深井回采巷道锚杆支护设计研究与实践.doc

深井回采巷道锚杆支护设计研究与实践.张亮1 ，常聚才2.安徽理工大学能源安全学院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学能源与安全学院，安徽 淮南 232001）摘要：详细介绍了系统动态监测设计法的原理和步骤，针对淮南望峰岗深井回采巷道的具体条件，采用系统动态监测设计方法进行锚杆支护设计，并辅以理论计算和数值模拟。实践证明，此方法获得了成功，为类似条件下回采巷道支护提供了依据，具有重要的参考价值和现实意义。关键词：系统动态监测设计法；深井回采巷道；理论计算;数值模拟作者简介：张亮（1989-）,男，汉族，安徽庐江人，安徽理工大学能源与安全学院采矿工程在读研究生，研究方向为巷道支护技术，TelE-mail:Reaserch and practice on bolt-support design of roadway in deep mineZhang Liang1 ,Chang Ju-cai2(1.School of Mineral and Safety Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan,Anhui 232001,China;2. School of Mineral and Safety Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan,Anhui 232001,China;)Abstract:Introduce the principle and setps of system dynamic design method.Aiming at the specific conditions of deep mine roadway of Wangfenggang in Huainan,the method was used for bolt-support design,supplemented by theoretical calculation and numerical simulation.Practice has proved the method was successful and provided basis for roadway mining in similar conditions,being of important reference value and practical siginificance.Keywords:system dynamic design method,deep mine roadway,theoretical calculation,numerical simulation1 前言在我国，井工开采是煤矿开采的主要形式，需要在井下开掘大量的巷道，因此如何保持煤矿巷道畅通与围岩稳定对煤矿安全生产建设具有重要现实意义。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，逐渐由低强度、高强度向高预应力、强力支护趋势发展1。锚杆(索)支护作为一种主动支护方式，具有支护效果好，使用成本低，操作灵活简便等优点。淮南矿业集团谢一矿望峰岗井煤层赋存深度-660m-1200m，其中矿井第一水平深达960m，第二水平达1200m，是淮南矿业集团开发建设的第一对千米深井，也是淮南矿区开采技术条件最复杂、开采难度最大的一对深井。回采期间，巷道受动压影响较大，回采巷道变形大，难以维护。因此开展锚杆支护设计研究具有重要现实指导意义。2 系统动态监测设计法2.1 原理及指导思想系统动态监测设计法是以对地应力场及其对巷道稳定性的影响方式、围岩变形失稳规律、锚杆支护机理与支护特性三个方面的正确认识为理论依据;以现场调查、工程实测和矿压观测为依托手段和表现形式；以解释实测与观测结果从而实施监控所应遵循的工程准则为核心内容的一种系统性的煤巷锚杆支护设计方法2。该设计方法不同于其它设计方法的最大特点是把锚杆支护设计看成一个系统动态过程。系统动态监测设计法的指导思想是在预应力锚杆控制围岩的基本思想之上做到：做出一个好的支护设计必须了解被支护的对象巷道围岩的强度特征及变形失稳规律；了解作用于围岩上的载荷地应力（包括原岩应力和次生应力）及其影响方式；了解安装于围岩中的支护体锚杆的支护机理与支护特性。2.2具体内容系统动态设计方法可以分为以下四个步骤：（1） 考虑岩体条件3对于具体巷道作细致调查分析，弄清楚围岩的岩石强度、岩石性质以及岩体的节理裂隙发育程度、沉积变化和构造影响等。（2） 初步设计根据调查的岩体、采动、构造条件，试验资料及同类条件的工程实践等，借助于工程类比和理论计算确定支护结构、形式和参数，这是设计工作的开始，并在实施过程中根据工程反馈的信息作出修改。具体步骤为：收集巷道原始资料，如巷道断面形状、大小；围岩粘聚力、内摩擦角、抗拉强度和抗压强度等力学参数；锚杆的力学性能、规格；围岩的松动范围；计算锚杆与围岩承载体应该承受的围岩应力大小；按挤压加固原理初步选定锚杆支护参数：包括锚杆间排距，锚杆对围岩的挤压力，锚杆长度等；计算承载结构受力；检验承载结构是否满足要求。（3） 矿压观测了解巷道施工与初步设计的一致性，检查施工质量是否符合设计和质量标准要求，并排除施工质量影响因素。矿压观测采用常规观察法，观测支架受力及变形、巷道围岩变化和顶板离层量。