小孔径预应力锚索加固困难巷道的研究与实践.pdf

第 2 2卷第 3期 2 0 0 3年 3月 岩石力学与工程学报 C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g 2 2 3 3 8 7 3 9 0 M a r c h， 2 0 0 3 小孔径预应力锚索加固困难巷道的研究与实践 康红普林健张冰川 煤炭科学研究总院北京开采研究所北京l O 0 0 1 3 摘要 介绍小孔径树脂与注浆联合锚固预应力锚索的特点和力学性能。以山西潞安常村煤矿大断面、围岩松软、 受地质构造和采动影响的运输大巷为例，介绍巷道围岩强度 、围岩结构和地应力测量结果，锚索加固设计方案， 井下施工和矿 压监测结果。通过分析监测数据 ，对锚索加固效果及其经济效益进行 了评价 。 关键词 井巷工程，小孔径锚索 困难巷道加同 分类号T D 3 5 3 , 6 文献标识码A 文章编号1 0 0 0 - 6 9 1 5 2 0 0 3 0 3 0 3 8 7 0 4 S TUDY oN S M ALL BoREHoLE PRETENS I oNED CABLE REI NFoRCI NG CoM PLI CATED RoADⅥ，A Y Ka n g Ho n g p u ，L i n J i a n， Zh a n g Bi n g c h u a n B e r i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C o a l Mi n i n g ，C e n t r a l C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e r i n g 1 0 0 0 1 3 C h i n a Ab s t r a c t T h e c h a r a c t e r i s t i c a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f p r e t e n s i o n e d c a b l e wi t h s ma l l b o r e h o l e a n c h o r e d b y r e s i n a n d g r o u t a r e s u mma r i z e d ． Th e me a s u r e me n t r e s u l t s o f s t r e n g t h，s t r u c t u r e s o f s u r r o u n d i n g r o c k s ，a n d i n - s i t u s t r e s s e s ， t h e d e s i g n s c h e me o f c a b l e ， u n d e r g r o u n d c o n s t ruc t i o n t e c h n o l o g y a n d mo n i t o r i n g a r e i n t r o d u c e d， b ase d o n a h a u l a g e wa y wi t h l a r g e s e c t i o n ， s o f t s u rro u n d i n g r o c k s ， e ffe c t e d b y g e o l o g i c s t ruc t u r e s an d mi n i n g i n Ch an g c u n Co a l M i n e ， L u ’ an ， S h a n x i ． Th e s t r e n g t h e n i n g e f f e c t o f t h e c a b l e i S a p p r a i s e d ， a n d t h e t e c h n o - e c o n o mi c b e n