煤巷锚杆支护成套技术研究与实践.pdf

第24卷 第21期 岩石力学与工程学报 Vol.24 No.21 2005 年 11 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Nov.2005 收稿日期2005–06–26修回日期2005–07–30 作者简介康红普1965–男博士1985 年毕业于山西矿业学院采矿工程专业现任研究员博士生导师主要从事巷道支护理论与技术 方面的教学与研究工作E-mailkanghp 煤巷锚杆支护成套技术研究与实践 康红普 煤炭科学研究总院 北京开采研究所北京 100013 摘要介绍煤巷锚杆支护技术的最新进展与研究成果在支护理论方面认为锚杆支护的主要作用在于控制锚固 区围岩的离层滑动张开裂隙等扩容变形与破坏最大限度地保持围岩完整性避免有害变形出现围岩地质 力学测试仪器包括小孔径水压致裂地应力测量装置围岩强度原位测量装置及钻孔窥视仪的技术特征与使用方法 论述锚杆支护动态信息设计方法的特点与设计步骤及面向现场工程技术人员使用的支护设计软件组成与功能 分析高强度锚杆支护材料的力学性能包括锚杆锚固剂W 型钢带和锚索最后介绍井下应用实例通过监 测数据评价支护效果实践证明锚杆支护是目前最适合煤巷的高效经济的支护方式 关键词采矿工程煤巷锚杆支护成套技术应用 中图分类号TD 32 文献标识码A 文章编号1000–6915200521–3959–06 STUDY AND APPLICATION OF COMPLETE ROCK BOLTING TECHNOLOGY TO COAL ROADWAY KANG Hong-pu Beijing Mining Research InstituteChina Coal Research InstituteBeijing 100013China AbstractRock bolting technology has already been used universally and created prominent technological and economic profit. This paper introduces the new research achievement of rock bolting technology for coal roadway. In rock bolting theoryit is considered that the main function of rock bolting is to control dilatancy and destroy in bolted surrounding rockmass such as delamination sliding and fracture opening to maintain the completeness of surrounding rockmass to maximum extensionand to avoid harmful deation. The technical parameters and operation s of the geomechanics instruments are introducedincluding small borehole hydrofracturing stress measurement devicewall rock strength measurement device and fiber borehole observation rig. The contents and characteristics of dynamic and inational rock bolting design computer design software for engineers and technicians in coal mines are discussed. The mechanical properties of high strength rock bolting materials such as rock bolts resin capsule W-shaped strap and cable bolts are analysed. Finally the rock bolting effect is uated through monitoring data in a case study. It is