耦合让均压锚网支护技术应用情况介绍

耦合让均压锚网支护技术应用情况介绍第1页/共45页一、概况

近年来，矿井随着采深的逐渐加大，地质条件也日渐复杂多变，矿压显现也变的越来越明显，原有的锚网支护越来越不能满足巷道的支护需要，2009年6月，我矿与美国捷马（济宁）公司合作，采用“综合耦合让均压支护”理念，对我矿12111工作面运巷进行了支护技术改革试验。第2页/共45页二、原有支护体系

12111工作面运巷外段300米为原来支护系统进行的支护。支护参数为：宽×（中）高=4.2m×2.6m顶板：锚杆选用Q335Φ22×2400mm普强螺纹钢锚杆，配120×120×12mm普强异型托盘，锚杆间排距800×800mm；顶网采用6.5mm钢筋焊制的盘条网，规格为1.5m×0.9m；顶锚索选用Φ22×7000mm钢绞线，间排距为1200×800mm，矩形布置，一架两块22＃×1600㎜长槽钢，每块长槽钢打设两根顶锚索，托盘采用复合托盘，中间为长200×宽200×厚50mm的木托盘，外部为长150×宽150×厚14mm的铁托盘。顶锚杆预紧力300N.m；顶锚索锚固力30MPa。第3页/共45页煤帮：锚杆选用MG335Φ20×2600mm普强螺纹钢锚杆，间排距800×800mm，配150×150×10mm的铁托盘，另加一块200×200×50mm的木托板；帮网采用12＃铁丝编织的的金属菱形网与6.5mm钢筋焊制的盘条网组成的复合网片。帮锚索选用Φ17.8×4300mm钢绞线，上帮布置为三排，下帮布置为两排，间距2.0m，五花垂直煤帮布置。帮锚索托盘采用复合托盘，内部为400×400×10mm的铁托盘，中间为200×200×50mm的木托盘，外部为200×200×10mm的铁托盘，2根Z2360树脂药卷锚固；帮梯子梁采用Φ14mm圆钢焊接的长度为2400mm的顺巷梯子梁，与帮锚索形成组合支护进行护帮。帮锚杆预紧力≮200N.m；帮锚索锚固力≮22MPa。第4页/共45页支护效果：

12111工作面外段300米全部采用原有的支护体系，巷道变形非常严重，部分地段顶板下沉严重，只得打木点柱稳定顶板；大部分地段两帮收缩量非常大，普遍超过1.2米，巷道达不到使用要求。在此情况下，和捷马公司合作，进行了新支护体系的试验。第5页/共45页三、耦合让均压支护原理支护设计中，考虑到支护系统的支护特性和围岩应力—变形耦合关系：包括锚杆—锚索和围岩的变形耦合、锚杆—锚索变形耦合、锚杆锚索的让均压协调受力，以保证支护体某一方面不至于受过大载荷而破坏。基本原则是：支护系统能共同、有效、均匀地支护围岩，在保证围岩稳定的条件下，允许支护体在达到其屈服极限前有一定的让均压性能，从而让掉不必要的变形载荷，以保护支护体不破坏。同时锚杆支护系统必须保证及时主动。第6页/共45页四、耦合让均压支护参数（1）确定锚杆支护工况点—支护强度锚杆支护系统应该适应围岩应力和变形的特性。一方面，锚杆支护系统应该保证围岩基本在弹性或弹塑性范围内；另一方面，锚杆支护系统的变形特性必须适合围岩变形特性的要求。根据围岩应力—变形特性曲线研究，确定的支护系统工况点如下:最小支护强度:70t/m巷道围岩位移:30mm锚杆系统允许的最小变形：40mm。耦合让均压点：12～15t第7页/共45页

耦合让均压锚杆参数的选择①锚杆选取：根据上述确定的支护强度，结合本地区巷道高度、围岩特征及同类条件下的巷道支护经验，确定锚杆杆体选用￠20mm×2400㎜的Q500高强左旋螺纹钢杆体，其技术指标如下：最小屈服强度16t最小抗拉强度21t弹性（屈服）支护强度:106t/m最大抗拉支护强度：139t/m弹性安全系数：106/70=1.51最大抗拉安全系数：139/70=1.99第8页/共45页耦合让均压高安装应力锚杆结构如图一。第9页/共45页②

