不稳定巷道锚杆支护参数优化研究.pdf

收稿日期 ２００４ － ０６ － ２２ 作者简介 武玉梁（１９７２ － ） ，男 ，汉族 ，安徽来安人 ，山东科技大学在读研究生 ，研究方向为矿压与岩层控制 。 文章编号 １００３ － ５９２３（２００４）０４ － ００７０ － ０３ 不稳定巷道锚杆支护参数优化研究 武玉梁 ， 邹德蕴 （山东科技大学 资环学院 ，山东 泰安 ２７１０１９） 摘 要 针对在岩巷中应用锚喷支护时存在的不论巷道类型均采用一种支护结构和参数的实际情况 ， 基 于工程测试以及不稳定巷道破坏机理和锚喷支护设计理论 ， 计算围岩松动的范围 ， 提出了确定锚杆长度 、 间排 距 、 锚固力及喷层厚度等主要锚喷参数的确定方法 ， 为相关支护设计提供理论依据 。 关键词 不稳定巷道 ； 锚杆 ； 工程测试 ； 支护参数 中图分类号 TD３５３ ． ６ 文献标识码 A 巷道支护方法对掘进速度 、支护材料消耗 、支 护成本和采面的端头支护等有着直接影响 ， 随着机 械化水平的不断提高 ，采准巷道的断面不断加大 ， 需要改善和简化巷道与端头支护工艺 。 实践证明 锚喷支护在岩巷中表征着良好的力学特征 ， 实现了 悬吊组合梁和楔固机理 ，有效地加固顶板岩层 ，保 持了巷道顶板的完整性 ， 使顶板处于良好的受力状 态 ， 有效地控制了顶板的自由变形 。 但是 ，由于客 观因素的影响 ， 我国大多数矿井还不能根据不同类 别的巷道及时选用相应的支护参数与工艺 。 兖矿 集团鲍店煤矿在实际施工中 ， 不同类型的巷道均采 用 快 硬 水 泥 药 卷 的 端 锚 锚 杆 ，规 格Φ１４ １６００ mm ， 间排距 ７００ ８００ mm ， 其实际强度为 ３０ ～ ５０ kN ， 只相当于 Φ１２ mm 的圆钢强度 ，这种参 数虽然是在工程实践中总结出来的 ， 但也应随着岩 性及地质条件的变化和分类进行调整 ， 显然用同一 组支护参数存在不足 。 因此 ， 有必要进一步研究合 理的支护参数 ， 正确指导设计和施工 ，确保巷道稳 定性和合理的施工成本 。 1 工程概况 鲍店煤矿五采区胶带大巷担负着五采区的煤 炭 、 材料 、 设备的运输 ， 与一采区胶带大巷相接 。 五 采胶带大巷在施工过程中层位进入了太原组的泥 岩中 ， 其中 w５５２ ～ w５０４ 、w５０１ ～ w５１１ 为粉砂质泥 岩 ， 局部为粉砂岩 ，自 w５１７ 前 ４０m 至五采第一轨 道上山为泥岩 。 该层位的泥岩特性为 呈灰黑色 ， 节理发育 ，层理不清 ，性脆致密 ，呈块状 ，具鲕粒结 构 ，稳定性差 ，吸水易变软和膨胀 。 巷道围岩岩性 较差 ， 且受到淋水的作用 ， 从而岩体局部较软 ， 承载 能力较低 ， 对巷道的后期稳定造成了极大影响 ，属 于稳定性较差或不稳定巷道 。 在这种情况下 ， 如采 用刚性金属支架支护 ， 成本高 ， 施工难度大 ， 且承载 能力不足以抵抗回采引起动压的互动作用 。 应考 虑采用主动支护方式 ， 选用合理的锚喷联合支护结 构和参数 ， 充分调动围岩本身作为支护结构的组成 部分 ， 共同承受动压作用 。 2 支护机理 一条巷道的支护参数是否合理 ， 不仅与确定参 数的理论依据有关 ，同时还与巷道的稳定性有关 。 