《柔性杆体锚杆支护技术规范》编制说明

1《柔性杆体锚杆支护技术规范》编制说明一、标准制定的必要性锚固技术是矿山地下工程、岩土边坡、桥隧基础等领域的基本支护形式，应用十分广泛。目前我国煤矿巷道每年掘进距离达13000km，需约2.5亿套锚杆（索）支护产品。目前煤矿巷道面临有两大主要的共性问题，一是开采深度大导致的巷道支护困难问题，二是掘进速度慢导致的采掘失衡问题。随着煤炭需求增加和浅部资源开发殆尽，煤矿开采正以平均每年8~12m的速度向深部发展，预计未来20年内绝大部分矿井将进入到1000m深度。随着开采深度的增加，煤矿面临着巷道变形严重、采场矿压剧烈、动力灾害频发等突出难题，具体表现为来压强、变形快、围岩破坏范围大、顶板易失稳垮冒，已成为制约深部开采的瓶颈。面对深部巷道“三高一扰动”的问题，对支护提出了很高的要求，如果支护手段不合理，巷道维护效果将会非常不理想，严重影响矿井的安全高效生产。采掘失衡是指采煤速度与掘进速度不匹配，其主要原因在于掘进速度慢，而掘进过程中支护时间占到60%以上。然而，受限于巷道的狭小空间，刚性锚杆长度有限，其基础锚固深度普遍为2.4~2.8m，难以锚入到深部稳定岩层中，造成基础承载圈层薄弱，顶板垮冒事故频发；为达到支护要求通常配合锚索进行联合支护，锚索可以解决锚固深度小、强度小的问题，但锚索安装施工过程相对复杂，施工效率低，若使用全锚索支护往往出现掘进速度偏慢的问题，造成矿井采掘失衡现象普遍存在。针对现有问题制定柔性杆体锚杆支护技术规范，提出新型支护产品，旨在达到支护强度和长度的同时不受制于巷道高度，在满足锚固深度的同时可以实现快速安装施工，从而提高井下巷道支护强度来应对深部开采的趋势，提升支护效率来解决采掘失衡的问题，释放掘进产能，提升经济效益，实现煤炭的安全、高效生产。相对于传统锚杆该柔性杆体锚杆的先进性、创新性主要体现在以下几点：（1）锚杆杆体为钢绞线，钢绞线强度比螺纹钢强度要高得多，因此该锚杆可适应高地压深井巷道支护；（2）由于钢绞线可弯曲，所以该锚杆的长度不受巷道的高度宽度限制，即使在较狭窄的巷道也能安装较长杆体的锚杆，增加了巷道围岩的支护范围，提高了巷道的稳定性。（3）杆体上部为搅拌树脂药卷端锚，下端采用螺纹锁紧，安装后能立即承载，施加预应力，而对于自稳能力差的顶板岩层又是非常有利和必要的；安装施工方式与原锚杆安装方式相同。（4）尾部连接装置为外六角设计，与防扭托盘相配合起到止转作用；托盘与球型垫能够调节柔性杆体锚杆与托盘之间的角度以适应围岩表面不平或锚杆安装孔与围岩表面不垂直，从而改善锚杆受力状况。（5）柔性杆体锚杆外露长度小，大幅度提高巷道有效高度，避免巷道的浪费，节约成2本。二、标准编制原则及依据1、按照GB/T20001.5－2017《标准编写规则第5部分：规范标准》要求进行编写。2、参照相关法律、法规和规定，在编制过程中着重考虑了科学性、适用性和可操作性。三、项目背景及工作情况（一）任务来源根据《中国国际科技促进会标准化工作委员会团体标准管理办法》的有关规定，经中国国际科技促进会标准化工作委员会及相关专家技术审核，批准《柔性杆体锚杆支护技术规范》团体标准制定计划，计划编号为：CI2023384。本标准由中国矿业大学提出，中国国际科技促进会归口。根据计划要求，本标准完成时限为6个月。（二）标准起草单位本标准的主要起草单位是中国矿业大学，负责标准文档起草及相关文件的编制等。江苏锋致矿业科技有限公司、双鸭山德盟机电科技开发有限公司、徐矿集团、国家能源集团宁夏煤业有限责任公司红柳煤矿参与起草，负责标准中重要技术点的研究和建议，并参与标准内容的讨论。（三）标准研制过程及相关工作计划1、前期准备工作项目立项前，标准编制小组查阅、研读相关国内外文献，广泛搜集锚杆支护技术相关的材料。同时，多次与巷道支护、锚杆生产和煤矿相关行业人员进行调研、交流，广泛征求标准制定方面的意见和建议。2、标准起草过程团体标准立项通知公示后，标准编制小组首先组织了标注制定工作会议，各编写人员根据工作计划分工和编写要求开展了相关工作。