锚杆的安装载荷：为了加固节理裂隙，防止顶板沿层理离层，早期及时支护至关重要。根据类似条件下的长期支护经验和有限元数值分析，顶板锚杆的安装应力不应小于6t，对应预紧力250N.m。由于煤层呈粉末碎块状软弱松散，为了保证支护系统对煤壁的及时主动支护，防止两帮位移过大，帮锚杆的安装应力不小于4t，对应预紧力180N.m。③锚杆间排距：根据上述确定的支护强度和本地区巷道断面规格，确定锚杆排距为900㎜。第10页/共45页（3）表面支护为了保证锚杆系统有效地支护顶板和两帮，表面支护非常重要。根据该地区的围岩条件，选择如下：托盘：150×150×10mm高强球型托盘，承载能力大于23t。钢带：2.5×275mm的W钢带金属网：采用直径为6.5mm的盘条网和直径为4mm的冷拔焊接网。第11页/共45页（4）树脂药卷顶部锚杆锚固剂：选用CK2360快速树脂（钻孔直径为Φ28mm），每根锚杆用两卷树脂锚固剂。帮部锚杆锚固剂：考虑到帮部的钻孔大且施工不方便，为提高锚杆的锚固力，帮部锚杆采用K2535快速树脂，每根锚杆采用两支树脂锚固剂。第12页/共45页辅助支护—耦合让均压锚索辅助支护系统的目的是：①保证巷道长期稳定性；②适应回采工作面的动压需求；③适应于地质条件变化的要求。在此，采用让均压“鸟窝”锚索作为辅助支护。第13页/共45页（1）锚索结构为了提高锚索的支护效率，保证拉拔力，设计制造了“鸟窝”锚索（图二），以实现锚索安装的对中性、增加锚索的拉拔强度和用较少的树脂用量取得最大的锚固力。第14页/共45页（2）锚索长度顶板“鸟窝”锚索的长度为7.3m，锚索的直径为17.8mm，锚索的安装载荷为8～10t。锚索托盘采用200×200×10mm的高强球型托盘，托盘的强度大于35t。为提高锚索的整体性，采用锚索吊槽钢的形式，既提高了巷道表面支护效果，又增加了支护系统的整体性，采用的22#槽钢长度为2.4m，每条槽钢长2.4m，三个孔，孔间距1m。帮部“鸟窝”锚索长度为4.3m，锚索的直径为17.8mm，锚索托盘采用300×300×12mm的高强球型托盘。第15页/共45页（3）耦合锚索让均压点耦合让均压点：21～25t耦合让均压距离：35mm第16页/共45页12111工作面运巷让均压锚杆支护断面图第17页/共45页五、相较原支护，耦合让均压锚网支护的优点1、锚杆支护体系的高配置性能。1）、新方案锚杆规格为：Φ20×2400mm，选用钢材为：BHRB500高强钢，最小屈服强度500MPa、最小抗拉强度670MPa；原顶锚杆规格：Φ22×2400mm;帮锚杆规格：Φ20×2600mm，选用钢材为：20MnSi普通MG335螺纹钢，最小屈服强度335MPa、最小抗拉强度490MPa。2）、托盘：高强球型托盘，承载能力大于23t;原托盘钢材为普通钢，承载能力大于10.5t。第18页/共45页2、均压管、扭矩放大器、阻尼螺母、“鸟窝”锚索等新材料、新设备的应用，提高了支护质量。1）、均压管的应用：从原支护方案结构上分析可以看出，锚索托盘和槽钢间垫了一块厚50mm左右的木块。实验室实验证明，木块在压缩30mm左右时其所承受的载荷只有8t左右，而超过15t的载荷会使得木块完全破坏造成锚索卸载。也就是说在顶板下沉30～50mm时，锚索还没有真正开始支护顶板。而让均压管的让均压点为25t，因而新方案中均压管取代木鞋。让压管的应用解决了木鞋由于受压被破坏而导致锚杆、锚索承压不及时的现象。第19页/共45页2）、“鸟窝”锚索的应用使锚固段锚索基本处于钻孔的中间，使锚索与钻孔四周的间隙几乎相等，实现了“三径”匹配。同时鸟窝内充填的树脂与外面树脂连成一个整体，保证了锚索的内在的锚固力。3）、扭矩放大器可以提高锚杆的预紧力，减少预紧过程中对锚杆的损坏。原来使用风动扳手预紧锚杆，由于风动扳手有较强的震动，对锚杆丝扣产生破坏；同时震动产生煤帮的松动，对煤帮产生破坏。扭矩放大器的使用，避免了以上的缺点，提高了锚杆的预紧力。4）通过阻尼锚杆螺母的引入，实现了锚杆一次安装、预紧，简化了锚杆安装工序。第20页/共45页3、工艺中，适当的降低锚索张拉力，实现锚杆与锚索的同步受载，在一定程度上降低了锚索断裂的现象。锚索涨拉力为20～25Mpa之间，约为8～10t。顶锚杆的预紧力控制在250～300N·m之间，帮锚杆预紧力控制在200N·m。锚索的的涨拉力与锚杆的预紧力大致相同。现场锚杆受力测试步骤：按正常安装步骤用锚杆机安装锚杆并把压力表安置于托盘和螺母之间。安装好后，读压力表读数并测量安装扭矩，然后用扭矩扳手上紧螺母，直到安装应力达到8t。