e fi t s a r e an a l y z e d b y me a n s o f mo n i t o r i n g d a t a ， Ke y wo r d s r o a d wa y e n g i n e e r i n g ，c a b l e wi t h s ma l l b o r e h o l e ，c o mp l i c a t e d r o a d wa y，r e i n f o r c e me n t 1 前言 巷道支护技术是煤矿开采中的一项关键技术 ， 合理的巷道支护对提高煤矿开采的安全程度 ，降低 支护成本，实现高产高效具有重要意义 。近年来 ， 煤巷锚杆支护技术发展十分迅速，已成为煤巷的主 要支护手段。为了扩大锚杆支护应用范围，解决大 断面、煤层顶板、复合破碎顶板、高地应力等困难 巷道支护 问题 ，又开发研制了不同类型的锚索加同 技术，这些技术具有锚固力和锚固长度大 、可施加 较大的预应力、及时支护等多种优 点，在煤矿井下 应用中取得了 良好效果，为困难巷道补强加固提供 了一 条有效途径 卜引。本文 以山西 潞安常村 煤矿 5 2 0水平运输大巷为例，介绍小孔径锚索加固技术 的特点、支护加固设计方法和方案、井下应用情况 以及支护加固效果，并进行经济效益分析。 2 现场条件与围岩地质力学测试 5 2 0大巷是潞安常村煤矿 的一条重要运输通 道，服务时间达 5 O多年。巷道布置如图 1 。正常情 况下，该巷道处于 3 煤层底板岩石中，与煤层底板 的垂距约为 2 5 m。巷道采用锚喷支护，可以起到有 效支护作用。但是在掘进过程中， 遇到一向斜构造， 使得部分巷道处在煤层中。由于构造区 内围岩松软 2 0 01 年 7月5日收到初稿，2 0 0 1 年 8月 8日收到修改稿。 国家自然科学基金资助项 I 1 5 9 8 7 4 0 1 5 。 作者 康红普 简介男．3 6岁，博士，1 9 8 5年毕业于山西矿业学院采矿系．现任研究员，主要从事巷道支护技术研究工作。 维普资讯 3 8 8 岩石力学与工程学报 2 0 o 3 年 破碎，原有锚喷支护无法控制巷道变形和破坏。为 此 ，又增设了 2 9 U型钢支架。然而，这种形式的支 护效果也不理想 ，出现喷层脱落 、支架柱腿 内移及 背板压裂等破坏 现象 。更严重的是， 5 2 0大巷与 S 3 ． 2胶带运输大巷相距 9 ． 2 m，当 S 3 ． 2胶带运输大 巷开始掘进时， 5 2 0大巷 出现了大面积冒顶和片帮 现象，严重影响了矿井的安全生产。如果不及时采 取有效的加固措施。将无法控制巷道强烈变形，会 出现更大面积 的冒顶 ，后果不堪设想。为此 ，采用 了小孔径锚索加 固技术。在加固设计前，进行了详 细的巷道 围岩强度 、围岩结构和地应力测量 ，以确 保加 同设计的合理性和可靠性。 S 2 ． I 胶带顺槽 s 3采区总回风巷 s 3 ． 2胶带运输巷 5 2 0水平运输巷 一 剖 面 图 l 巷道布置图 F i g ． 1 T h e l a y o u t o f r o a d wa y s 2 ． 1 巷道围岩岩性与强度 5 2 0大巷处于 3 煤层及其底板岩层中。3 煤层 平均 厚度 6 ． 0 5 m，倾角 3 。 ～6 。 。煤层平均单轴抗压 强度 为 l 6 ． 9 MP a 。 煤层直接顶有两层岩石一层为 1 ． 7 2 m厚的深 灰色泥岩， 抗压强度为 5 0 ．6 MP a 另一层为粉砂岩， 厚度 0 ． 5 2 m，抗压强度为 5 8 ． 8 MP a 。老顶为灰白色 中砂岩 ， 平均厚度 8 ． 2 4 m， 强度变化范围为 7 0 “ - - l 0 2 M Pa。 3 煤层直接底板为中细砂岩， 厚度平均为 3 ． 0 3 m， 抗压强度为 5 6 ． 8 MP a ．另一层为泥岩 ，厚度 1 ． 7 m， 抗压强度 为 4 2 ． 5 MP a 。老底为粉砂岩 ，平均厚度 9 ． 0 3 m，抗压强度为 7 0 ． 