proved that the rock bolting is the most suitable supporting type for coal roadways in coal mines with high efficiency and low cost. Key wordsmining engineeringcoal roadwayrock boltingcomplete technologyapplication 1 引 言 巷道支护是煤炭开采各类矿山水利水电隧 道及铁路公路交通隧道等地下工程的一项关键技 术合理的巷道支护技术应既能确保地下工程的安 全又具有明显的技术经济效益随着我国矿山开 采深度和广度的不断发展以及基本建设规模的不 3960 岩石力学与工程学报 2005 年 断扩大 对巷道支护技术提出了更新 更高的要求 煤矿巷道支护经历了棚式支护到锚杆支护的过 程锚杆支护具有明显的优越性可显著提高支护 效果降低成本减轻工人劳动强度改善作业环 境保证安全生产有利于采煤工作面快速推进 澳大利亚美国英国等对煤巷锚杆支护技术 进行了比较全面的研究[1 3]锚杆支护率达 90 以 上 但国外煤矿开采深度小200 m 左右 地质条件 简单护巷煤柱宽度大巷道埋深的 1/10因此锚 杆支护效果好对于复杂困难条件不能保证盈利 而放弃开采 我国煤矿原巷道支护以棚式支护为主煤巷锚 杆支护仅占 35棚式支护效果差成本高 需要多次维修严重影响矿井安全和效益锚杆支 护强度低缺乏科学的支护理论和设计方法施工 机具技术性能和配套性差监测仪器不完善因而 支护质量不能保证出现过多起冒顶死亡事故严 重制约了煤矿安全和高效生产随着综采放顶煤开 采技术的广泛应用和矿井向深部延伸出现了一系 列前所未有的复杂困难条件包括全煤巷道沿空 掘巷高地应力冲击地压巷极破碎围岩巷道等 而且随着开采强度增大要求的巷道断面越来越大 为了解决这些巷道支护难题在引进消化吸收国 外先进技术的基础上煤炭系统经过集中攻关已 形成适合我国煤矿条件的煤巷锚杆支护成套技术[4] 目前煤巷锚杆支护已在国内得到大面积推广应 用取得良好的技术经济效益 煤巷锚杆支护技术是一个庞大的系统 包括锚 杆支护理论巷道围岩地质力学测试锚杆支护设 计锚杆支护材料锚杆施工机具和工艺及锚杆支 护监测技术等诸多方面本文主要介绍前 4 个方 面 2 锚杆支护作用机理分析 锚杆支护作用机理研究的目的是弄清锚杆锚 索与围岩之间的相互作用关系为锚杆支护设计提 供理论基础传统的悬吊组合梁加固拱等锚杆 支护理论在生产实践中起到积极的作用但具有一 定的局限性本文在井下实测数值计算等研究成 果的基础上深入研究了锚杆支护作用机理有以 下认识 1 锚杆可不同程度地提高锚固区煤岩体强 度弹性模量粘聚力和内摩擦角等力学参数[5] 但对于中等强度以上岩石锚杆对岩石破坏前的强 度和变形影响不大对于强度较低的煤体锚杆在 煤体破坏前对其强度有比较明显的影响锚杆的主 要作用是改善发生塑性变形和破碎煤岩的力学性 质显著提高其屈服后强度改变屈服后煤岩变形 特性 2 锚杆对节理层理裂隙等不连续面的本 质作用在于通过锚杆提供的轴向力与切向力提 高不连续面的抗剪强度阻止不连续面产生离层与 滑动通过提高结构面的强度提高节理煤岩体的 整体强度完整性与稳定性 3 通过锚杆给围岩施加一定的压应力可以 改善围岩应力状态对于受拉区域可抵消部分拉 应力提高围岩抗拉能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 4 锚杆支护主要作用在于控制锚固区围岩的 离层滑动张开裂隙等扩容变形与破坏在锚固 区内形成次生承载层最大限度地保持锚固区围岩 的完整性避免围岩有害变形的出现提高锚固区 围岩的整体强度和稳定性为此应采用高强度 高刚度锚杆组合支护系统高强度要求锚杆具有较 大的破断力高刚度要求锚杆具有较大的预紧力并 实施加长或全长锚固组合支护要求采用钢带金 属网等护表构件应尽量一次支护有效控制围岩变 形避免二次支护和巷道维修 5 钢带可扩大锚杆作用范围使载荷趋于均 匀共同形成组合支护系统提高整体支护能力 对巷道表面提供支护改善顶板应力状态减少岩 层弯曲引起的拉伸破坏 6 锚索的作用主要是将锚杆支护形成的次生 承载层与围岩的关键承载层相连充分调动深部围 岩的承载能力使更大范围内的岩体共同承载提 高支护系统的整体稳定性 3 巷道围岩地质力学测试 巷道围岩是锚杆支护对象地质力学参数是锚 杆支护设计的基础只有充分了解研究对象才能 使支护设计合理安全可靠与其他工程材料相 比围岩具有两大特点其一是岩体内部含有各种 各样的不连续面如节理裂隙等这些不连续面 的存在显著改变了岩体的强度特征和变形特征致 使岩块与岩体的强度相差悬殊其二是岩体含有地 应力地应力场的大小和方向都显著影响着围岩的 第 24 卷 第 21 期 康红普. 