第21页/共45页记录扭矩扳手上的扭矩读数。试验结果如下：试验结果提供了锚杆安装检测标准：顶锚杆安装扭矩不小于250N.m，以达到6t的安装应力。帮锚杆安装扭矩不小于200N.m以保证4t的安装应力。第22页/共45页4、钢带的有效护顶、护帮面积大，可以使锚杆的支护力更有效的传递，提高了围岩整体的完整性及抗压强度等。最大的收获在于：一是通过和捷马公司合作，使我矿的支护系统得到优化，使锚杆、托盘、钢带、螺母、网片等配件得到比较好的匹配。原来支护中，托盘、梁等比较弱，使支护系统的刚度不足，整体支护能力下降；二是通过新的支护材料和支护工艺，使锚杆、锚索的支护更加协调，达到了耦合支护的目的。第23页/共45页六、使用效果1、围岩变形观测分析通过对位移观测数据分析和对现场巷道表面变形程度观察可以看出：试验初期的70多米巷道，稳定时顶板变形量最大达到280㎜，最小为60㎜，在可接受范围之内。两帮位移最大达到650mm，最小为320㎜；其中上帮移近量最大为470mm，最小为130㎜；下帮移近量最大为244mm，最小为180㎜；也在可接受的范围内，但偏大。随着地质条件的逐渐好转和支护手段的不断完善，80米以后的巷道变形明显减小。稳定时顶板变形量为39㎜，两帮位移为520㎜；围岩变形达到了正常范围，巷道已经稳定。第24页/共45页2、支护成本分析通过对两种方案支护费用比较，在满足巷道支护需要，进一步提高支护效果的情况下，巷道的材料费用由原来的3490元/m降低到了3102元/m，每米支护直接费用降低了388元左右。3、掘进效率比较该方案中，锚杆、锚索排距由原来的800mm提高到了900mm，循环进度提高了100mm，相应的每米巷道锚杆、锚索支护工作量降低了11.2%。按照矿井现有的施工组织，每个生产班组一般情况下小班循环在3个左右，因此，小班完成同样的循环个数进尺就会增加300mm，提高了12.5%。同时，通过阻尼锚杆螺母和扭矩放大器的引入，实现了锚杆一次安装、预紧，简化了锚杆安装工序，锚杆的施工效率平均提高了30%左右。综合上述各种因素，巷道综合掘进效率实际提高了35%左右。第25页/共45页七、推广应用及进一步的发展煤巷方面，已经全面推广，效果良好。在岩巷中，除推广应用该支护理念外，深入发展了软岩巷道超高强度耦合让均压支护系统，取得了良好的支护效果。下面就软岩巷道超高强度耦合让均压支护系统进行简单介绍：第26页/共45页１）概况二水平北翼采区的延深中，受围岩应力大，地质构造复杂，围岩破碎等条件影响，巷道变形非常严重，虽经采用围岩锚注等加固技术维修，保证了巷道维修效果，但由于锚注加固（尤其是底板锚注）工艺复杂，巷道维修速度缓慢且修复成本高，要想从根本上解决巷道支护问题，必须从支护下手，减少巷道的变形，降低巷道了返修率。根据以上思路，在二水平南翼采区的延深中，进行了软岩巷道超高强度耦合让均压支护技术试验。取得了较好的支护效果。第27页/共45页２）二水平南翼轨道下山耦合让均压支护设计通过对原有软岩巷道破坏特性和该地区地质采矿条件分析，这次支护设计我们首先从锚杆的强度、锚杆的安装应力、锚杆的控制变形让压和均压性能、巷道的护表强度及辅助支护加固等方面对巷道支护进行了设计修改。修改后的具体支护参数为：（1）锚杆材料：锚杆选用D20×2800㎜的HB600高强钢作为锚杆的杆体（其屈服强度大于19吨，抗拉强度大于25吨）。（2）锚杆的安装应力：锚杆的安装应力为8吨（预紧力扭矩350N·m）。（3）锚杆间排距均为800mm×800mm，三花布置。第28页/共45页（4）让压管：根据所选用的锚杆强度，让压管的控制让压力为15-17吨，长度为40mm。（5）锚固长度和锚固力：每套锚杆采用2卷树脂，其锚固长度要达到1.0m以上，锚固力大于23吨。（6）托盘尺寸和强度：采用与所选用锚杆相匹配且护顶面积较大的200×200×10mm球形托盘，其强度大于28吨。（7）表面控制：为了控制松散围岩的脱落，采用钢筋直径为6.5mm、网格尺寸为100×50mm的焊接金属网作为表面控制的方式。（8）辅助支护：采用快装“鸟窝”让压锚索作为辅助支护。其中顶板锚索长度为8m，帮部锚索长度为4.5m，锚索直径均为18.9mm，锚索托盘均为300×300×12mm的高强球型托盘。锚索布置采用五排顺巷布置：正顶部一排，两拱部各一排，两帮各一排。单排锚索前后间距均为1.6m，锚索张拉力不小于35Mpa。第29页/共45页支护断面图第30页/共45页３）试验应用情况及效果评价

