煤巷锚杆支护研究.pdf

第5 2 卷第4 期 2 000 年1 1 月 有色金属 N N F E R R O U SM E T A L S V 0 1 ．5 2 。N o ．4 N o v e m b e r20 00 煤巷锚杆支护研究 杨建辉 河北建筑科技学院，邯郸0 5 6 0 3 8 摘要顶板表面有一层强度高、厚度大的岩层使单根锚杆具有较大的支护范围，因此锚杆支护可以取较大间排距。根 据顶板结构特点、相似材料模拟试验结论和对初次试验失败原因的分析，确定顶板锚杆长度为2 ．0 m ，间排距为1 ．1 m 。根据巷 道埋深大和煤体强度低的特点，指出两帮属极高应力软岩，锚杆应具有高承载力和良好韧性，据此选择了与顶板相同的锚杆。 试验巷道经历了静压与回采动压的考验，稳定性观测表明试验取得了成功。 关键词锚杆支护；煤巷；顶板；软岩 中图分类号T D 3 5 3 够．6 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 0 0 4 0 0 2 3 0 4 煤巷围岩变形和失稳主要型式是顶板下沉、冒 落和两帮内移、片帮。合理选择锚杆支护参数是保 证煤巷稳定的重要环节。目前，国内外关于煤巷顶 板锚杆作用机理的观点较多，这些观点从不同角度 对顶板锚杆作用机理进行了阐述，对锚杆参数选择 具有一定的指导作用。但这些理论对顶板结构及其 对锚杆参数选择的影响没有给予充分重视。顶板结 构是影响顶板稳定的决定性因素之一。每条巷道的 顶板结构都有其特点，只有对其特点进行细致分析 才能选择合理的支护参数。两帮煤体的强度较一般 岩石低，在二次应力作用下，往往表现出软岩的性 质，对于大埋深巷道尤其如此。两帮锚杆承受煤体 扩容变形形成的拉力作用，锚杆的反作用力约束煤 体和控制扩容变形。埋深越大，扩容变形越大，锚 杆受力越大，因此在大埋深煤巷两帮锚杆参数设计 时对此要给予充分重视。目前，煤巷锚杆支护仍以 新奥法为指导，即在对围岩特点进行认真研究和分 析基础之上进行初步设计，施工后对围岩稳定性进 行观测，采集信息，进行反馈，对原设计进行修 改，提出优化设计。本文对九龙矿2 下0 7 工作面回 风巷的顶板结构特点及煤帮变形性质进行了分析， 探讨了初次试验失败的原因，根据相似材料模拟试 验结果，提出了修改设计，该设计应用后获得成 功。 收稿日期1 9 9 9 1 2 2 4 基金项目河北省煤炭科技招标资助项目 冀煤科1 9 9 8 0 8 作者简介杨建辉 1 9 6 5 一 ，男，博士生，通讯处北京科技 大学资源学院办公室，博9 9 1试验巷道围岩特点分析 九龙矿试验巷道布置在北一采区2 下0 7 工作面 回风巷中，巷道掘进跨度为3 ．6 m ，高度为2 ．6 m ， 岩层倾角1 2 。，地面标高 1 1 5 ．0 ～ 1 1 9 ．3 m ，煤 层底板标高一5 6 5 ～一6 1 0 m ，埋深7 0 0 m 左右，巷 道底板为泥岩，单轴抗压强度为2 8 ．7 M P a 。 1 ．1 顶板结构 巷道顶板岩层构成如图1 所示。直接顶厚 3 ．2 m 。岩性为细砂岩和砂质泥岩，以上为老顶。 顶板的特殊性在于表面有一层细砂岩，单轴抗压强 度高达8 6 ．1 M P a ，是其它层位的1 ．6 4 倍，在该层 打钻非常困难。该坚硬层又分为若干小层，该巷道 顶板具有表层岩体强度高且厚度较大的特点，简称 为坚硬表层板裂结构顶板，这对于顶板锚杆间排距 标尺素描 标尺素描 标尺索描标尺索描 e r a 强度 c r n 强度 e r a 强度 e r a 强度 ，一 细 ● 砂 ● ● 1 0 一 、 1 1 0 1 质 2 i o -砂3 1 0 。一 ● 砂 ● ．{。 ● 3 2 0 一 质 2 0 。 泥2 2 0 一 ／ 泥 3 3 0 ’一 拽 t 1 2 0 。 一 _●有 石 3 0 一l1 3 0 -2 3 0 一 ● 搿 一 ● 4 0 一 1 4 0 。2 4 0 - 3 4 0 一一 ● 6 8 ●一● 岩 3 5 0 一 一 ．5 0 一、 投 1 5 0 一 4 94 2 5 0 一 ／ 压 3 6 0 ‘ 压 ● t ● 2 6 0 一 寸 1 6 0 - 3 ．4 2 6 0 一 ● I 空 7 0 砂1 7 0 一 2 7 0 一 5 37 3 7 0 -一 ● 质_ ， I 空● 4 9 ．53 8 0 。 7 ● 3 ．53 9 0 一一 8 0 - 1 8 0 一 2 ．52 9 0 1 - - 控 ●_泥 3 拽 ● 9 0 一 日 1 9 0 一 2 9 0 - ，● 5 23 1 1 3 0 ’2 0 0 -4 压3 0 0 - 4 0 0 - 图1 顶板岩芯素描 强度单位M P a 万方数据 有色金属 第5 2 卷 的选择具有重要影响。 