巷道锚杆支护作用机理与影响因素分析

巷道锚杆支护作用机理与影响因素分析

中国大型煤矿每年新建一条隧道总长约1000公里，80%以上的隧道和半隧道洞，地下道路建设巨大。煤矿沉积岩层强度低、破碎,绝大部分煤巷受到采煤工作面动压影响。随着煤矿开采深度增加,不仅原岩应力高,而且与不断变化的采动应力叠加,导致高应力、大变形巷道所占比重很大。煤矿特殊地质环境与生产条件,决定了巷道支护难度大,对支护技术要求高。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发展过程。国内外实践经验表明,锚杆支护是煤矿巷道经济、有效的支护技术。不仅提高了巷道支护效果,降低了巷道支护成本,而且十分有利于采煤工作面的快速推进和煤炭产量的提高。目前,锚杆支护技术已成为我国煤矿巷道首选的、安全高效的主要支护方式。锚杆支护经历了从低强度、高强度到高预应力、强力支护的发展过程。通过不断研究、试验与推广应用,逐步认识到预应力在锚杆支护中的重要作用,预应力锚杆支护技术得到大面积推广应用。本文在介绍煤矿锚杆支护技术发展过程的基础上,论述预应力锚杆支护作用机理、预应力参数设计、预应力支护材料与施工机具,介绍预应力锚杆支护技术的应用情况。1锚杆支护技术攻关进展顺利我国煤矿从1956年开始使用锚杆支护,至今已有50多年的历史。锚杆支护首先在岩巷中应用成功,随后大力推广应用了以“三小”为代表的锚喷支护技术,使得锚喷支护成为岩巷的主要支护方式。20世纪60年代锚杆支护开始在采区巷道中应用。但是,由于煤巷围岩比较松软破碎,又受到采煤工作面动压影响,围岩变形大,加之我国早期锚杆支护强度、刚度低,锚杆支护理论、支护材料、施工机具及监测仪器等还不成熟,导致煤巷锚杆支护技术发展缓慢。1990年我国国有重点煤矿煤巷锚杆支护仅为5%。从锚杆支护型式的发展过程看,我国最早采用的主要是机械锚固锚杆和钢丝绳砂浆锚杆;1974年开始研制和试验树脂锚杆,并于1976年在淮南、鸡西、徐州等矿区进行了井下试验,取得较好效果;我国还引进和应用了管缝式锚杆、胀管式锚杆等,开发研制了廉价的快硬水泥锚杆;1996年又从澳大利亚引进高强度树脂锚固锚杆,并针对我国煤矿条件进行了二次开发和完善提高。可以说,国外使用过的锚杆支护型式国内基本上都用过。为了解决煤巷锚杆支护技术难题,在1991-1995年,国家将煤巷锚杆支护技术列为重点科技攻关项目,完成了“采准巷道组合锚杆支护技术”、“采准巷道围岩稳定性分类及支护规范”等一批水平较高的科研项目,研究成果应用于新汶、铁法、兖州、峰峰、淮南等多个矿区,取得较好的支护效果。到1995年,国有重点煤矿当年新掘的巷道中,锚杆支护所占比重为28.19%,其中岩巷占57.2%,煤巷占15.15%。在这一阶段,虽然煤巷锚杆支护技术取得一定进展,但发展较慢,主要应用在围岩条件比较好的巷道。在“九五”期间,原煤炭部又把煤巷锚杆支护技术列为重点课题进行了攻关研究。特别是1996-1997年我国引进了澳大利亚锚杆支护技术,在邢台矿务局进行了现场演示,完成了重点科技攻关项目“邢台矿务局煤巷锚杆支护成套技术研究”,显著提高了我国煤巷锚杆支护技术水平。开发出以地应力为基础的动态支护设计方法、高强度螺纹钢锚杆、小孔径树脂锚固预应力锚索、顶板离层指示仪、测力锚杆等新技术、新材料、新产品,并应用于煤顶巷道、复合与破碎顶板巷道等困难条件,取得良好的支护效果。