该支护试验自2010年3月26日开始，至7月底，已试验应用巷道340m左右。通过对巷道位移和锚杆、锚索受力监测数据分析，我们发现在1～18天内顶板及两帮移近速度和移近量呈增加趋势，此阶段是巷道围岩剧烈变形阶段；18天以后，顶板及两帮移近速度开始下降，逐渐趋近于0；巷道掘进60天内，顶板移近量最大值达到45mm，两帮相对移近量最大值达到43mm。锚杆、锚索载荷在20天左右基本达到稳定；锚杆载荷由安装时的9t逐渐达到12～13t，锚索荷载由安装时的13t达到14～18t；之后逐渐趋于稳定。第31页/共45页由此证明高安装应力和锚杆、锚索载荷的迅速增加充分控制了顶板的早期变形破坏，减少了离层的发生。之后通过进一步的观测和对巷道表面状况观察，发现巷道两帮及顶板均没有发生变形，同时底板也没有发生底臌现象，说明此区域巷道已经稳定，支护改革取得初步成效。第32页/共45页全长预应力锚索注浆技术

在底板加固中的应用冀中能源邯郸矿业集团云驾岭煤矿第33页/共45页一、概况云驾岭煤矿北翼二水平延深中，巷道受围岩条件、埋深及动压影响，发生严重变形。其中八采皮带下山、二水平大巷、副暗斜井下段及水仓泵房变电所变形尤为严重，个别地段底臌总量已达3000㎜以上。为此，2008年开始，我矿安排了3支队伍对二水平系统进行扩修，并与河北同成公司进行技术合作，采用全断面锚注加固技术对破坏巷道进行治理。尤其是针对巷道底臌变形量大、变形时间长等情况，采用的全长预应力底板注浆锚索加固技术，取得了良好的治理效果。第34页/共45页二、全长预应力底板注浆锚索施工工艺全长预应力注浆锚索施工工艺是采用注浆的方法首先将预应力锚索一端固定在巷道底板深部稳定围岩中，然后进行初次张拉，给锚索另一端施加一定的主动作用力，使锚索具有一定的预应力。在此基础上再进行锚索孔全长范围内的高压注浆，待浆液凝固后，再对锚索最后进行张拉，并张拉至设计锚固力值，保证锚索在全长范围内具有较高的预应力，真正实现了锚索对破碎岩层的主动支护，岩体压力荷载便通过锚索被传递到深部稳定的岩体，深部稳定的岩层自稳潜能得到充分发挥，从而可以有效控制巷道底板变形。

第35页/共45页三、全长预应力底板注浆锚索技术参数

根据二水平巷道底臌破坏特性和现场情况，在底臌治理中，采用“组合锚索＋注浆＋桁架梁”加固，主要技术参数有：1锚索规格组合锚索由三根φ17.8×8300mm高强度低松弛钢绞线组成。配用规格为400×400×16mm的托盘。2底板锚索布置采用五花式布置，排距3m，每排3根，其中：巷道中心垂直底板1根，两侧各1根，两侧锚索中心距3.2m，外摆15°。中心孔与两帮孔错开1.5m，三花布置。孔径；采用φ80mm钻头打孔，孔深8.0m。第36页/共45页3、底板桁架梁为加强对巷道底板的控制，在锚索涨拉时采用底板桁架梁。底板桁架梁采用18㎏或22㎏的废旧道轨制做，长度分别为1000㎜和3600㎜，中间单根锚索采用1000㎜长的桁架梁，两侧对称锚索采用3600㎜的桁架梁连接。桁架梁用锚索托盘紧压在巷道底板。第37页/共45页底板注浆锚索布置图第38页/共45页底板锚