煤巷锚杆支护成套技术研究与实践 3961 变形和破坏因此一切与围岩有关的工作如巷 道布置巷道支护设计特别是锚杆支护设计都 离不开对围岩地质力学特征的充分了解 煤炭科学研究总院北京开采研究所开发研制出 了与煤巷锚杆支护相配套的巷道围岩地质力学快速 测试系统该系统包括井下地应力测量巷道围岩 强度测定围岩结构观察[6] 3.1 地应力测量 3.1.1 地应力测量方法 地应力测量采用水压致裂测量方法该法有以 下优点1 能测量较深处的绝对应力状态2 是 最直接的测量方法无需了解和测定岩石的弹性模 量3 测量应力空间范围较大受局部因素影响 小不需要套芯工序可利用其他工程的勘探孔进 行压裂 3.1.2 地应力测量仪器 地应力测量仪器为北京开采研究所自行开发的 SYY–56 型水压致裂地应力测量装置 采用小孔径 钻孔φ56 mm最大测量深度为 30 m可在井下进 行快速大面积地应力测量同一钻孔还可以用于 巷道围岩强度测量 如图 1 所示 该仪器由分隔器 注水阀门水压管流量计高压泵及记录仪等部 件组成 图 1 水压致裂地应力测量示意图 Fig.1 Schematic diagram for hydrofracturing stress measurement 3.2 巷道围岩强度测试 采用 WQCZ–56 型围岩强度测定装置进行井 下围岩强度测试图 2由围岩强度测定仪探头 手动泵高压管延长杆等部件组成探头直径φ54 mm测量深度 30 m非常适合井下快速测量工作 岩体强度的测定在井下巷道围岩钻孔中进行 探头内的活塞在高压油的驱动下发生移动使端部 顶针压向钻孔孔壁根据顶针压破钻孔孔壁的临界 图 2 巷道围岩强度测量示意图 Fig.2 Schematic diagram for strength measurement of roadway surrounding rock 压力经过简单计算便可得到该点的岩体单轴抗 压强度 通过对 30 余组岩石试样同时用围岩强度测定 装置及实验室压力机作了岩石单轴抗压强度的对比 试验测试结果表明岩石单轴抗压强度 c R与围岩 强度测定装置临界破坏压力 m P呈强相关关系 可用 下式描述    MPa20lg MPa20 mm32c mm1c PPkkR PPkR 1 式中 c R为岩体单轴抗压强度MPa m P为临界破 坏压力MPa 1 k 2 k 3 k均为系数 为了测定整个钻孔长度上岩层的抗压强度每 隔 200300 mm 取一个测试剖面 3.3 巷道围岩结构观察 采用美国 FS7520 型钻孔窥视仪进行钻孔观 察该仪器由柔性光导纤维观察镜目镜照相 机接头及矿灯光源接头等部件组成 在井下巷道中打好钻孔后就可以进行钻孔观 察首先将钻孔窥视仪插入钻孔中至最大窥视深 度然后接上矿灯从目镜中观察钻孔形态边观 察记录边慢慢转动和抽出窥视仪 该测试系统已经在潞安晋城大同新汶 汾西等矿区得到广泛应用获得大量宝贵的地质力 学基础参数显著提高了锚杆支护技术的合理性和 可靠性有力地促进了矿区煤巷锚杆支护技术的健 康发展 4 煤巷锚杆支护设计方法与软件 设计是锚杆支护成套技术中的一项核心内容 3962 岩石力学与工程学报 2005 年 如果支护形式和参数选择不合理就会造成两个极 端其一是支护强度太高浪费材料其二是支护 强度不够出现冒顶事故 4.1 动态信息设计法 锚杆支护动态信息设计法比较适合煤矿巷道 的特点已经得到普遍认可动态信息法具有两大 特点动态性与信息性其一设计不是一次完成 的而是一个动态过程其二设计充分利用每个 过程中提供的信息该设计方法包括五部分即试 验点调查和地质力学评估初始设计井下监测 信息反馈和修正设计日常监测 实践证明锚杆支护初始设计采用数值计算是 可行的目前应用效果比较好的数值计算程序为有 限差分软件 FLAC[7]和离散单元法软件 UDEC数值 计算设计包括以下步骤 1 确定巷道断面形状与尺寸根据设备尺寸 通风要求和巷道围岩变形预留量设计合理的巷道 断面形状与尺寸 2 建立数值模型根据巷道条件确定模拟 范围 边界条件 模拟围岩和支护构件的力学模型 3 确定模拟方案一般包括无支护不同锚 杆支护密度直径长度预紧力及有无锚索等 支护方案 4 模拟结果分析分析锚杆密度直径长 度和预紧力等参数对支护效果的影响确定最优的 支护方案 4.2 适合工程技术人员使用的设计软件 