进入21世纪后,随着综采放顶煤、厚煤层一次采全高开采技术的快速发展和大面积应用,对煤巷锚杆支护技术提出更高要求。煤顶和全煤巷道、大断面巷道、沿空掘巷及破碎围岩巷道所占的比重越来越大,支护难度显著加大。为此,多个矿区相继开展了煤巷锚杆支护成套技术研究、试验与推广应用,显著提高了巷道支护效果,降低了支护成本,为矿井安全、高效生产创造了良好条件。2005年以来,为了解决深部高地应力巷道、受强烈采动影响巷道、沿空留巷等复杂困难条件支护难题,我国又开发出高预应力、强力锚杆与锚索支护技术。井下应用大幅度减少了巷道围岩变形与破坏,巷道支护与安全状况发生了本质改变。同时,实现了高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度的“三高一低”的现代锚杆支护设计理念,在保证支护效果的前提下,显著提高了巷道掘进速度与工效。到目前为止,国有大中型煤矿的煤巷锚杆支护率达到60%,有些矿区超过了90%,甚至达到100%。我国煤矿已经形成了具有中国特色的锚杆支护成套技术体系。该技术深刻改变了矿井的开拓部署与巷道布置方式,对我国矿井建设、煤炭产量与效益的大幅度提高及安全状况的改善,起到不可替代的重要作用。2预测决策模式2.1锚杆支护的作用锚杆支护作为围岩的一种加固技术,与设置在巷道开挖表面、限制开挖边界位移的各种支护结构(金属支架,砌碹与混凝土衬砌等)的支护原理有本质区别。通过对锚杆支护构件作用、加固机理研究,结合围岩性质的三要素:围岩强度、围岩结构和围岩应力,对锚杆支护的作用有以下共识:(1)锚杆可不同程度地提高围岩强度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角等力学参数,而且主要是改善围岩屈服后的力学性质,显著提高屈服后的强度,改变屈服后围岩变形特性。(2)锚杆对围岩结构面的强度影响很大。通过锚杆提供的轴向力与切向力,提高结构面抗剪强度,阻止结构面产生移动与滑动。通过提高结构面强度,提高节理煤岩体整体强度、完整性。(3)锚杆给围岩施加一定压应力,改善围岩应力状态。对于受拉区域,可抵消部分拉应力;对于受剪区域,通过压应力产生的摩擦力,提高围岩的抗剪能力。2.2小孔径预应力树脂锚固锚索近年来,随着锚杆支护技术的快速发展,锚杆支护理论研究也有较大进展。逐步认识到提高锚固体的刚度非常重要,特别是预应力在锚杆支护中的决定性作用。我国煤矿对锚杆预应力重要性的认识主要受美国的影响。美国矿山巷道锚杆预应力一般为100kN,达到锚杆杆体屈服强度的50%～75%。高预应力锚杆显著提高了巷道支护效果与围岩稳定性,大幅度降低了顶板事故。我国较早采用预应力支护技术的典型例子是1996年以来推广应用的小孔径预应力树脂锚固锚索。不仅因为锚索锚固深度大,更主要的是锚索可以施加较大的预应力,显著提高了巷道支护效果,扩大了锚杆应用范围。通过不断研究与试验,对预应力锚杆支护机理有了比较深入的认识。(1)预应力锚杆的本质作用在于控制锚固区围岩离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容变形与破坏,保持锚固区围岩的完整性,减小锚固区围岩强度的降低,在锚固区内形成刚度较大的预应力承载结构。