巷道锚杆支护设计专题报告

巷道锚杆支护摘要煤巷锚杆支护的技术已趋于成熟但是锚杆支护仍然存在较多问题。第一，锚杆支护工程隐蔽性强，监测技术不能完全满足煤矿的需要，安全可靠根本没有保证。第二，我国煤炭资源分布范围广，地质条件复杂多变，好多复杂地质条件下锚杆支护并未达到理想的支护效果。该设计是从锚杆支护的隐蔽性和我国复杂多变的地质条件等特点出发。围绕这些特点，从杆体材料，加工方法，支护设计理念、施工质量，检测设备，监测手段等方面入手进行试验研究，提高支护质量，实现高产高效。关键词：巷道；锚杆支护；高强度锚杆；监测1问题的提出由于锚杆支护能够改变围岩的力学特性，能获得良好的支护效果，带来传统支护方式无法比拟的技术经济效益，在国内外已受到了普遍的重视并得到了快速的发展及广泛的应用。因此，探索正确的巷道支护理论、选择安全可靠的支护方法、确定经济合理的支护参数以及实用高效的施工工艺成了长期以来人们所致力解决的一个重大理论及技术课题，对于煤矿来说具有重大意义。锚杆支护是巷道支护的一次重大革命，它可以起到加固、悬吊、合成梁和挤压连接体等作用，在支护中使用锚杆可以改变岩体的受力状态，不仅增加了岩石本身的稳定程度，而且使被支护岩体由荷载变为承载体，提高了岩体承载能力。同时，大量工程实践表明，锚杆支护具有用料节省、巷道断面利用率高、支护及时、劳动强度小、经济效益高以及对巷道围岩变形的适应性好等诸多优。因而，井下巷道采用锚杆支护是一种行之有效的支护手段，成为世界主要产煤国家煤矿支护的主要形式，美国、澳大利亚的煤矿巷道普遍采用锚杆支护，其支护比例己接近100%，英法两国煤巷的锚杆支护比例也分别达到了50%和80%以上，而我国煤矿锚杆支护在煤巷中仅占20%左右，和世界先进水平相比存在较大差距。其主要原因是巷道事故率很高。巷道变形破坏、片帮冒顶等事故在地下工程中是最常见的。据不完全统计，煤矿事故中59%以上是巷道事故。究其原因，还是对巷道变形破坏规律认识不清、支护理论不完善，从而造成支护设计工程类比居多，缺乏科学的指导，巷道支护方式选择不合理，因而也就无法保证巷道在不同地质条件下稳定和安全使用。所以本文系统的介绍锚杆支护。2煤矿巷道锚杆支护应用实例分析2.1巷道锚杆支护理论的发展随着巷道锚杆支护技术的快速发展，对锚杆支护理论的研究也取得较大进展。在大量理论分析、实验室试验、数值模拟及井下试验研究成果的基础上，进一深化了对锚杆支护作用本质的认识，指导和促进了煤巷锚杆支护技术的推广应用。基于锚杆对煤岩体的作用，提出多种锚杆支护理论。除传统的悬吊、组合梁与加固拱外，还有围岩松动圈支护理论、围岩强度强化理论等。归纳起来有3种模式：(1)被动地悬吊破坏或潜在破坏范围的煤岩体；(2)在锚固区内形成某种结构(梁、层、拱、壳等)；(3)改善锚固区围岩力学性能与应力状态，控制围岩变形与破坏。通过不断深入的研究后发现，锚杆支护的本质作用以第3种模式为主。同时，借鉴国内其他行业岩土锚固理论与实践应用成果以及美国煤矿锚杆支护理论与实践发现，巷道开挖后立即支护，并施加足够高的安装力，即锚杆、锚索预应力，提高锚固体的刚度是非常重要的。从巷道支护过程看，传统的深部及复杂困难巷道大多采用二次支护理论。但目前很多巷道二次或多次支护仍然不能有效控制围岩变形与破坏。怎样才能有效解决深部及复杂困难巷道支护难题?能否通过有效技术途径，实现次支护，其技术关键是什么?为了回答这些问题，进行了大量的理论研究、数值模拟及井下试验，提出了高预应力、强力支护理。其核心是强调锚杆、锚索预应力及其扩散对支护效果的决定性作用，采用高预应力、强力锚杆组合支护，通过合理的支护设计，实现一次支护。该支护理念的提出主要考虑以下两方面：(1)首先一次支护是矿井实现高效、安全生产的要求。随着采煤工作面推进速度与产量的大幅度提高，要求服务于回采工作面的顺槽应在使用期限内保持稳定，基本不需要维修；对于大巷和硐室等永久工程，更需要保持长期稳定，不能经常维修。