松软破碎煤体小煤柱护巷高预紧力强力锚杆锚索支护研究与应用.pdf

第 l 2卷 第 3期 总第 7 6期 2 0 0 7年 6月 煤 矿 开 采 C o a l Mi n i n g T e c h n o l o g y V o 1 ． 1 2 N o ． 3 S e ti e s N o ． 7 6 J u n e 2 0 0 7 松软破碎煤体小煤柱护巷高预 紧力 强力锚杆锚 索支护研 究与应用 林健。 ，赵英利 ，吴拥政 ，郭相平 1 ． 煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 1 0 0 0 1 3 ； 2 ． 潞安矿业集团，山西 长治 O 4 6 1 O 4 [ 摘要】 小煤柱护巷是工作面上风巷普遍采用的一种布置方式。但随着煤矿地质条件的不断 恶化，采用小煤柱护巷技术的巷道变形量明显加大，难以满足生产要求。介绍了常村煤矿在该类巷道 中采用最新开发的高预紧力强力锚杆锚索支护系统，有效地控制了巷道的强烈变形，为类似巷道推广 该项技术提供 了有益的参考。 [ 关键词] 破碎煤体 ；小煤柱；高预紧力；强力锚杆 [ 中图分类号]T D 3 5 3 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 6 - 6 2 2 5 2 0 0 7 0 3 - 0 0 4 7 - 0 4 Hi g h Pr e t i g ht e n i n g a nd St r e ng t h Bo l t a n d Ro pe Su pp o r t i ng Re s e a r c h a nd Ap p l i c a t i o n i n Cr a c k e d．Lo o s e a n d S o f t Ro a d wa y wi t h S ma l l P r o t e c t i o n P i l l a r L I N J i a n ，Z HAO Yi n g l i ，WU Yo n g z h e n g ，GUO Xi a n g p i n g 1 ． C o a l Mi n i n g B r a n c h ，C C R I ，B e ij i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ；2 ． L u h n Min in g G r o u p ，C h a n g z h i 0 4 6 1 0 4， C h i n a Ab s t r a c t Ap p l y i n g s ma l l p i l l a r t o p r o t e c t i n g r o a d w a y i s a w i d e u s e d l a y o u t i n mi n i n g r o a d w a y ．W i t h t h e d e p r a v a t i o n o f g e o l o gy c o n d i t i o n i n c o l l i e r y ，t h e r o a d w a y d i s t o r t i o n w i t h s ma l l p rot e c t i o n p i l l a r i n c r e a s e s d i s t i n c t l y a n d i t i s h a r d ，t o me e t p r o d u c t i o n n e e d ．T h e n e w d e v e l o p e d s t r e n g t h b o l t a n d rope s u p p o rt i n g s y s t e m w i t h h i s h p r e t i g h t e n i n g f o r c e wa s i n t r o d u c e d i n t h i s p a pe r ．