在标准起草期间，编制小组主编单位及参编单位组织了数次内部研讨会和专家咨询会，经过多次修改，于2023年10月完成了标准初稿及编制说明的撰写工作。3、征求意见情况2023年10月标准编制小组先后通过现场会议、电话、微信等多种形式征集行业专家相关意见和建议。针对征集的意见，标准编制小组召开了研讨会，将收集到的意见进行汇总处理分析，在充分吸纳合理意见的基础上，先后修改和完成标准内容，于2023年11月根据在各单位反馈意见基础上，形成了标准征求意见稿并由中国国际科技促进会提交全国标准信息平台公示。（四）主要试验（或验证）情况分析（1）静态拉伸试验3静态拉伸实验采用MTS电液伺服试验系统，其型号为C64.106/1000kN。如图1所示，MTS实验系统主要包括两个单元：控制单元和加载单元。电脑控制单元编程设定加载程序，并通过加载单元实现柔性锚杆的拉伸实验。本次加载采用位移加载模式，加载速率为0.2mm/s。图1MTS电液伺服实验系统设置三组柔性杆体锚杆，杆体长度为600mm，两端加持长度都为100mm，实验结果如图2所示。图中可以看，出三个锚杆样品拉伸力变化趋势大致相同。在似弹性阶段时，三个锚杆的斜率稍有差别，1号锚杆斜率最大，3号锚杆次之，2号锚杆最小。但在屈服强化阶段时，三个锚杆拉伸力变化曲线几乎重合。在破坏阶段，柔性锚杆也是呈分次断裂的特征。1号、2号、3号锚杆样品的峰值力分别为372kN、373kN和369kN，这三个锚杆样品峰值力的差别在1%以内，平均为371.3kN，表明柔性杆体锚杆的力学性能非常稳定。4图2静态拉伸试验下柔性锚杆力学响应1号锚杆最终位移达37mm，延伸率为9.25%；2号锚杆最终位移达36mm，延伸率为9.00%；3号锚杆最终位移达32mm，延伸率为8.00%。三根锚杆均出现不同程度的断裂，而不是套管被拉出导致失效，说明套管的可靠性高，锁紧套管与钢绞线杆体之间存在足够的摩擦力，柔性杆体锚杆破坏形态如图3所示。图3杆体破坏形态（2）循环加卸载实验巷道开挖引起的应力调整必然会影响锚杆的正常工作，为了弄清楚应力的反复波动对柔性锚杆性能带来的影响，因此，对柔性锚杆开展了循环加卸载实验，循环加卸载实验同样采用MTS电液伺服实验系统。设置编号为D-1、D-2、D-3和D-4四组柔性锚杆施加等下限等幅加载模式，其加载模式为：柔性锚杆D1~D4拉伸力分别上升至280kN、300kN、320kN和340kN，开始进行循环动载，幅度为200kN，下限分别为80kN、100kN、120kN和140kN，循环次数均为50次，循环结束后继续进行拉伸加载直至破断。为了和无循环加载实验作对比，添加了单一拉伸力-位移曲线（柔性锚杆D0）。从图4中可以看出，柔性锚杆D1~D4峰值力分别350kN、348kN、335kN、354kN，由此可得，与未循环加载的锚杆相比，循环后柔性锚杆的峰值力相差不大，且有了小幅提升，表明循环载荷并不能从根本上改变锚杆内部受力状态。加卸载幅度和上下限的渐进变化说明决定柔性锚杆力学性能的是循环加载的上限，而卸载幅度和循环加载的下限对柔性锚杆力学性能影响不大，进一步说明，巷道支承压力调整和小幅冲击扰动对柔性锚杆支护系统影响相对较小。5图4循环加卸载试验下柔性锚杆力学响应（3）耐久性加载实验为了研究长期载荷作用下柔性杆体锚杆的可靠性和安全性，通过锚杆（索）耐久性实验系统，测试柔性锚杆在不同工程环境下的耐久性特性。图5（a）和（b）分别为耐久性实验系统示意图和实际工作图。由图可得，耐久性实验系统主要是由承载架、张拉泵站、保压装置、拉力油缸、油压监测系统、油压传感器、截止分流阀和油管等组成，其中，系统有十个拉力油缸，可对十个锚杆样品同时进行长期加载实验。利用张拉泵站手动对耐久性实验系统进行加压，当油压达到设定压力时，依靠保压装置中上下钢管面积差带来压强差的因素使得承重钢板升起实现油压的保持；油管连通张拉泵站、保压装置及拉力油缸，通过油压传感器将油压信号传输到油压监测系统，进而对加载载荷进行实时监测和记录。