再则，很多巷道与硐室掘出后就要安装设备，给二次支护及后续的维修施工带来很大困难，而且存在不安全因素。(2)更重要的是一次支护是锚杆支护本身的作用原理决定的。锚杆支护的基本原理与设置在巷道开挖表面的支护有本质的区别。由于煤岩体基本上属于不连续体，也不能用研究连续体的方法分析锚杆支护的作用。要充分发挥锚杆的支护作用，必须保证锚杆有足够的锚固力，而且锚杆的工作阻力能够有效地扩散到围岩中。而围岩离层、滑动、裂隙张开及新裂纹的产生等不连续变形恰恰是影响锚固力，阻隔锚杆工作阻力扩散的主要因素。大量的井下工程实践表明，巷道围岩一旦揭露立即进行锚杆支护，并施加足够的预应力，能够控制围岩早期离层，支护效果最佳；而在已发生离层、破坏的围岩中进行锚杆、锚索支护，虽然有时支护体受力很大，但支护效果不明显。2.2煤巷锚杆支护成套技术煤巷锚杆支护成套技术是一个庞大的系统，包括巷道围岩地质力学测试、锚杆支护设计、支护材料、施工机具与工艺、支护工程质量检测、矿压监测、特殊地质条件支护技术等诸多方面。2.2.1巷道围岩地质力学测试技术巷道围岩地质力学测试主要包括地应力、煤岩体强度与结构测量。在地应力测量方面，煤矿井下主要采用应力解除法与水压致裂法。应力解除法主要采用国内研制的测量仪器，也有些矿区引进了澳大利亚等国家的仪器与技术，进行原岩应力与次生应力测量。对于水压致裂法，除从地面钻孔测量外，煤炭科学研究总院开采设计研究分院开发研制了专门用于煤矿井下的小孔径水压致裂地应力测量仪器，在全国20多个矿区进行了300余个测站的测量工作，获得大量宝贵的测量数据。在煤岩体强度测试方面，开发出钻孔触探法井下煤岩体强度原位测定装置，在井下钻孔中能够快速、准确地测量煤岩体的抗压强度。在煤岩体结构观测方面，开发出矿用电子钻孔窥视仪，可快速、清晰地观测煤岩体中的节理、层理、裂隙等结构面及离层。全面、可靠的地质力学参数为巷道布置和支护设计提供了必要的基础参数。2.2.2锚杆支护设计方法目前，煤矿巷道锚杆支护设计普遍采用动态信息设计法。设计不是一次完成的，而是一个动态过程；充分利用每个过程中提供的信息，实时进行信息收集、信息分析与信息反馈。进行锚杆支护设计时，锚杆与锚索支护各构件之间的相互匹配对发挥各构件及支护系统的整体支护效果具有十分重要的作用。锚杆托板、螺母应与杆体的强度匹配，锚固剂的力学性能应与杆体匹配，组合构件及金属网的形式与力学参数应与杆体匹配。锚索与托板、组合构件及金属网之间的相互匹配与锚杆类似。高预应力、强力锚杆杆体应配套高强度拱形托板、高强度螺母及高效减摩垫片，组合构件应配套强度与刚度比较高、护表面积比较大的w型钢带，金属网最好采用强度与刚度高的钢筋网。对于高预应力、强力锚索，应使用高强度、拱形大托板，实现锚索预应力与工作阻力的有效扩散。否则，任何支护构件的破坏都会影响支护效果，甚至有可能导致整个支护系统的失效。此外，锚杆与锚索的形式、参数与力学性能应相互匹配，使锚杆与锚索共同发挥支护作用，避免各个击破。2.2.3锚杆支护材料锚杆支护材料经历了低强度，高强度，到高预应力、强力支护的发展过程。普通Q235圆钢黏结式锚杆是我国煤矿曾经广泛使用的锚杆型式。目前，一些地质条件简单的矿区仍在使用。为了适应复杂困难巷道条件，开发出高强度螺纹钢锚杆支护系列材料(见表2-1)。表2-l 锚杆杆体物理力学性能通过杆体结构与形状优化，有利于提高锚固效果；通过开发锚杆专用钢材，达到高强度和超高强度级别。在预应力锚索支护方面，开发出煤矿专用的大直径、高吨位锚索。索体直径最大达22 mm，拉断载荷达600kN(28J。2.2.4锚杆支护施工质量检测与矿压监测在锚杆施工质量检测方面，开发出系列锚杆拉拔计，锚杆预紧力检测器具，及声波锚杆锚固质量检测仪。在巷道矿压监测方面，开发出各种测量表面位移、顶板离层、深部位移的仪器12引，及测量锚杆、锚索受力的系列仪器。近年来，还研制出先进的巷道矿压综合在线监测系统。井下采集数据，传输至井上，可实时进行矿压监测与数据分析。2.2.5锚固与注浆联合加固技术在松散破碎的煤岩体中开掘巷道，单独采用锚杆支护，锚固效果差，锚杆性能不能充分发挥。