Th i s s y s t e m C an c o n t r o l e f f e c t i v e l y l a r g e d i s t o rti o n o f roa d w a y an d s u p p l y b e t t e r r e f e r e n c e for s i mi l a r roa d wa y s ． Ke y wo r d s c r a c k e d c o a l b o d y ；s mall p i l l ar ；h i s h p r e t i g h t e n i n g f o rce ；s t r e n g t h bo l t 常村煤 矿是一座新建的大型现代化矿井 ，随着 开采的不断延伸，巷道埋深、原岩应力值明显加 大 ，围岩更加破碎。采用常规的锚杆支护已不能满 足生产的需要 ，主要表现为以下 3点 一 是巷道变形量明显加大。如 S ． 轨道巷 ，埋 深4 5 5 ～ 4 7 5 m，留5 m小煤柱护巷，采用高强锚杆 配合锚索支护，掘进期间巷道两帮移近量达到 5 7 2 m m，顶板下沉 7 4 m m。相对稳定期间两帮的蠕 变速率仍平均在 1 ． 5 m m ／ d ； 二是在常规锚杆支护不能满足生产要求 的情况 下．不得已采用加密锚杆、锚索的方法进行支护， 造成掘进速度缓慢，严重影响矿井的正常采掘衔 接。如 N ，。 运输巷、s ． 轨道巷、s 一 轨道巷等巷道 锚杆均采用 8 0 0 m m排距，锚索每 1 6 0 0 m m打设 3 根 ，长 8 m，但巷道变形仍得不到有效控制 ； 三是煤岩体破碎地带进行巷道超前预注浆加 固。由于常村煤 矿工作面巷道一般沿煤 层底板掘 进，顶板留3 m左右的煤层，在掘进期间经常出现 顶板煤体高冒现象。因此，几乎在每个巷道掘进头 均备有化学注浆材料和注浆设备，随时准备在煤层 破碎处进行超前注浆加固，不仅严重影响了巷道的 掘进进度。同时投入了大量人力物力 ，据统计 ，常 村煤矿每年用于巷道超前加 固的化学 注浆材料约 1 5 0 t 左右，加上注浆锚杆 、封孔器等，约 6 0 0多万 元的费用。 根据以上分析，常村煤矿目前急需寻找一种新 的支护方式或加大支护强度来满足生产要求，保证 巷道安全。 1 试验点调查和地质力学评估 试验巷道为常村煤矿 s 一 综放工作面胶带巷。 该工作面西邻南翼 四号胶带 巷 正掘 ，东邻 s 。 工作面 即将采完 。工作面走 向长 1 3 9 3 m，倾斜 长 1 9 5 ． 2 m，设计巷道 s 一 胶带巷与 s 。 胶带巷 的净 煤柱为 8 m，巷道埋深约 3 4 0 m。 该巷沿 3 煤层底板掘进。3 煤位于山西组中下 部 ，属稳定可采煤层 ，煤层总厚平 均 5 ． 9 m，含两 层夹矸，厚度分别为0 ． 1 6 m和 0 ． 1 4 m，煤层倾角 3 【 收稿日期】2 0 0 7 0 2 一 o 6 [ 作者简介]林健 1 9 6 9一 ， 男，山东曹县人，高级工程师，一直从事巷道支护的研究与推广工作。 47 维普资讯 总第7 6期 煤 矿 开 采 2 0 0 7年第3期 一 6 。 。巷道顶底板岩性及单轴抗压强度如表 1 。 表 1 巷遒顶底板岩性及单轴抗压强度 2 0 0 5年采用水压致裂地应力测量方法在常村 煤矿南翼四号胶带巷进行了地应力测量。测量结果 表明，该 处最 大 水 平 主应 力 1 0 ． 3 9 MP a ，方 向 为 N 2 5 ． 7 0 W；最小水平主应力 6 ． 1 0 MP a ，垂直主应力 8 ．1 8MP a。 2设计原则 2 ． 