(2)锚杆预应力及其扩散对支护效果起决定性作用。不仅要对单根锚杆施加较高的预应力,而且必须通过托板、钢带等构件将预应力扩散到围岩中,护表构件在预应力支护系统中发挥重要作用。(3)锚杆支护系统存在临界支护刚度,即使锚固区不产生明显离层和拉应力区所需要支护系统提供的刚度。支护系统刚度小于临界支护刚度,围岩将长期处于变形与不稳定状态。(4)锚杆支护对围岩弹性变形、峰值强度之前的塑性变形及整体变形控制作用不明显,要求支护系统应具有足够的延伸率和冲击韧性,使这类变形得以释放,避免锚杆拉断与脆断。(5)预应力锚索的作用主要表现在两方面:一是将锚杆支护形成的预应力承载结构与深部围岩相连,提高预应力承载结构的稳定性,同时充分调动深部围岩的承载能力;二是锚索施加高预应力,与锚杆形成的压应力区组合成骨架网状结构,主动支护围岩。3预测参数设计3.1基于力设计的围岩应力控制井下实践证明,合理的预应力锚杆与锚索支护能够有效控制离层与滑动,因此,锚杆与锚索预应力设计的原则是控制围岩不出现明显的离层、滑动与拉应力区。借鉴国外的经验,结合国内部分矿区的试验数据,可选择锚杆预应力为杆体屈服载荷的30%～60%。表1列出了不同锚杆的预应力取值(杆体屈服载荷的50%)。可见,锚杆直径越大,杆体材质强度越高,要求的预应力值越高。3.2实验室锚杆预应力与减摩垫片的连接目前,锚杆主要是通过拧紧螺母获得预应力,这种方式的影响因素很多。锚杆预应力不仅与螺母预紧力矩相关,而且还取决于扭矩转换系数。影响转换系数的因素有:螺母与锚杆螺纹段的摩擦系数,摩擦系数越大,转换系数越小;螺母、垫圈端面的摩擦系数,摩擦系数越小,转换系数越大;锚杆直径,锚杆越粗,转换系数越小。实验室在不同端面减摩条件下(不使用减摩垫片,减摩垫片分别为聚四氟乙烯、1010尼龙、改性1010尼龙及高密度聚乙烯),M24螺纹预紧力矩与预应力的关系如图1。可见,预紧力矩与预应力基本成线性关系;在相同预紧力矩下,减摩垫片可使锚杆预应力显著提高。其中,1010尼龙垫片的减摩效果最为明显。井下对ϕ25mm的锚杆预应力进行了测试,测试数据与实验室测试数据对比见表2。可见,井下锚杆预应力随力矩增加逐渐增大,但当力矩超过400N·m时,预应力增加变得缓慢。实验室锚杆预应力随力矩增加基本线性增大,随着力矩增加,实验室与井下数据差值逐步增大。导致出现上述现象的主要原因:一是实验室采用的锚杆螺纹为标准螺栓,加工精度高,螺母与螺纹间的摩擦力小,扭矩转换系数大,预应力高;而井下使用的锚杆,采用滚丝加工工艺,精度低,螺母与螺纹间的摩擦力大,扭矩转换系数小,预应力低;二是实验室试验条件与井下有较大差别。3.3提高锚杆预紧力和支护能力提高锚杆预应力的技术措施分为两方面:其一是提高螺母预紧力矩;其二是提高扭矩转换系数。美国、澳大利亚等国家,普遍采用锚杆台车、掘锚联合机组施工锚杆。锚杆钻机的输出扭矩大,有的超过500N·m,能够保证锚杆的高预应力。国内普遍采用单体锚杆钻机钻装锚杆,这种锚杆钻机输出扭矩一般为100～150N·m,无法实现锚杆的高预应力。为了显著提高锚杆预紧力矩,措施之一是采用专门的高扭矩螺母拧紧设备(如大扭矩扳手及扭矩倍增器);其二是在适宜的条件下,引进、开发锚杆台车和掘锚联合机组,保证锚杆快速、高质量安装。提高扭矩转换系数的主要措施是:提高螺纹加工精度等级,降低螺母与锚杆螺纹段的摩擦系数;在螺母与托板之间加减摩垫片,减小螺母、垫圈端面的摩擦系数。