此外，对于破坏巷道维修或翻修，单独采用锚杆支护也很难取得较好的支护效果。将锚固与注浆加固技术有机结合，是解决破碎围岩巷道支护的有效途径。根据煤矿巷道的特点，开发出不同形式的注浆锚杆。对于极破碎煤岩体，还引进和研制出钻锚注加固技术，解决了难成孔的破碎煤岩体加固难题。在小孔径树脂锚索基础上，研制出树脂与注浆联合锚固锚索。通过控制注浆参数，达到注浆加固的目的。注浆材料除常用的水泥基材料外，还开发出不同类型的化学加固材料，如聚氨酯、脲醛树脂等，以适应不同的围岩条件。2.3典型应用实例分析煤巷锚杆支护技术已经广泛应用于煤矿井下各类巷道。从大巷、集中巷，到回采巷道；从薄及中厚煤层回采巷道，到综采放顶煤工作面煤顶巷道和全煤巷道；从近水平煤层、缓倾斜煤层巷道，到急倾斜煤层巷道；从顶板比较稳定的巷道，到复合、破碎项板巷道：从实体煤巷道，到沿空掘巷和沿空留巷；从小断面巷道到大断面开切眼与交岔点；从浅部巷道，到深部高地应力巷道，涵盖了我国煤矿的各种巷道类型。2.3.1煤矿巷道类型与特点煤矿巷道有很多类型。按用途划分，有为开采水平服务的大巷、主要石门、主要上下山，这类巷道是矿井的主要通道，服务年限长；为采区服务的巷道，采区集中巷、石门、上下山等，这类巷道是采区的主要通道，服务年限比较长；为回采工作面服务的巷道，包括顺槽、开切眼及回撤通道等，这类巷道服务年限较短，受回采工作面动压影响显著，而且多数巷道要求采前保持稳定，采后又能及时垮落。此外还有联络巷、各类硐室及交岔点。按照是否受到采动影响可将巷道划分为：静压巷道与动压巷道；按照巷道层位划分为：岩石巷道、半煤岩巷道煤层巷道；按照护巷煤柱宽度可划分为：实体煤巷道、煤柱护巷、沿空掘巷、沿空留巷及采空区内留巷；按照巷道断面形状划分为：矩形类巷道、梯形类巷道、拱形类巷道及圆形类巷道：按照巷道断面大小划分为：小断面巷道(3004.2按围岩变形量的分类方法围岩表形量是巷道开挖后受多种因素影响的综合结果，是围岩稳定性分类的多因素单一定量指标，煤炭科学研究总院北京建井所据此指定的巷道围岩分类见表4-2。表4-2 按围岩变形量制定的围岩分类围岩类别开挖后围岩变形量/mm2005 巷道锚杆支护设计方法5.1工程类比法工程类比法是建立在已有工程设计和大量工程实践成功经验的基础上，在围岩条件、施工条件及各种影响因素基本一致的情况下，根据类似条件的已有经验，进行待建巷道地质条件与围岩物理力学参数，科学地进行围岩分类的情况下，然后再针对不同条件的围岩类别，根据巷道生产地质条件确定锚杆支护参数。工程类比法是一种实用方法，在我国煤矿锚杆支护设计中占有主导地位。5.1.1以回采巷道围岩稳定性分类为基础的锚杆支护设计方法1988年，原煤炭工业部颁布试用我国缓倾斜、倾斜煤层回采巷道围岩稳定性分类方案。经过十年试用，此分类方案已进一步完善，发展成为包括缓倾斜、倾斜、极倾斜各种煤层厚度的回采巷道，煤层上下山，其他煤巷以及岩石巷道的全部的采准巷道围岩稳定性分类。根据这个方案，煤巷围岩的稳定性可分为非常稳定（类），稳定（类）、中等稳定（类）、不稳定（类）、极不稳定（类）5个类别。我国煤炭系统的许多专家、学者、工程技术人员在煤巷锚杆支护研究、设计与施工中做了大量工作，积累了丰富的经验，并由中国矿业大学、煤炭科学研究总院北京开采所专家组成煤炭工业部锚杆支护专家组将他们丰富的经验积累起来，在采准巷道围岩稳定性分类的基础上，制定了煤巷锚杆支护技术规范。该规范的要点如下：（1）顶板必须使用金属杆体。全长锚固或加长锚固锚杆应采用螺纹钢杆体。采用端头锚固时，设计锚固力不应低于64 kN；采用全长锚固锚杆时，杆体破断力不应低于130 kN.（2）一般情况，巷帮应支护。巷帮锚杆设计锚固力以不低于40 kN为宜。根据巷道断面、煤层厚度与强度、节理裂隙发育程度、埋藏深度、护巷煤柱尺寸、锚杆是否经受切割等因素确定锚杆的形式与参数。（3）锚杆孔径与锚杆杆体锚固段直径之差，宜保持在610 mm范围之内。