1 ．2 两帮强度 试验巷道两帮煤体单轴抗压强度为7 ．5 M P a ， 从强度指标看为软岩【1 】。岩层自重7 H 与该层强度 之比为2 ．3 了取2 5 k N ／m 3 ，H 取7 0 0 m ，从比值 看亦属于极高应力软岩⋯。巷道开挖后两帮将出 现塑性破坏区，发生f 立移甚至片帮破坏。 2顶板位移及破坏特征模拟试验研究 以此巷道顶板为原型分别进行了有无锚杆支护 条件下的相似材料块体模拟试验。 ‘ 比较有无锚杆支护时顶板跨中向下的位移可 见，无锚杆支护时，顶板位移分布均匀性差，浅部 与深部位移差大，而有锚杆支护时，位移分布比较 均匀，差值小，说明锚杆控制了顶板岩层间的离 层，离层量减小；在同一级荷载下，有锚杆支护时 顶板位移是无锚杆时的3 0 ％～6 0 ％，顶板位移量 显著减小；进行破坏性试验表明顶板破坏时，最 大位移量有锚杆支护时是无锚杆支护时的3 ．5 7 倍， 即有锚杆支护时，允许顶板发生较大位移，无锚杆 时顶板较早进入破坏。 有无锚杆支护顶板破坏的特征有着本质上的差 别。无锚杆支护时顶板破坏经历了分层下沉，至溃 折失稳冒落的过程。这种破坏属结构失稳破坏，随 着荷载增大，冒落由浅处向深处发展，越向上冒落 跨度越小，直到某一层稳定下来，冒落区呈一等腰 梯形。有锚杆支护时，顶板在巷道角部上方形成两 条破坏带，顶板呈整体性挤入巷道内，破坏带由原 有竖向裂隙和完整块体破裂形成的新破裂面构成， 新破裂面是由于帮角上方顶板剪切应力超过材料抗 剪强度而形成的剪切破裂面。有锚杆支护时破坏荷 载是无锚杆支护时的2 ．3 9 倍，这表明锚杆支护顶 板稳定性得到明显改善。 3 支护参数设计 3 ．1 初次支护试验概况 九龙矿曾于1 9 9 4 年进行了初次锚杆支护试验。 试验巷道为1 5 2 0 3 N 工作面运输巷，该工作面与 2 0 7 工作面为同～地区，巷道埋深6 0 0 m 左右，跨 度为3 ．6 m ，高度为2 ．3 m ，顶板和两帮锚杆支护参 数见表1 所示。锚杆尾端为滚丝加工。 该巷道使用4 个月后，发生了显著位移，顶底 板相对移近量0 ．7 m ，两帮相对移近量1 ．6 m ，约有 表1 初次试验巷道锚杆参数 1 0 ％的帮锚杆在尾端螺纹处被拉断。巷道变形后的 断面不能满足运输和通风需要，巷道支护失败。 3 ．2 支护参数确定 3 ．2 ．1 顶板支护参数分析。每根锚杆都有其支护 作用范围，范围的大小与顶板表面岩层性质有关， 表面岩层越碎，强度越低，作用范围越小，反之越 大。由于2 0 7 工作面试验巷道具有顶板表层强度大 且较完整的特点，它可使单根锚杆具有较大的作用 范围，通俗的讲相当于一个大托板，因此锚杆间排 距可以取的大一些，相似材料模拟试验也表明这是 可行的。另外，模拟试验表明，当锚杆长度达到巷 道跨度的1 ／2 时，可承受较大荷载，因此锚杆长度 不能小于巷道跨度的0 ．5 倍。 初次锚杆支护试验没有成功与顶板锚杆支护参 数选择不合理有直接的关系。锚杆布置间排距小， 而长度短，长度为跨度的0 ．4 4 倍，这不蟹合顶板 结构特点，单根锚杆作用没有充分发挥，锚固层较 薄，抗变形及承载力较低，在地层荷载作用下发生 了较大的变形。 3 ．2 ．2帮锚杆参数分析。该巷道两帮属于高应力 软岩，巷道开挖后两帮会产生明显的扩容变形，锚 杆受力较大，因此帮锚杆必须满足高承载力和良好 韧性两方面的技术要求。高承载力可以保证锚杆能 承受较大的拉力，有效控制煤帮的扩容变形；高韧 性能适应煤帮较大的扩容变形，不使锚扦拉力过大 超过承载力而被拉断。两方面技术特征相互协调， 使锚杆处于安全工作状态。这是大埋深软煤帮条件 下锚杆选择应遵循的基本原则，这也是与浅埋深或 硬煤巷道锚杆选择的区别所在。 初次试验帮锚杆直径为1 6 m m ，屈服强度为 2 3 5 M P a ，锚杆承载力为4 7 k N ，这对于试验巷道而 言是偏低的；螺纹为滚丝加工，此处杆体内径较 小，锚杆韧性较差，在拉力作用下易在该处拉断， 这是试验中两帮内移量大，部分锚杆破断的原因。 3 ．2 ．3 支护参数。根据上述分析确定顶板和两帮 锚杆支护参数见表2 所示。 锚杆螺纹需经调质处理，其强度高于杆体本身 的强度，使锚杆具有良好韧性。 万方数据 第4 期杨建辉煤巷锚杆支护研究2 5 4 巷道稳定性观测结果分析 试验巷道施工2 5 m 和7 0 m 之后建立了表面收 敛测站，观测了两帮及顶板的表面位移。 4 ．1 掘进影响期位移分析 从掘进影响期表面收敛曲线 见图2 来看， 顶板的总位移量为2 1 r a m 。