观测结束后，对矿压观测数据进行全面分析，评判巷道支护设计的适应性、合理性及存在问题，提出修改意见，使其不断完善。（4） 工程支护效果现场写实调查现场写实调查可以分阶段进行，即分为巷道掘进期和回采期两个阶段。调查内容为支护结构的作用效果、破坏部位及数量，以及结构缺陷。通过调查，对照矿压观测数据作出巷道稳定性分析和判断。巷道掘进期的调查结果应予以及时利用，以改进初步设计。巷道服务期的调查结果是对巷道能否适应系统安全生产需要的最终考察和支护设计是否合理的最终裁决。根据调查结果全面分析论证，对巷道支护结构、形式、参数再改进、优化。采用高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。在提高锚杆强度（如加大锚杆直径或提高杆体材料的强度）、刚度（提高锚杆预应力、加长或全长锚固），保证支护系统可靠性的条件下，降低支护密度，减少单位面积上锚杆数量，提高掘进速度。3 锚杆锚索支护设计在满足支护安全，经济并有利于提高巷道掘进速度的前提下，依照系统动态监测设计方法对5121(s)B9b工作面下顺槽巷道进行锚杆支护设计。（1） 岩体地质条件概述本块段B9b煤层赋存稳定，煤厚在1.52.0m之间，为半暗半亮型煤，褐黑色，块碎块，中硬，节理较发育，煤质为中灰、中硫、特低磷的1/3JM。煤层总体呈单斜构造形态，平均走向为332，倾向NE方向，倾角平均为22，地质构造较复杂。（2） 支护断面设计考虑到工作面采用综采方式回采，同时满足通风和行人的需要，并考虑一定的巷道变形富余量，该工作面设计下顺槽巷道断面均为斜梯形，中高2.8m,宽5.0。通过现有科技成果和工程实践经验，确定采用树脂加长锚固强力锚杆锚索组合进行巷道支护。（3） 支护参数设计 锚杆长度围岩在极限平衡状态下的塑性半径： （1）式中：Rs巷道塑性区半径;R0巷道外接圆半径，2.4m; 上覆岩石平均容重，2.5103Kg/m3;H巷道埋深，800m;C围岩粘结力，2MPa; 围岩内摩擦角，取30。经计算Rs=3.4m。顶板岩层载荷厚度为Hd=3.4-1.2=2.2m由锚杆的均匀压缩带原理知锚杆的锚固端必须位于有较高残余强度的塑性区内，取松动圈半径的1.1倍。则锚杆长度为：L=1.12.2=2.42m，取2.5m 锚杆间排距锚杆支护主要是能将围岩周边岩体锚固成能承受自身围岩压力的整体结构，锚固均匀压缩带厚度不小于锚杆长度的1/3，均匀压缩带的厚度和锚杆的锚固深度、间排距有关。为了安全起见，取压缩带厚度t=L/3,即t=0.8m，可确定出锚杆的间排距：D2R0（L-t）/(2R0+L)=1.1m根据计算结果，锚杆的间排距应小于1.1m，参照类似巷道支护参数，考虑上覆B10煤层已经回采，本巷道处于采空区下方的应力降低区，锚杆的间排距为1.0m。 锚杆直径计算根据锚杆杆体承载能力和锚固力等强度原则确定锚杆直径，计算公式如下：式中d锚杆杆体直径，mm；Q锚固力，由拉拔试验确定，为120130kN;mg杆体材料抗拉强度，Mpa，这里选择螺纹钢，强度为345MPa。带入公式计算得锚杆直径为20.9521.1mm。根据技术规范中的锚杆直径系列，锚杆直径选择22mm，锚杆选用高强度左旋螺纹钢锚杆。 锚索及其参数选择在锚梁网、锚索支护体系中，预应力锚索占有相当重要的作用，它可以锚入到深部稳定的岩层中，且对围岩可施加10T以上的初始预应力来限制岩体有害变形的发展，从而保持岩体的稳定。锚索的长度根据巷道顶板的岩性结构，要求锚入到稳定的岩层中，锚索锚入到稳定岩层中长度一般不小于2.0m，从B9b煤顶板来看，直接顶厚度为细砂岩，平均1.5m，老顶为中砂岩与砂泥岩互层，平均2.9m，则实际锚索锚固深度为：L=1.5+2.5=4.0m锚索的外露部分取300mm，考虑直接顶厚度的不均匀性和施工影响因素，安全系数取1.1，则锚索的长度为：Ls=1.1(4.0+0.3)=5.17m，取锚索长度5.3锚索支护密度：式中：N为锚索数目，根/m；k2为安全系数，取1.2；P为锚索的最低破断力，KN；W为每米巷道的静压力，KN；式中：B巷道宽度，m；h悬吊的岩层厚度，m；r悬吊岩层的平均容重。代入相应值，得到：N=1.2(4.41.525)/260.7=0.76根/m。锚索的材料选用22的钢绞线，锚索的布置方式根据实际情况和经验确定如下：每排2根，排距3.0m。（4） 支护抗力校核 锚索提供的最大支护抗力Ps=2qs/B.D式中：qs锚索的破断力，260KN；B巷道宽度，4.4m；D锚索排距，3.0m。计算得：Ps=2260/42.4=39KN/m2 锚杆提供的支护抗力锚杆加固后，所形成的均匀压缩带提供的支护抗力为：Pm=（qm/Dm2）式中：qm锚杆的锚固力，100KN/根；Dm锚杆排拒，1.0m；锚杆支护系数。其中：锚杆位于塑性区时式中：塑性区内摩擦角，取20; =45+/2计算得：=1.04；=0.39Pm=0.39(100/0.82)=61KN/m2总的支护抗力：P总=0.39（100/0.82）=61KN/m2支护安全系数：K=P总/Q=1.81.5综上，支护参数设计是安全的。4 数值模拟运用FLAC3D软件进行模拟，根据实际地质条件，建立长400m，宽400m，高240m的模型。并根据研究需要和计算方便，将所需研究的巷道部分网格进行加密，其余部分网格进行简化。得到模型如图1所示：图1 巷道整体模型图巷道掘进60米垂直应力分布如图2：图2 巷道掘进60米处垂直应力剖面图5 结语在实际施工过程中，根据实际的地质