采用数值计算软件进行锚杆支护初始设计可 以考虑众多影响巷道围岩变形破坏和锚杆支护作 用的因素 在多方案比较的基础上 选出最优方案 这种设计方法的科学性和合理性很高但是这种 设计方法需要有深厚的数学和力学基础娴熟地操 作计算机的能力以及丰富的锚杆支护设计经验 这些条件对于现场工程技术人员来说很难达到 为了使锚杆支护初始设计既简单方便适合 工程技术人员使用又具有较高的科学性和合理性 在大量示范巷道数值计算设计的基础上进行提炼 与简化编制适合现场工程技术人员使用的设计软 件是一条可行的途径下面以潞安矿区煤巷锚杆支 护设计软件LABOLTVERSION 1.0[8]为例作一 简单介绍 4.2.1 设计软件的组成 潞安矿区煤巷锚杆支护设计软件LABOLT VERSION 1.0由以下 4 个部分组成 1 数据库系统包含设计巷道地应力围岩 强度围岩结构巷道使用特征等各个参数 2 咨询系统包含与煤巷锚杆支护有关的地 质力学测试支护理论设计方法支护材料施 工机具和矿压监测仪器等内容供工程技术人员学 习煤巷锚杆支护技术基本知识所用 3 设计系统根据巷道参数进行锚杆支护设 计得出支护形式参数所需要的支护材料等 4 绘图系统根据设计系统提供的锚杆支护 设计绘制巷道支护断面图俯视图和侧视图 4.2.2 系统功能 潞安矿区煤巷锚杆支护设计软件LABOLT VERSION 1.0系统提供的主要功能包括查看各煤 矿地质力学参数的图表和图形数据资料提供煤巷 锚杆支护技术咨询设计巷道支护参数打印输出 巷道支护材料消耗清单和巷道支护三视图 为完成上述功能首先要在数据库中录入待设 计巷道的所有地质力学参数打印输出巷道支护三 视图由 AutoCAD 完成其余功能及系统集成均由 支护设计软件来完成 LABOLT 已经在潞安矿区得到广泛应用显著 提高了支护设计的合理性和速度大大减轻了工程 技术人员的设计工作量 5 高强度树脂锚杆与锚索支护系统 高强度树脂锚固锚杆与锚索支护系统是我国煤 矿巷道支护技术实现跨越式发展的关键技术该系 统包括锚杆杆体材料和附件树脂锚固剂W 钢带 和小孔径树脂锚固锚索等 5.1 锚杆杆体材料 我国煤矿原来主要使用 Q235 普通圆钢锚杆 锚杆直径一般为φ 1416 mm长度为 1.41.8 m 破断力仅为 5070 kN强度低刚度低在复杂 困难巷道中由于锚杆支护阻力不够造成巷道围 岩变形剧烈需多次维修与翻修甚至发生冒顶事 故同时由于锚杆密度大巷道单位长度上安装 锚杆的数量多又影响了巷道掘进速度 为从根本上改变锚杆支护落后的局面开发了 锚杆专用钢材并专门配钢或经中频调质达到高 强度和超高强度级别杆体形状设计方面遵循合理 孔径差有利于提高锚杆锚固力杆体各个部位强 度等3 个原则将杆体设计为左旋无纵肋螺纹钢筋 确定杆体公称直径为 1825 mm杆尾螺纹段采用 滚压工艺加工在锚杆杆体材质方面开发了基于 第 24 卷 第 21 期 康红普. 煤巷锚杆支护成套技术研究与实践 3963 材质和调质处理的两大类高强度锚杆杆体基于材 质的高强度杆体从炼钢开始开发了专用锚杆钢 材配方设计了 3 个级别的螺纹钢筋力学性能见 表 1 表1 锚杆杆体力学性能 Table 1 Mechanical parameters of rock bolt bar 锚杆 类型 牌号 直径 /mm 屈服载荷 /kN 拉断载荷 /kN 延伸率 δ5 / 低强度 Q235 16 47.2 76.4 25 BHRB400 22 152.0 216.6 20 BHRB500 22 190.0 250.8 20 高强度 BHRB600 22 235.6 311.6 18 强力 BHRB600 25 304.2 402.3 18 对于直径为 22 mm 的 BHRB600 型钢筋屈服 力达 235.6 kN破断力达 311.6 kN是同直径普通 圆钢的 2.642.16 倍真正实现了高强度基于调 质处理的高强度杆体选用来源广成本低的普通 建筑螺纹钢筋作为原材料调质处理采用两种方法 一种是仅对杆体螺纹部分进行调质保证杆体等强 度比原有杆体强度提高 50延伸率提高 30 45另一种是对杆体全长采用中频感应加热调质 技术提高整体强度制成高强度锚杆上述两类 高强度锚杆杆体均达到了国外同类产品的力学性 能 5.2 树脂锚固剂 树脂锚固剂为高分子材料由于其粘结强度大 固化时间快安全可靠性高已广泛应用于煤巷锚 杆支护我国在树脂锚固剂配方改进和生产技术方 面做了大量工作现已形成系列产品主要性能指 标均达到国外先进国家的要求锚固剂尺寸有多种 规格从直径划分常用的有 232835 