6 MP a 。 2 ． 2 巷道围岩结构 在巷道围岩中钻孔 ，采用光导纤维窥视仪观察 了钻孔 内节理、裂隙分布和顶板离层状况。观测结 果表 明， 5 2 0大巷顶板岩层 即 3 煤层底板 层理和 节理非常发育，特别是靠近巷道周边的泥岩 ，基本 上呈破碎状 。 岩层和煤层交界面处出现了显著离层， 估计离层量超过 1 0 mm。可见，巷道围岩破坏 比较 严重 。 2 ． 3 地应力 采用水压致裂法进行了原岩应力测量。测量结 果表明最大水平主应力为 l’3 ． 7 8 MP a ，方向为北 偏西 3 5 ． 7 。 ；最小水平主应力为 6 ． 9 6 MP a ； 垂直主应 力为 l 0 ． 4 MP a 。可见，最大主应力为最大水平主应 力，中间主应力为垂直主应力，最小主应力为最小 水平主应力。 距巷道一侧 9 ． 2 m 处将开掘 S 3 ． 2胶带运输大 巷，巷道另一侧将有回采工作面回采 。由于 5 2 0 火巷与 S 3 ． 2胶带运输大巷的距离很近， S 3 ． 2胶带运 输大巷开掘时对 5 2 0大巷将产生显著影响。 3 小孔径树脂与注浆联合锚固预应力 锚索 3 ． 1 现有锚索种类 锚索有多种形式。按钢绞线的根数分，有单根 锚索和锚索束 按锚固材料分，有树脂锚固锚索、 水泥锚固锚索 按锚固长度分，有端部锚固锚索和 全 长锚固锚索按预应力分，有预应力锚索和非预 应力锚索。目前 ，煤矿中使用量最大的是树脂端部 锚固锚索，这种锚索是针对煤巷特 点开发的小孔径 树脂锚固预应力锚索 ，其最大特点是采用树脂药卷 锚固，通过锚索搅拌器可 以象安装普通树脂锚杆那 样对锚索进行端部锚固，其安装孔径仅为 8 mm， 用普通单体锚杆机即可完成打孔、安装。安装工序 大为简化，加之采用小孔径，因而施工速度大幅度 提高，而且安装后可立即施加预应力，及时承载。 3 ． 2 树脂与注浆联合锚固锚索的特点 虽然树脂端部锚固锚索具有上述特点，但由于 锚索为树脂端部锚固，加 固效果和可靠性 比注浆锚 索差，不适合服务年限长的巷道。为了使锚索兼有 树脂锚固和注浆锚固的优点，开发了树脂与注浆联 合锚固锚索。这种锚索的特点为 1 单根钢绞线，先用锚索搅拌树脂 锚固剂 ， 进行端部锚固 2 树脂端部锚固后， 施加较大的预应力 1 o 0 ～ l 2 0 k N ，使锚索及时承载 3 端部锚固后实施水泥注浆，进行全长锚固 4 锚索钻孔直径为 3 2 mm，采用单体锚索钻 机，不需要笨重的地质钻机，施工速度很快； 5 锚索钻孔兼做注浆孔，对破碎围岩实施注 浆加 固。 3 ． 3 锚索快速施工机具 维普资讯 第 2 2卷 第 3期 康红普等． 小孔径预应力锚索加固困难巷道的研究与实践 ． 3 8 9． 为实现锚索快速施工，引进了澳大利亚生产的 新型风动 S u p e r Wo mb a t 锚索钻机和风动 E a g l e 注浆 泵及 MI 5 0型搅拌机。前者重量轻、扭矩和推力大 ， 能快速完成锚索孔的钻进后者可与锚索钻机共用 一 套风路 ，快速、高质量地完成水泥． 水玻璃类无机 材料的注浆工作 。上述设备与国产的钻头钻杆和锚 索张拉设备配套 ，形成锚索注浆快速施工系统 ，极 大地提高了施工速度 。 4 锚索加固设计 本 次 加 固 设 计采 用 有 限差 分 数 值 计算 程序 F L A C3 ． 3和经验法相结合，进行了 2 6个方案的计 算，模拟了有无锚索加固、不同锚索参数和采动影 响前后巷道变形和破坏情况。图 2为加固前后的围 岩破坏状况，可见，无加固时巷道受 S 3 ． 2胶带运输 大巷掘进的影响，小煤柱几乎全部发生剪切破坏 ， 煤柱侧巷帮位移很大，顶板煤层与岩层交界面上产 生显著离层 。采用锚索加固后，小煤柱剪切破坏范 围明显减小，在煤柱中间出现一弹性核，十分有利 于煤 柱的稳定。靠煤柱侧巷帮位移很小，顶板离层 得到有效控制，锚索加固效果非常明显。图 3为锚 索受力分布。煤柱侧帮锚索受力最大，顶板锚索在 有层理的位置受力较大，其余部位受力较 小。 