1 支护参数确定 的原则 1 一次支护原则 锚杆支护应尽量一次支 护就能有效控制围岩变形 ，避免二次或多次支护。 一 方面，这是矿井实现高效 、安全生产的要求 ，为 采矿服务 的巷道和硐 室等工程 ，需要保持长期 稳 定 ，不能经常维修 ；另一方面 ，这是锚杆支护本身 的作用原理决定的。巷道围岩一旦揭露立即进行锚 杆支护效果最佳 ，而在 已发生离层 、破坏的围岩中 安装锚杆，支护效果会受到显著影响。 2 高预应力和预应 力扩散原 则 预应力 是 锚杆支护中的关键因素 ，是区别锚杆支护是被动支 护还是主动支护的参数 ，只有高预应力的锚杆支护 才是真正的主动支护 ，才能充分发挥锚杆支护的作 用。一方面 ，要采取有效措施给锚杆施加较大的预 应力；另一方面 ，通过托板 、钢带等构件实现锚杆 预应力的扩散 ，扩大预应力的作用范围，提高锚固 体的整体刚度与完整性。 3 “ 三高一低”原 则 即高强度 、高刚度 、 高可靠性与低支护密度原则。在提高锚杆强度 如加大锚杆直径或提高杆体材料 的强度 、刚度 提高锚杆预应力 、加 长或 全长锚 固 ，保证支护 系统可靠性的条件下，降低支护密度，减少单位面 积上锚杆数量 ，提高掘进速度 。 4 临界 支护 强度 与刚度原 则 锚杆 支护 系 统存在临界支护强度与刚度 ，如果支护强度与刚度 低于临界值 ，巷道将长期处于不稳定状态 ，围岩变 4 8 形与破坏得不到有效控制。因此 ，设计锚杆支护系 统的强度与刚度应大于临界值。 5 相互匹配原则锚杆各构件，包括托板、 螺母、钢带等的参数与力学性能应相互匹配，锚杆 与锚索的参数与力学性能应相互匹配，以最大限度 地发挥锚杆支护的整体支护作用。 2 ． 2 支护参数确定 的依据 1 邻近工作面类似巷道现有支护状况和矿 压观测数据 ； 2 S ． 。 胶带巷详细的地质资料以及地质力学 测试数据 ； 3 数值模拟分析结果 ； 4 现有科技成果和工程实践经验。 3 支护设计方案 考虑到 s ． 。 胶带巷在掘进过程中设备尺寸，通 风要求和巷道围岩变形预留量 ，设计巷道断面尺寸 如下 巷道断面呈矩形 ，掘进宽 4 ． 5 m，高 3 ． 2 m， 掘进断面积为 1 4 ． 4 m 。巷道采用树脂加长锚 固强 力锚杆锚索组合支护系统。 3 ． 1 顶板支护 锚杆形式和规格 杆体 2 2 左旋无纵筋螺纹钢 筋 ，钢 号 为 B HR B 6 0 0，长 度 2 ． 4 m，杆 尾 螺 纹 M 2 4 。极限拉断力 3 2 0 k N ，屈服力为 2 4 0 k N ，延伸 率 1 8 ％ 。 锚 固方式 树脂加长锚固，采用 2支低黏度锚 固剂 ，一支规格为 K 2 3 3 5 ，另一支规格为 Z 2 3 6 0 。 钢带规格 采用 w 钢带护顶，厚度 4 mm，宽 2 8 0 m m，长度 4 2 0 0 m m。 网片规 格采 用金 属 网护 顶 ，网孔 5 0 m m 5 0 m m，网片 4 9 0 0 m m1 1 0 0 m m。 锚杆 布置 锚 杆 排距 1 0 0 0 m m，每 排 5根锚 杆 ，间距 1 0 0 0 ra m。 锚索形式和规格锚索材料为 1 8 ． 9 m m，1 7 股高强度低松弛预应力钢绞线 ，长度 6 3 0 0 mm，极 限破断拉力 4 0 0 k N；采用 1支 K 2 3 3 5和 2支 Z 2 3 6 0 低黏度树脂药卷锚固， 锚固长度 1 4 0 0 m m； 锚索托盘采用 3 0 0 mm 3 0 0 m m1 6 mm高强 度可 调心 托 板及 配套 锁 具 ，托盘 承 载力 不低 于 4 0 0k N。 锚索布置每 2 ． 0 m打 1根锚索 ，安设位置在 顶板中部 ，垂直顶板岩层。 3 ． 2 巷帮支护 锚杆形式和规格杆体为2 2 左旋无纵筋螺纹 钢筋 ，钢号为 B HR B 6 0 0，长度 2 ． 