3.4锚索支护的确定锚索与锚杆相比,具有长度大、破断载荷高等特点,因此,锚索的预应力应更大。锚索预应力设计的原则为:锚索与锚杆预应力形成的有效压应力区相互连接、重叠,形成以锚索为骨架、锚杆为连续带的骨架网状结构,对锚杆、锚索之间围岩起到有效的主动支护作用。锚索越长、直径越大、强度越高,施加的预应力应越大。根据我国煤矿巷道条件、现有锚索规格及张拉设备,锚索预应力一般应为其拉断载荷的40%～70%。4锚杆预应力方面锚杆支护材料包括杆体、托板、螺母、锚固剂、组合构件、金属网、锚索等。对于预应力锚杆,支护材料除应符合锚杆的基本要求外,还应满足以下要求:(1)锚杆杆体应具有较高的抗拉强度,以便施加较大的预应力。同时,杆体应具有较大的延伸率及冲击韧性,保证在高预应力状态下不破断。(2)杆体尾部有利于施加较大的预应力。应优化尾部螺纹形状与几何尺寸,提高螺纹加工精度,以提高螺母扭矩转换系数。(3)锚杆托板、螺母、球形垫圈、减摩垫圈应与杆体匹配,一方面有利于提高锚杆预应力,另一方面使杆体处于较好的受力状态,避免杆体处于拉伸、扭转、弯曲及剪切等不利的组合应力状态。(4)锚索应具有较高的破断载荷与延伸率,以便施加高预应力,索体不破断。(5)托板、钢带、金属网等护表构件的力学性能应与锚杆、锚索相匹配,以实现锚杆、锚索预应力的有效扩散。为了满足第1个条件,开发出2个级别的高强度锚杆螺纹钢筋,力学性能见表3。对于ϕ22mm的BHRB600型钢筋,屈服力达228kN,破断力达304kN,延伸率达25%,冲击吸收功达50J,实现了高强度、高延伸率及高冲击韧性。针对国内锚杆尾部螺纹加工精度低、质量差等问题,对螺纹几何形状与尺寸进行了优化,对加工工艺与设备进行了深入研究,在一定程度上提高了螺纹加工精度与质量。在锚杆托板、螺母、球形垫圈、减摩垫圈的设计及力学性能方面进行了深入研究,优化了托板、球形垫圈、减摩垫圈的几何形状与尺寸,优选了托板与垫圈的材料,基本满足高预应力锚杆的要求。在小孔径树脂锚固预应力锚索方面,针对原有锚索直径小、破断载荷小、延伸率低、预应力水平低等问题,开发出大直径、高吨位的锚索。一方面加大锚索索体直径,最大达28.6mm,显著提高了索体的破断力;另一方面,改变了索体结构,采用19根钢丝代替原来的7根钢丝(图2),明显提高了锚索的延伸率。如ϕ22mm的锚索破断力超过600kN,索体延伸率接近7%。此外,开发出与强力锚索配套的拱形托板,并配调心球垫,改善了锚索受力状态,使锚索支护能力得以充分发挥。5预紧器安装5.1提高锚杆钻机的支护技术国内外从施工机具方面提高锚杆预应力主要有2种方法:一是提高螺母的拧紧力矩;二是采用锚杆张拉器,给锚杆施加较大的预应力。提高螺母拧紧力矩的方法有:(1)采用大扭矩锚杆钻机不仅可提高锚杆拧紧力矩,而且可实现锚杆安装一体化,提高施工速度。如国外普遍采用的掘锚机组(ABM20),其锚杆钻机的扭矩可达270～380N·m;与连续采煤机配套的锚杆台车,大都以液压为动力,锚杆钻机的扭矩也达到300N·m以上。(2)采用扭矩倍增器为了提高锚杆钻机的安装扭矩,在钻机上采用扭矩倍增器可成倍增加锚杆螺母的拧紧力矩。扭矩倍增器的扭矩放大倍数从几倍到十几倍不等,可根据具体条件进行选择。(3)采用扭矩扳手采用大扭矩的预紧扳手拧紧锚杆螺母是提高锚杆预应力的有效手段。