工程测试作为“新奥法”的核心内容 ， 是确定巷道支 护形式 、 参数 、 时间的一个重要依据 。 锚杆支护系统的理论基础可参照“围岩松动圈 巷道支护理论” ， 该理论在处理采动巷道支护时有 两个设计思想 ① 未受采动影响时 ， 以最小松动圈 LPO为依据进行支护设计 ，支护体在受采动影响维 护正常 ， 用液压或摩擦支柱超前维护 ；② 以采动影 响期间的最大松动圈 LPd为依据 ， 所设计的支护体 在采动支承压力作用期间也能正常维护 。 根据影响岩巷稳定性的主要因素 岩性或岩层 层位构造应力 ， 围绕裂隙发育程度和动压等客观因 素 ， 对岩石巷道围岩松动深度范围进行实测和支护 现状分析 ， 采用“BA Ⅱ 型围岩松动圈测试仪” 进 行松动圈测试 ， 从测试结果看 ， 原岩整体性好 ， 波速 较高（均大于 ３ ．５ １０ ３ m／s） 。 经受采动压力影响 ０７ ２００４ ．№ ４ 矿山压力与顶板管理 后的围岩 ， 其松动圈内的岩体裂隙发育显著 ，整体 性明显较差 ，波速较低 ，松动圈大部分达到１ ． ０ m 甚至 １ ． ６ m 以上 ，且有因孔深不足而未测出其实 际松动范围 ，可能会更大 。 因此 ，这种巷道划分为 不稳定巷道 ， 测试结果见表 １ 。 表 １ 围岩松动圈测试一览表 松动圈 ／m 原岩波速 ／１０３m s－ １ 松动圈 ／m 原岩波速 ／１０３m s－ １ １ ． ３４ ． ７１ ． １３ ． ３９８ １ ． ６３ ． ９０ ． ６４ ． ５ ０ ． ６５ ． ５０ ． ８５ ． ２ ０ ． ８４ ． １１ ． ６孔深不足 3 支护参数选择与确定原则 锚杆支护系统的设计取决于岩体抗压强度 、 材 料特性 、 引发应力的大小和分布 ，以及巷道的允许 变形程度和服务年限 ， 巷道尺寸和形状等条件 。 同 时 ， 支护设计要以“新奥法”的施工思想为指导 ，根 据施工地质条件不同 ， 选择不同的支护参数 。 锚杆支护系统设计和支护参数的确定 ， 主要是 指锚杆类型 、间排距 、长度 、直径 、锚固力 。 只有合 理确定锚杆支护参数 ， 才能获得锚杆支护在经济上 和技术上的最佳效果 。 针对五采胶带大巷工程地 质实际情况 ， 此巷道的支护参数设计可采用理论公 式计算结合工程类比法来确定 。 3 ． 1 断面形状 采用离散元数值分析法 ， 对巷道矿压显现特征 进行数值模拟分析得出的结论 在巷道顶部基本形 成一个近似半园形的卸载松动区 ， 根据锚杆支护能 使塑性破坏后松动的煤体形成具有一定承载能力 ， 且在一定范围内适应围岩变形的平衡拱这一原理 ， 巷道断面选用直墙半园拱形断面为最好 。 根据设 备布置要求 ， 确定锚网支护条件下巷道断面为直墙 半园拱形 ，掘进宽 ４ ．３ m ，高 ３ ．６５ m ，净断面为 １５ ． ６９ m ２ ， 顶板两角呈圆弧过渡形式 。 3 ． 2 锚杆长度 锚杆安设在顶板中 ，被锚固的岩层不厚 ，在它 上面有老顶时 ， 则锚杆的长度只要使其锚固部分固 定在老顶内 ≥ ２００ ～ ３００ mm 即可 。 按单体锚杆悬吊理论计算锚杆长度 ， 计算公式 如下 L ＝ L２＋ m ＋ L１ 式中 L２ 锚杆顶部进入老顶的长度 ，mm ； m 锚固岩层厚度 ，mm ； L１ 锚杆露出孔外长度 ，mm 。 ①L２长度 根据杆体设计抗拉强度等于锚固端部的粘结 力 ， 计算公式如下 由 πd ２ σ拉 ４ ＝ πdL２τ粘 推导出 L２＝ dσ拉 ４τ粘 式中 d 锚杆直径 ，mm ； σ拉 杆体材料设计抗拉强度 ，MPa ； σ粘 锚杆与砂桨的粘结强度 ，螺纹钢时 取 ５ ． ０ MPa 。 ② 锚固岩层厚度 m 按冒落拱高度的 k 倍计算 ， 公式如下 m ＝ kb 式中 k 安全系数 ， 取 １ ． ３ ～ １ ． ５ ； b 自然冒落拱高 ，b＝ B／２F ，cm ； B 巷道掘进宽度 ， cm ； F 岩石坚固性系数 。 ③ 锚杆露出孔外长度 L１ L１＝ 托板厚 ＋ 螺帽厚 ＋ 螺帽外露出长度 巷道全部在岩体中掘进 ，支护重点应放在顶 部 ， 即顶部锚杆锚固长 ０ ．７ m ，两帮 ０ ．２５ m ，这样 顶锚杆长 ２ ． ２ m ， 两帮为 １ ． ８ m 。 3 ． 3 锚杆间排距 一般情况下 ， 锚杆支护布置呈正方形 ，即锚杆 间距等于锚杆排距 。 根据锚杆悬吊作用理论 ， 公式 如下 a ＝ ０ ． ８８７ d σ拉 kmγ 式中 γ 岩石密度 ， ２ ． ５ kg／cm ２ ； k 安全系数 ， 取 ２ ； a 锚杆间距 ，mm ； m 锚固层厚 ， 取 １ ． １ m ； d 锚杆直径 ，mm ； σ拉 杆体材料设计抗拉强度 ， 取 ３８ １０ ３ kg／cm ２ 。 得 a ＝ b ＝ １１７９ mm 考虑到这类巷道围岩岩体强度低 ， 且要受到动 压作用 ， 因此适当加大组合拱厚度 ，降低应力集中 值 ， 可减少锚杆间排距 。 3 ． 4 锚杆直径 各种锚杆的锚固力须与杆体本身的抗拉强度 相适应 ， 即锚杆的实际锚固力要大于或等于杆体抗 拉极限 ，这样才能充分发挥锚杆材料的作用 。 因 此 ， 锚杆体的直径可按杆体的抗拉力等于锚杆实际 的锚固力的原则确定 。 计算公式如下 １７矿山压力与顶板管理 ２００４ ．№ ４ P拉＝ π ４ d ２ σ 由 P拉＝ Q固 得 d ＝ １ ． １３ Q固 σ拉 式中 P拉 锚杆杆体材料的抗拉力 ，kN ； σ拉 锚杆杆体材料的设计抗拉强度 ； Q固 锚杆的锚固力 ； d 锚杆的直径 。 d ＝ １ ． １３ ６０ １０ ２ ３８ ＝ １４ ． ２ mm 由于这类巷道变形较大 ，很多锚杆锚固力低 ， 易失效 ， 可将其锚固力提高到 ６０ kN ，则 d ＝ d ＋ ２ ＝ １６ ． ２ mm ， 取 d ＝ １６ mm 。 3 ． 5 锚杆类型 为节约材质 ， 增强锚杆丝头强度 ，采用滚丝方 式加工的等强度锚杆 ， 与之匹配采用 Φ１６ mm 的加 厚螺母进行外端托盘加固 4 结束语 不稳定巷道经掘进后的应力重新分布 ， 压力稳 定及采动影响等不同阶段 ，须经矿压观测 ，来判断 巷道的稳定性 ， 确保巷道各变形量满足设计要求 。 （１） 巷道围岩表面位移观测 采用十字布点法 对巷道顶底和两帮相对移近量进行观测 ， 布点间隔 不大于 ３０ m ， 一周内每天测一次 ， 一周后每三天测 一次 。 （２） 顶板离层观测 通过顶板深浅基点顶板下 沉情况验证锚杆支护参数 ， 特别是顶部锚杆支护参 数的合理性 。 