mm从 长度划分常用的有 300330350450500 600660750880 mm 等目前还有双速锚固剂 即在一支锚固剂中前一段是快速或超快速后一 段是中速便于井下安装 5.3 W型钢带 钢带是煤巷锚杆支护中的重要构件它可将单 根锚杆联结起来组成一个整体承载结构显著提高 锚杆支护的整体效果 钢带一般由薄钢板压制成 W 型钢带上有钻孔钻孔形状为圆形或椭圆形此 外有些矿区为了节省钢材在适当的条件下采用 钢筋托梁代替钢带也取得较好的效果 W 型钢带是利用带钢经多组轧辊连续进行冷 弯滚压成型的型钢产品由于带钢在冷弯成型过 程中的硬化效应可明显提高型钢强度冷弯成型 出材率高98与冲压及热轧型钢相比可节约钢 材 1030根据我国煤矿井下巷道的具体情 况制定了我国矿用 W 型钢带标准MT/T861– 2000在井下使用时可根据巷道的具体条件选 择不同参数的 W 型钢带 5.4 小孔径树脂锚固锚索 锚索由索体锚具和托板等组成索体一般用 具有一定弯曲柔性的钢绞线制成其特点是锚固深 度大承载能力高可施加较大的预紧力因而可 获得比较理想的支护效果是目前最可靠最有效 的一种手段其加固范围支护强度可靠性是普 通锚杆支护所无法比拟的 传统的注浆锚固锚索支护一般适合于煤矿井下 永久性工程如洞室 大巷的补强和加固[9]锚索钻 孔和吨位一般较大采用水泥注浆锚固固化时间 长这种锚索的技术参数和施工工艺无法满足回采 巷道的要求 针对这一情况开发了适合回采巷道特点的小 孔径树脂锚固预应力锚索加固技术其最大特点是 采用树脂药卷锚固可以像安装普通树脂锚杆那样 用锚索搅拌树脂药卷进行加长锚固其安装孔径仅 为φ 28 mm 用普通单体锚杆机即可完成打孔 安装 树脂药卷固化时间快锚索能及时快速承载 小孔径锚索主要用在破碎复合顶板巷道放 顶煤开采沿煤层底板掘进的煤顶巷道软弱和高 地应力巷道以及大跨度开切眼和巷道交叉点 其主要技术参数为钻孔直径φ28 mm锚索直径 φ15.2418.96 mm索体破断力为 260400 kN 6 应用实例 6.1 巷道地质与生产条件 潞安常村煤矿S2–3运输巷沿3 煤层底板掘进 巷道埋深为 345365 m煤层平均厚度为 6.05 m 倾角为 36单轴抗压强度为 13.3 MPa直接顶 为黑灰色泥岩厚度为 4.4 m平均单轴抗压强度 为 51.3 MPa 基本顶为细砂岩和中砂岩 厚度 4.5 m 强度变化范围为 46.670.7 MPa直接底板为中细 砂岩厚度平均为 3.03 m以下为泥岩平均厚度 为 1.7 m 原岩应力测量结果表明最大水平主应力为 14.01 MPa方向为 NW35.7最小水平主应力为 3964 岩石力学与工程学报 2005 年 6.96 MPa垂直主应力为 9.00 MPa 巷道一侧为采空区煤柱宽度为 5 m设计巷 道断面呈矩形宽为 4 m高为 3.2 m掘进断面面 积为 12.8 m2 6.2 锚杆支护设计 采用有限差分数值计算进行了多方案比较[10] 确定出支护初始设计锚杆支护布置如图 3 所示 图 3 锚杆支护布置图单位mm Fig.3 Layout of rock bolting unitmm 顶板支护钢筋托梁组合锚杆支护并进行锚 索补强 锚杆为φ 22 mm螺纹钢锚杆 长度为2.4 m 树脂加长锚固钢筋托梁采用φ16 mm 的圆钢焊接 而成菱形金属网护顶锚杆排距为 0.8 m间距为 0.7 m锚索长度为8 m树脂加长锚固每排一根 排距 1.6 m 巷帮支护支护形式同顶板区别在于锚杆长 度为 2.0 m小煤柱侧锚杆间距为 0.6 m每排 5 根 锚杆另一侧锚杆间距为 0.8 m每排 4 根锚杆 6.3 井下监测与支护效果 锚杆支护实施于井下后进行了矿压监测 巷道顶板下沉量为 67 mm两帮移近量为 162 mm其中工作面侧帮位移量为 71 mm小煤柱侧 帮位移量为 91 mm小煤柱侧帮变形明显较大 顶板锚杆受力最大达 180 kN 而且锚杆中部受 力大两端较小达到杆体屈服极限的锚固段占 27说明支护设计比较合理 总之巷道支护状况良好围岩变形得到有效 控制满足了生产要求 7 结 语 经过 10 a 多的研究与实践 我国煤巷锚杆支护 成套技术基本形成而且在实际应用中解决了大量 巷道支护难题取得了巨大的技术经济效益为高 效安全开采创造了良好条件锚杆支护已成为高 产高效矿井必备的配套技术有着广泛的应用前景 参考文献References [1] Song GStankus J. 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