顶板的变形速率约在前 1 0 天较大，平均为1 ．4 m m ／d ，1 0 ～2 0 天内属过渡 期，变形速率平均为0 ．6 m m ／d ，以后进入稳定期。 8 0 6 0 4 0 2 0 垮落步距一致；随着工作面临近，围岩表面位移速 率增大，顶板、上帮、下帮观测到的最大位移速率 为3 5 、3 6 、3 9 m m ／d 。 4 ．3 支护效果 试验巷道从掘进到回采历时1 年多，没有返 修，没有发生片帮、冒顶等事故；从总位移量看， 顶板下沉量与巷道高度之比为4 ％，两帮收敛总量 与巷道跨度之比为1 3 ％，是合理的位移范围，说 明支护效果良好。 U m m 1 8 0 1 2 0 6 0 { 2 04 06 08 0 图2 巷道掘进影响期间表面收敛曲线图3 采动影响期间巷道位移一采距关系曲线 由图2 可见试验巷道上帮变形量比下帮的变形 量大，达到6 5 r a m ，但大部分变形集中在安装测站 后7 天内，平均变形速率达7 m m ／d ，约2 0 天后上 帮即趋于稳定，下帮的总变形量为4 3 m m ，大变形 期也集中在安装测站后7 天内，平均变形速率为 3 ．1 m m ／d ，小于上帮，但稳定期稍长。 4 ．2 采动影响期位移分析 采动期间位移见图3 所示。由图3 可见，巷道 受采动的影响很大。顶板、下帮和上帮总位移量分 别为1 0 5 r a m 、1 5 5 m m 和1 8 4 m m ，其中采动影响期 分别占7 6 ．2 ％、6 9 ．0 ％和6 2 ．0 ％；采动影响距离 约为3 8 m 左右，与该矿以往矿压观测得到的老顶 5结论 1 顶板锚杆设计要建立在对其细致结构调查 与研究基础之上，对于表面强度大且稳定的顶板， 可采用较大的间排距，以发挥单根锚杆支护作用。 顶板锚杆长度超过巷道掘进跨度1 ／2 后，顶板破坏 属材料剪切破坏，具有较高承载力，因此锚杆长度 要大于跨度的1 ／2 。 2 较大埋深巷道两帮属于软岩，扩容变形明 显，锚杆荷载和变形较大，因此锚杆要具有高承载 力和高韧性两方面技术特征。 参考 文 献 1 何满潮．中国煤矿软岩巷道支护理论与实践．徐州中国矿业大学出版社。1 9 9 6 万方数据 2 6 二查鱼全星 釜 兰鲞 _ 一一 G A T E ．R O A DB o L T I N G I N F E R I O R - L A Y E R E D R E S E A R C HU N D E RC O N D I T I O N SO FH I G HS T R E N G T H B E D ．F R A C T U R ES T R U C T U R ER O O FA N Ds o F rW A L L Y A N GJ i a n h u i H e 妊I n s t i t u t eo fA r c h i t e c t u r a lS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，H a n d a n0 5 6 0 3 8 T h ec o m p l i c a t e ds t r u c t u r eo f w a sf o u n du n d e rt h er o o fs u r f a c e ． A B S T R A C T t e s tg a t e r o a dr o o fh a sb e e ni n v e s t i g a t e d ， B e c a u s ee x i s t e n c eo fs u c hal a y e re n l a r g e s a n dah i g hs t r e n g t ht h i c kr o c kl a y e r t h es u p p o r tr a n g eo fs i n g l eb o l t ，r e l a t i v e l yl a r g eb o l ts p a c i n gc a nb ee m p l o y e d ．O nt h eb a s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h er o o f ，t h em o d e l i n g t e s tr e s u I t so fe q u i v a l e n tm a t e r i a l sa n da n a l y s i so ff a i l u r e si ni n i t i a le x p e r i m e n t ，al e n g t ho f2 ．