4 m，杆尾螺纹为 维普资讯 林健等松软破碎媒体小煤柱护巷高预紧力强力锚杆锚索支护研究-q应用 2 0 0 7年第3期 M2 4。 锚固方式 树脂加长锚固，采用 2支低黏度锚 固剂 ，一支规格为 K 2 3 3 5 ，另一支规格为 Z 2 3 6 0 。 w 钢带规 格 采 用 w 钢带 护 帮 ，钢 带 厚度 4 m m，宽 2 8 0 m m，长度 2 7 5 0 mm。 网片规格 采用 金属 网护 帮 ，网孔 5 0 ra m 5 0 m m，网片 2 9 0 0 mm1 1 0 0 mm。 锚杆布置 锚杆排距 1 0 0 0 m m，每排每帮 4根 锚杆 ，间距 8 5 0 m m。 巷道支护布置如图 1 。 图1 s 4 ． 。 胶带巷高预紧力强力锚杆锚索布置 4 技术要求 1 掘进 s ． ， 胶巷采用综掘机掘进 ，按设计尺 寸施工 ，保证成形质量。不得超挖或欠挖 ，巷道掘 进尺寸与设计尺 寸相差 不得 超过 2 0 0 m m。为保证 巷道成形质量 ，掘进机应先 由左帮开始 ，用炮头找 到煤层底板 ，然后从下到上一次割出左帮轮廓 ，再 由左到右割 出顶板轮廓 ；右帮应 由上至下割 出右帮 轮廓。一定要先按巷道尺寸将帮顶与中部煤体分 离，并且掘进机炮头旋转方向应是压煤方向。如巷 道断面较大 ，可分两部分割煤 ，顺序同上。 割煤完成后 ，应尽可能将浮煤清理干净 ，特别 是两帮附近的浮煤 ，以防造成帮钢带安装困难和底 脚锚杆安装困难。 2 采用前探梁支设 w钢带进行临时支护。 3 锚杆预紧力不小于 6 0 k N。 4锚索预张拉力不小于 2 0 0 k N。 5 矿压监测结果及分析 5 ． 1 巷道表面位移观测 表面位移观测曲线如图 2 。从表面位移观测 曲 线分析，s 4 ． 运输巷道表 面位移量很小。其 中两帮 最大位移量仅为 1 2 2 m m，最小位移量 7 7 ． 5 mm，平 均 9 8 ram；顶 板 下 沉 量 最 大 为 6 9 ． 5 m m，最 小 3 3 m m，平均 4 8 ． 5 m m。巷 道 掘进 初 期 变形 较 快 ， 掘进影响阶段约 5 d ，5 d后巷道位 移量明显减小 ， 并逐步趋于稳定。由于 s ．， 运巷邻近的 s 。 工作面 即将采完，邻近工作面动压影响还很强烈，因此， s ． 运巷在相对稳定阶段还会发生缓慢蠕变，但 蠕 变速度非常小 ，平均 0 ． 2 m m ／ d 。 l l 5 3 o 7 6 8 3 9 2 1 0 5 1 4 8 1 6 6 2 5 7 3 3 4 距掘进头臣离椭 图2 巷道表面位移观测 曲线 而原有锚杆支护段 ，采用普通高强度锚杆每排 顶板布置 6根 b 2 2 m m左旋无纵筋 、长度 2 ． 4 m，间 排距为 8 5 0 m m 8 0 0 mm。顶板布置 3排锚索 ，间距 1 6 0 0 m m；巷帮布置 4根 b 2 2 m m左旋无纵筋 、长度 2 ． 0 m锚杆 ；锚杆预紧力 l 5 2 0 k N，锚索预紧力为 1 0 0 k N。由于支护强度不高 ，在巷道施工和使用过 程 中，出现 了巷道收敛 、变形 ，最大变形 量达到 1 2 0 0 ra m左右 ，个别地 段出现 了锚杆 、锚索 断裂 ， 支护失效的现象。 5 ． 2 锚杆受力观测 测力锚杆受力如图 3一图 5 。从测力锚杆受力 情况来看 ，巷道两帮锚杆受力普遍大于顶板锚杆受 力。其中，巷道两帮下部第 1 根锚杆受力最大，采 空区侧煤 帮 最下 部 1根 锚杆 的受力 整 体 达到 了 2 0 0 k N。主要是由于巷道沿煤层底板掘进 ，煤层和 底板岩层之间层面的粘结强度较低 ，煤层有沿层面 向巷道内整体移近的趋势。 5 ． 3 锚索受力观测 锚索测力计的读数变化曲线如图6 。从图6中 可以明显地看出，在锚索预紧力施加时，未达到设 计要求的 2 0 0 k N。