采用顶板离层仪进行观测 ，每 ５０ m 设一测点 ， 每个测点设深基点和浅基点各一 ，浅基 点测深 １ ．８ m 或 ２ ．２ m 处的离层情况 ，深基点测 深 ５ m 以上处的离层情况 ， 观测间隔不超过 ５ d 。 （３） 锚杆受力状况观测 采用测力锚杆测锚杆 受力状况 ， 采用锚杆测力计测锚杆托盘受力状况 ， 每个断面布置四个测点 ， 间隔不大于 ３０ m 。 （４） 松动圈测试 紧跟迎头进行 ，测控要求距 开挖后不超过 ２４ h ，每个断面布置四个测孔 ，断面 间隔不大于 ３０m 。 通过合理支护参数技术研究 ， 以分析不稳定巷 道的破坏机理和确定松动范围为依据 ， 对不稳定巷 道采用以锚喷支护方式为主设计支护体系 ， 设计不 稳定巷道的合理支护结构 ，在锚喷支护的基础上 ， 采用内注浆锚杆进行注浆加固 ， 保证施工后静压下 的稳定 ， 不需返修 ，两帮及顶底移近量分别不超过 ５０ mm 和 １００mm ， 在动压作用下 ， 保证巷道的局部 稳定 ， 两帮及顶底移近量分别不超过 ２００ mm 和 ３００ mm 。 参考文献 ［１］ 侯朝炯 ，郭励生 ，勾攀峰 ． 煤巷锚杆支 护［ M］ ． 徐 州 中国矿 业大学出版社 ， １９９９ ． ［２］ 岳翰 ，贾 悦 谦 ，严志 才 ． 井 巷 锚 杆 及锚 喷 支 护 技 术［ M ］ ． 太 原 山西出版社 ， １９８２ ． ［３］ 董方庭 ，宋宏伟 ，郭志宏 ． 巷道围岩松动圈支护理论［J］ ． 煤 炭学报 ， １９９４ ， １９（１） ２１ － ３２ ． ［４］ 汪明武 ，王鹤龄 ．锚固质量的无损检测技术［J］ ． 岩石力学与 工程学报 ， ２００２ ， ２１（１） １２６ － １２９ ． （上接第 ８９ 页） 5 建议与对策 （１） 通过不断学习 ， 加深对锚杆支护理论的认 识和理解 ， 全面提高职工的技术业务素质 。 （２） 总结经验 ， 建立健全煤锚巷道质量安全保 障体系 。 ① 加强技术管理 ，搞好煤锚支护设计 。 支护 设计必须建立在对顶板及煤层条件有清晰认识和 判断的前提下 ，并严格遵循围岩 、煤层条件分类 初始支护设计 安全监控与分析 修正完善设计 的程序 ，不断在实践中检验 ，最终实现科学 、合理 、 可靠的支护设计 。 ② 规范施工程序 ，加强支护效果检测 。 锚杆 支护是一项复杂的系统工程 ， 其最终的质量状况涉 及到的因素很多 ， 但其中最关键的环节是小班质量 控制 。 要研究科学合理的施工工艺 ， 尤其是采用炮 掘面 ， 必须严格实行控制爆破 ，帮顶预留合适的人 工刷大部分 ， 减少放炮对围岩的破坏 。 要加强对锚 杆施工质量的控制 、 严格验收检查 ， 牢固树立起“以 预防为主”的思想 。 在以后的煤锚巷道施工中 ，应 配备相对固定的责任心强的锚杆操作工 ， 规范操作 程序 ，严格施工质量 ，并能及时发现问题 ，及时反 馈 ， 尽快采取相应的处理措施 ， 消除事故隐患 。 加强日常的矿压和支护检测 ， 进一步健全煤锚 巷道质量安全监测体系 。 小班施工的锚杆其初锚 力必须做到根根监测 ，根根合格 ，煤锚巷道安设的 检测仪表 ， 在保证产品质量和正确的安装程序的前 提下 ， 必须严格执行正常的检测制度 。 ２７ ２００４ ．№ ４ 矿山压力与顶板管理