国内外目前有多种形式扭矩扳手,按动力源可分为液压、气动扭矩扳手;按工作原理可分为旋转式、冲击式扭矩扳手。采用锚杆张拉器,是锚杆获得高预应力的另一条有效途径。锚杆预应力与螺母拧紧力矩之间的关系比较复杂,受多种因素影响。采用锚杆张拉器能够获得比较大的、确定的预应力,而且使锚杆仅处于拉伸状态。但是,锚杆张拉器存在2个明显缺点:一是增加了锚杆安装设备;二是增加了锚杆张拉工序,比较耗时、耗力,影响施工速度。5.2锚索张拉设备锚索预应力一般通过张拉获得,是决定锚索施工质量的关键工序,张拉设备的技术性能与质量明显影响锚索支护效果。国内针对小孔径树脂锚固预应力锚索特点,开发出各种型式与规格的锚索张拉设备,主要包括油泵、张拉千斤顶和液压切断器。按油泵动力源不同,可分为手动、电动和气动式锚索张拉设备。为满足高预应力、强力锚索的要求,又研制出与ϕ22mm强力锚索相配套的锚索张拉设备。该张拉设备额定压力为50MPa,额定张拉力为450kN,行程为150mm。6个矿区的推广应用预应力锚杆支护技术已在潞安、晋城、山西焦煤、大同、新汶、徐州、淮南、平庄、宁煤、华亭等20余个矿区得到推广应用。应用的巷道条件包括:超千米深井高地应力巷道,深部沿空留巷,极软岩巷道,破碎围岩巷道,特大断面巷道及强烈动压影响巷道等,涵盖了我国复杂困难巷道类型。6.1必要的锚杆保护形式根据巷道围岩地质与生产条件不同,预应力锚杆支护有多种形式,如图3。(1)超私家车、无煤巷仅采用预应力锚杆支护巷道(图3a、图3b),适用于围岩比较完整的岩石巷道、岩石顶板煤巷等条件。如新汶协庄矿1202E运输巷,埋深为1200m,属超千米深井高应力巷道。该巷道沿煤层顶板掘进,直接顶砂质页岩。采用BHRB600型、ϕ25mm、长度2.4m的强力锚杆,配合强力钢带与金属网的预应力锚杆支护系统,解决了深井高应力巷道支护难题。(2)锚杆支护扩大适用范围采用预应力锚杆与锚索支护巷道(图3c),两者相互配合,充分发挥各自的作用,共同支护围岩。不仅提高了锚杆支护效果,而且扩大了锚杆支护适用范围。这种方式可用于支护顶板、两帮,甚至可用于底板支护。锚杆与锚索可交错布置,也可布置在一排。目前,这种支护方式已经大面积应用于煤顶和全煤巷道,沿空掘巷与留巷,软岩巷道,深部高应力巷道,动压影响巷道及大断面巷道等多种条件,成为主要的锚杆支护形式。(3)烈动压对巷道生长的影响巷道顶板、两帮,甚至底板全部采用预应力锚索的支护方式(图3d),适用于受强烈动压影响巷道,极高地应力巷道,软岩巷道等非常困难的条件。如潞安漳村矿有一种掘进与采煤工作面对穿的强烈动压影响巷道,采用高预应力、全长预应力锚固、短强力锚索(1×19结构,ϕ22mm,长度4.3m)支护方式,有效控制了围岩强烈变形。(4)预应力锚杆支护当巷道围岩松软破碎,锚杆与锚索锚固力不能保证时,预应力锚杆、锚索与注浆联合是一种有效的加固技术。注浆可将松软破碎围岩粘结,提高围岩整体强度,同时为锚杆与锚索提供可锚的基础,保证锚杆与锚索预应力与工作阻力能有效扩散到围岩中。注浆后采用预应力锚杆与锚索支护,有效控制围岩扩容变形。如潞安屯留矿针对井底车场松软破碎围岩硐室群,采用深孔高压注浆配合强力锚杆、锚索的加固形式,有效控制了松软破碎硐室群变形与破坏。6.2巷道围岩位移降极分析多个矿区的井下实践表明,预应力锚杆与锚