（4）顶板靠近巷道两帮的锚杆，一般应向巷帮倾斜15-30。（与铅垂线夹角）（5）金属杆体锚杆支护参数系列见表5-1。（6）推荐杆体锚杆基本支护形式与主要参数见表5-2.5.1.2巷道松动圈支护设计地下巷道开挖以后，围岩中将产生应力重新分布和应力集中现象，当围岩应力小于岩体强度时，围岩处于弹塑性状态；当围岩应力超过围岩强度时，围岩中将产生变形松动现象，结果在巷道周围形成松动破碎区，亦称为围岩松动圈。围岩松动圈的大小与工程因素有关，同时也与地质因素有关，是围岩应力和围岩强度的综合反映。研究表明，围岩松动圈有如下特性：由于围岩性质不同，松动圈可能有圆形、椭圆形和异形等形状。（1） 在有控制条件下，松动圈稳定时间当lp150 cm时，1-3各月。（2） 一般的支护不能有效地阻止松动圈的产生和发展。（3） 地质条件一定时，巷道宽度在37 m范围内，松动圈的大小变化不明显。表5-1 金属杆体锚杆支护参数系列项目系列锚杆长度/m锚杆杆体直径/mm锚杆孔径/mm锚杆排距/m锚杆间距/m1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.616 18 20 22 2426 28 31 330.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.40.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.4表5-2 道顶板锚杆基本支护形式与主要参数选择巷道类别巷道围岩稳定状况基本支护形式主要支护参数非常稳定整体砂岩，石灰岩类岩层：不支护其他岩层，单体锚杆端锚：杆体直径:16mm 锚杆长度：1.4-1.8m稳定顶板较完整，单体锚杆排间距：0.8-1.2m 设计锚固力：64KN顶板较破碎，锚杆+网端锚：杆体直径：16-18mm 锚杆长度：1.6-1.8m中等稳定顶板较完整： 排间距：0.8-1.0KN锚杆+钢筋梁，或行架 设计锚固力：64-80kN端锚：杆体直径：16-18mm锚杆长度：1.8-2.2顶板较破碎：排间距：0.6-1.0m锚杆+w刚带+网，或增加锚索+行架+网 设计锚固力：0.8-1.0KN或增加锚索端锚或全长锚固：杆体直径:18-22mm锚杆长度：1.8-2.4m排间距：0.6-1.0m不稳定全长锚固杆体直径18-22mm锚杆+w刚带+网，或增加锚索 锚杆长度：1.8-2.4m行架+网，或增加锚索 排间距：0.6-1.0极不稳定1、顶板较完整全长锚固杆体直径：18-24mm锚杆+金属可缩支架，或增加锚索 锚杆长度：2.0-2.6m2、顶板较破碎 排间距：0.6-1.0锚杆+网+金属可缩支架，或增加锚索3、底鼓严重锚杆+环形可缩支架表5-3 巷道围岩松动圈分类及锚喷支护建议围岩类别分类名称围岩松动圈/mm锚喷支护类型锚喷参数计算法备注小松动圈稳定围岩0-40喷混凝土围岩整体性好，不易风化可不支护中松动圈较稳定围岩40-100锚杆及局部喷射混凝土锚杆悬吊理论必要时可用刚性支架一般围岩100-150锚杆及局部喷射混凝土锚杆悬吊理论刚性支架大松动圈一般不稳定围岩（软岩）150-200锚杆、喷层及局部挂金属网锚杆组合拱理论可缩性支架不稳定围岩（较软围岩）200-300锚杆、喷层及局部挂金属网锚杆组合拱理论可缩性支架极不稳定围岩（极软围岩）300实践证明，在工程条件相似时，采用工程类比法进行锚杆支护设计可能十分成功。然而，我国煤巷锚杆支护技术水平较低，商处于发展阶段，其围岩应力分布、围岩运动有其自身特点，某一类尚存在各种不同情况，使用时必须参照多方面的经验加以应用。5.2理论计算法锚杆支护理论计算法主要是利用悬吊理论、组合梁理论、压缩拱等以及各种力学方法，分析巷道围岩的应力与变形，进行锚杆支护设计，给出锚杆支护的解析解。这种方法的重要性不仅与工程类比法相辅相成，而且为研究锚杆支护提供了理论工具。随着岩石力学发展水平的提高，终将使锚杆支护设计达到