术应用 为了及时、准确地分析巷道矿压监测数据，并根据监测数据判断支护的合理性，必要时修改设计，确保巷道支护安全