锚索受力在安装后第 2 d就达到 1 4 0 k N左右，并且锚索 的受力逐渐趋于稳定 ，说明 在设计中考虑锚索的预紧力为 2 0 0 k N是合理的、 科学的。 4 9 柏 ∞∞ 册∞ 柏 ∞0 目曼■ 挺犁 维普资讯 总第7 6期 煤 矿 开 采 2 0 0 7年第3期 测点距孔口距离， n M 一 。 一I l 9 3 0 ～4 8 7 6 _ ． 8 3 9 2 ’ ． 一1 2 0 ． _1 4 8一 a l 6 5 _ c 卜 2 5 6 2 0 0 l 8 O l 6 0 l 4 0 l 2 0 l 0 0 8 o 6 0 4 0 2 0 0 图3 采空区帮下部第 1 根测力锚杆 测点距孔口距离，m m 一 I D l 9- ． _ ． 3 0’ 卜 一4 8 -- } 一7 6- ． _ _8 3 9 2 一I 加 一 l 48十I 6 5 十2 5 6 图4 顶板中部测力锚杆 测点距孔 口距离h n m _ 一 3 0 - - - -0- -- 48 广7 6 _ ’ 卜一 8 3 { ■ 一 8 3 ◆ 一 92一 II 加～l 48 图5工作面侧帮下部第 1 根测力锚杆 图6试验巷道锚索 受力观测 曲线 6经济效益 6 ． 1 支护材料费 5 0 原设 计 支护 形 式 每米 巷 道 支护 材 料 费 用 为 2 6 8 3 ． 1 5元 ，而采用强力锚杆锚索支护形式每米 巷 道支护材料费用为 2 3 0 2 ． 0 7元 ，每米节约支护材料 费用 3 8 1 ． 0 8元。同时，新的锚杆支 护形式锚杆 的 间排距增大 ，减少 了锚索的密度 ，可大幅度提高巷 道掘进速度。 6 ． 2 巷道维护费 根据常村矿统计 ，一般类似条件的回采巷道采 用普通高强度锚杆支护 ，巷道的维修费用一般占新 掘巷道成本 的 1 0 ％ 左右。也就是说 ，巷道 的平 均 维修费用为 2 6 8 ． 3 T t ．／m。 而采用高预紧力强力锚杆锚索系统进行支护 ， 巷道变形量非常小 ，在服务年限内基本不用维修 。 6 ． 3 巷道超前化学加固费 常村煤矿在原高强度锚杆支护巷道中，～般均 配备有超前化学注浆设备和材料 ，一旦发生煤体松 软破碎或冒顶现象，就立即采取超前化学注浆进行 处理和加固。而采用高预紧力强力锚杆支护 系统基 本消除了掘进工作 面片冒现象。根据常村煤 矿统 计 ，仅用于巷道超前加固的化学注浆材料平均每年 消耗 1 5 0 t 左 右 ，材 料费用 约为 5 4 0万 元。另 外 ， 配套的注浆封孔器等费用每吨材料约需 2 0 0 0元左 右 ，累计每年 巷道超前 化学加 固需 费用 约 5 7 0万 元。常村矿每年煤巷掘进进尺约 2 0 0 0 0 m左右 ，平 均每米巷道折合超前加固费用为 2 8 5元。 综上所述，采用高预紧力强力锚杆锚索支护系 统 ，每米巷道节省费用 8 3 4 ． 3 8元 。 7结论 1 常村煤矿 s 4 一 。 放顶煤工作面运输 巷是一条 留小煤柱护巷的回采巷道，煤柱宽度为 8 m，邻近 工作面回采刚刚结束，回采动压影响比较强烈，加 上煤体比较破碎，属动压条件下支护困难巷道； 2 通过常村煤 矿井下试验 ，验证 了高预 紧 力强力锚杆支护 系统的科学性 、合理性。矿压监测 结果表明 ，小煤柱动压影响条件下巷道的变形得到 有效地控制 ，巷道两帮移近量 比原支护方式降低了 9 0 ％左右，顶底板移近量也明显减小 ，试验效果非 常理想 ； 3 通过 采用 高预 紧力强力 锚杆 支护 系统 ， 增大锚杆间排距 ，大幅减少锚杆锚 索的数量 和长 度 ，巷道单进 由原来 的 3 0 0 m ／ fl提高到 4 5 0 m ／ fl。 巷道支护综合成本与原支护相 比，节省 8 3 4 ． 3 8 m。 [ 责任编辑邹正立】 7 R幂靶撂 维普资讯