（a）示意图（b）实际工作图图5耐久性试验系统实验设置柔性锚杆样品三个，锚杆长度均为800mm，编号为A-1、A-2、A-3。将柔性锚杆长期载荷设定为屈服载荷的50%，约为150kN。待柔性锚杆样品安装到承载架后，打开油路，并用张拉泵站对实验系统进行加压，当载荷超过150kN后，停止加压。长期加载时间6达到五个月后，采用MTS电液伺服试验机对其进行静态拉伸实验，分析长期载荷作用下柔性锚杆的力学特性。采用MTS电液伺服实验系统对卸载后的A组柔性锚杆进行静态拉伸实验，得到柔性锚杆拉伸力-位移曲线图。由图4.10可得，长期载荷作用后的柔性锚杆拉伸力-位移曲线图变得非常平滑，说明长期载荷的作用使得杆体各股钢丝得到充分调整与适应，受力更加均匀。柔性锚杆A-1、A-2和A-3峰值力分别为339kN、344kN和338kN，平均为340kN，与未经过长期加载试验后的柔性锚杆相比降低6.2%，由此说明了长期加载对锁紧套管与钢绞线杆体之间的摩擦力影响相对较小，柔性锚杆仍能保持其自身的稳定性和力学特性。图6长期载荷下柔性锚杆力学响应三种实验条件下柔性杆体锚杆均体现出不错的力学性能，证明了“套管加杆体”结构的稳定性，可以满足煤矿巷道的支护要求，实现煤矿巷道的安全高效掘进。（4）应用案例1-葫芦素煤矿葫芦素煤矿属于中煤集团中天合创能源有限责任公司下属煤矿，位于东胜煤田呼吉尔特矿区，地处内蒙古自治区鄂尔多斯市境内，煤矿设计年产1300万吨，具体位置见图7。试验巷为葫芦素煤矿21205运输巷，21205运输巷沿煤层底板掘进，巷道高度为3200mm，顶板留设0.5m厚的顶煤，因此，该巷属于典型煤岩复合顶板巷道。21205运输巷是矩形断面巷道，巷道断面为5400×3200mm。7300700110011003200 5400300700110011003200 5400图7葫芦素煤矿地理位置巷道采用锚杆锚索组合支护，每排布置6根锚杆，规格为Ф20×2200mm，间排距为900×1000mm；每排布置3根锚索，规格为Ф17.8×6200mm，间排距为1500×3000mm。高密度的锚杆锚索支护操作复杂，需要人工反复操作，自动化程度低，制约了支护效率。顶板和两帮具体支护参数见图8。锚索Ф17.8mmL=6200mm排距3000mm15001500螺纹钢锚杆Ф20mmL=2200mm排距1000mm巷道图8巷道原支护方案原支护方案下组合支护密度高，每排布置6根锚杆、布置3根锚索。高密度的锚杆锚索支护操作复杂，需要人工反复操作，自动化程度低，同时锚索的张拉过程时间较长，制约8了支护效率。另一方面，掘进装备效能未充分释放。巷道采用山特维克MB670型掘锚机进行施工，如图9所示，施工顶板锚杆的机载钻机有4台，而顶板布置6根锚杆和3根锚索，施工时总有钻机处于闲置状态，未能充分发挥掘锚机效能。图9山特维克MB670型掘锚机采用十字断面法在21205运输巷布置表面位移测站，观测原有支护巷道顶板下沉量和两帮收敛量，监测结果如图10所示。图10原支护方案下巷道表面位移监测结果由图可知，随着与掘进工作面距离不断增加，顶板下沉量和两帮收敛量均呈先急剧增加、后缓慢增加最终趋向于稳定的特征，顶板和两帮最终位移量分别达到92mm和180mm。同时煤帮出现大面积片裂破坏，造成巷道跨度增大，加剧了顶板的下沉，说明原支护方案对巷道维控的效果并不理想。为提高支护效率和巷道维控效果，基于跨界长锚固技术，使用柔性杆体锚杆设计2120594008008008003200运输巷长锚固支护方案，顶板采用Ф21.8×4000mm单一跨界锚索支护，每排垂直布置4根，4008008008003200间距不等，排距为1500mm。顶板和两帮具体支护参数见图11。柔性杆体锚索Ф21.8mmL=4000mm排距1500mm105765065010576506501057L=2200mm排距1500mm5400图11巷道新支护方案新支护方案将锚杆锚索组合支护变更为单一化柔性锚杆支护，每三米减少了10根锚杆与3根锚索。