0 ma n das p a c i n go f1 lm o ft h er o o fb o l ta r ed e c i d e d ．O w i n gt Og r e a t n e s so ft h eb u r i e dd e p t ho fg a t e - r o a da n dl o ws t r e n g t ho fc o a lm a s s ， t h ew a I Ii sc o m p o s e do fs o f tr o c ku n d e re x t r e m e l yh i g hs t r e s s ，t h e r e f o r et h eb o l t se m p l o y e ds h o u l db et h es a m ea s r o o fb o l t s ．a n dh a v eh i g hb e a r i n gc a p a c i t ya n df i n et o u g h n e s s ．T h et e s tg a t eu n d e r w e n tt h es t a t i cp r e s s u r ea n d w o r k i n gp r e s s u r e ，a n dt h es t a b i l i t yo b s e r v a t i o n K E YW O R D S b o l t i n g ；c o a ld r i f t ；r o o f ；s o f t r e s u l t ss h o wt h a tt h et e s ti ss u c c e s s f u l r o c k C o n tf r o mP ．8 1 2 3 4 参考 文献 汪旭光．乳化炸药．北京冶金工业出版社，1 9 9 3 张熙和，丁来欣，朱广军编著．炸药实验室制备方法．北京兵器工业出版社，1 9 9 7 刘宝康，蔡祖发，杨绍椿．爆破器材，1 9 8 2 3 7 j o h a n s 溯CHP e r s s o nPAD e t o n i c so fH i g hE x p l o s i v e s ．N e wY o r k A c a d e m i cP r e s s ，1 9 7 0 I N F L U E N C EO FS E N S I T I V EM E T H O D SO ND E T O N A T I O NV E L O C I T Y o FE M U L S I O NE X P L O S I V E S S O N GJ i n q u a n ，W A N GX u g u a n g ，L I UT a o ，C U IA n n a B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo f M i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n gj 0 0 0 4 4 A B S T R A C T B ym e a n So fl a b o r a t o r ym a n u f a c t u r et e c h n o l o g ye s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r ，t h r e et y p e so ft e s ts a m p l e ss e n s i t i z e db yd i f f e r e n tm e t h o d sw e r ep r e p a r e d ．I n f l u e n c eo fs e n s i t i v em e t h o d ，s e n s i t i z e rc o n t e n ta n dd e n s i t yo fe m u l s i o ne x p l o s i v e s E E o nt h ed e t o n a t i o nv e l o c 。i t yo fE Ew a ss t u d i e d ． K E YW O R D S e m u I s i o ne x p l o s i v e s ；s e n s i t i v em e t h o d ；d e t o n a t i o nv e l o c i t y ；i n f l u e n c ea n a l y s i s 万方数据