同时根据掘锚机的钻机位置设置柔性杆体锚杆间距，实现钻机利用率的最大化。新型支护方案在21205运输巷共推广应用1105m，平均日掘进28.5m，按照每月正常工作时间28天计算，平均月掘进798m，比矿方原有掘进速度（500m/月）提高了59.6%。同样采用十字断面法在21205运输巷新支护方案下布置4个表面位移测站，观测原有支护巷道顶板下沉量和两帮收敛量，监测结果如图12所示。监测结果显示，最终稳定后顶板下沉量为12~20mm，两帮收敛量为16~44mm。顶板厚承载圈层明显抑制巷道变形，并缓解了顶板对煤帮的压力，大范围片帮问题也得到控制。（a）1号测站（b）2号测站（c）3号测站（d）4号测站图12新支护方案下巷道表面位移监测结果使用柔性杆体锚杆支护下的巷道不仅掘进速度得到到了提升，同时对巷道实现较好的支护效果，掘进速度提高了59.6%，顶板下沉量和帮部变形量分别减少了82.6%和83.3%。巷道现场实照如图13所示，巷道顶板表面非常完整，巷道帮部也仅在割煤时出现了轻微片帮。（a）顶板（b）煤帮图13巷道现场实照（5）应用案例2-新安煤矿新安煤矿属于徐州矿务集团有限公司下属煤矿，位于中国甘肃省平凉市，该矿年产煤炭120万吨，具体位置见图14。本次开展试验的地点为3205工作面材料巷，该巷掘进的煤层为3号煤层，煤层平均埋深为800m，平均厚度为2.92m，倾角为3~16°。430032004300430032004300图14新安煤矿地理位置3205工作面材料巷断面设计为三心拱断面：巷道宽度为5.0m，巷高3.2m，拱高1.25m，直墙高1.95m，巷道断面面积14.7m2。煤层顶板以泥岩与煤层多层复合为主，各分层强度较低，并且容易被风化；底板以砂质泥岩、泥岩为主。3205工作面材料巷原方案采用锚索-网-梁联合支护。顶板及两帮肩窝采用Φ18.9×4300mm锚索进行支护，垂直于顶板轮廓线布置，间排距为800×800mm，每排9根；帮部采用Φ22×2500mm螺纹钢锚杆进行支护，垂直于巷帮布置，每排4根；两帮底角采用Φ18.9×4300mm锚索进行支护，倾斜向下45°布置，每排2根；顶板加强支护：采用Φ18.9×6300mm锚索进行支护，间排距为1600×1600mm，每排3根。具体支护参数如图15所示。Φ18.9mm×6300mm锚索Φ18.9mm×4300mm锚索Φ22mm×2500mm螺纹钢锚杆25005000Φ18.9mm×4300mm锚索图15巷道原支护方案采用十字断面法在3205工作面材料巷布置表面位移测站，观测原有支护巷道顶板下沉量和两帮收敛量，掘进工作面进尺120m后顶板下沉量和两帮收敛量分别为277mm和118mm，监测结果如图16所示。图16原支护方案下巷道表面位移监测结果为提高支护效率和巷道维控效果，基于跨界长锚固技术，使用柔性杆体锚杆设计3205材料巷长锚固支护方案，顶板一级柔性锚杆规格为Φ22×3600mm，间排距为800×800mm，每排7根布置。顶板二级普通锚索规格为Φ21.6×5600mm，排距为800mm，同一排两根锚索间距为2400mm。顶板和两帮具体支护参数见图17。图17巷道新支护方案在新支护方案起始位置15m布置表面位移测站A，35m布置表面位移测站B，监测结果见图18。从图中可以看出，随着距掘进工作面距离越远，顶板下沉量和两帮收敛量呈现出先急剧增加后缓慢增加最终趋向稳定的特征。测站A最终顶板下沉量和两帮收敛量位移量分别为105mm和44mm。测站B最终顶板下沉量和两帮收敛量位移量分别为92mm和42mm。在距掘进工作面40m范围内，顶板下沉相对剧烈，下沉量分别占最终变形量的74%和64%。而两帮变形剧烈范围是在距掘进工作面20m内，收敛量分别占最终变形量的36%和38%。与原支护方案相比，新方案将顶板变形减少了64%，两帮变形减少了63%。综上分析，在新支护方案下，顶板和两帮变形量显著减小，可以较好地控制巷道变形。（a）测站A