通过多方案比较，最后确定如下加固方案 1 项板锚固锚索索体直径 1 5 ． 2 4 mm，长度 1 0 - 3 m。树脂与注浆联合锚固，树脂锚固长度 1 m， a 加固前 b 加固后 0一 拉伸破坏 ⋯ 剪切破坏 x ～ 弹性，在过去屈服 图 2 巷道锚索加 围前后 围岩破坏状况 F i g ． 2 Ro a d wa y f a i l u r e s t a t e o f s u r r o u n d i n g r o c k b e f o r e a n d a f t e r r e i n f o r c i n g ～ } Y t j J I I f r 图 3 锚索受力分布 Fi g ． 3 F o r c e d i s t r i b u t i o n a l o n g c a b l e 其余部分采用水泥浆全长锚 固。锚索托板为 O ． 7 m 长的 1 2 槽钢，并用平钢带沿巷道轴 向连接。每排 3 根锚索，间距 、排距均为 2 m。 2 两帮锚固煤柱侧帮采用 1 根锚索束，由 3 根钢绞线组成，长度 7 ． 3 m，注水泥浆锚固。另一侧 布置 1根小孔径树脂与注浆联合锚固锚索 ，长度亦 为 7 - 3 m。托板为 4 0 0 mm 3 0 0 mm1 0 mm 的钢板 ， 并用 1 2 ，1 6 槽钢沿巷道轴线连接。锚索排距 2 m。 3 注浆加固水泥浆不仅起锚固锚索的作用 ， 而且可渗透到破碎围岩结构内， 更大范围加固围岩 。 井下施工中采用 5 2 5 水泥，配专用添加剂。注浆泵 最大注浆压力为 l 1 MP a 。 此外 ，由于原有锚喷支护采用的管缝锚杆锚 固 力低，而且许多已经锈蚀腐烂 ，失去支护作用，在 锚索之间均匀地增补了高强度锚杆。 锚杆杆体为 2 2 左旋无纵筋螺纹钢筋，长度 2 ． 4 m，树脂加长锚困， 采用钢筋托梁将锚杆沿巷道轴线方向连接 。锚杆排 距 1 m，间距 2 m。巷道支护加 固断面如图 4所示。 图4 巷道支护加固布置图 Fig ． 4 T h e l a y o u t o f r o a d wa y r e i n f o r c e me n t 5 加固效果 巷道加固后进行 了系统的矿压监测，包括巷道 维普资讯 ． 3 9 0 ． 岩石力学与工程学报 2 0 0 3 年 表面位移 ，顶板离层和锚杆 、锚索受力。 1 巷道表面位移。巷道受 S 3 ． 2 胶带运输人巷掘 进动压影响后，两帮相对移近量最大值为 2 8 0 mm， 部分 同岩条件好的地段两帮相对移近量不超 过 3 0 mm。总体来说 ，巷道表面位移量不大，加固状况 良 好。 2 顶板离层。监测结果表明，大巷顶板离层值 不大，均小于 6 mm。主要原因在于大巷变形以两 帮和底板为主，顶板变形量相对较小锚索加同措施 有效控制了顶板离层。 3 锚杆受力。锚杆受力分布如图 5 ，从图上看 出锚杆受力分布极不均匀，在锚同段内锚杆受力最 大，最大受力达 2 0 0 k N，超过了杆体的屈服极限，说 明锚杆起到了有效控制围岩变形的作用；锚杆屈服点 数所 占比例较小，说明锚杆设计是合理和可靠的。 2 5 0 2 0 0 1 5 0 Z 长1 0 0 暴 5 0 0 5 0 、-- l l 0 0 0 2 0 0 0 3 口 离 ／ mm 图 5 5 2 0 大巷锚杆受力分布 F i g ． 5 F o r c e d i s t r i b u t i o n a l0 n g b o l t i n ma i n r o a d wa y 5 2 0 4 锚索受力。锚索初张力为 8 0 ～1 0 0 k N， 在 S 3 ． 2胶带运输巷掘进影响下，锚索受力急剧增加，局部 地段出现个别锚索在孔口拉断现象 锚索破断拉力为 2 6 0 k N ， 但 由于采用全长注浆锚同，锚索的加固作用 并没有因此而丧失，而是得到了充分发挥。 综上所述， 5 2 0大巷加同设计是合理的，它有效 控制了火巷的强烈变形，保证了巷道的安全。 6 技术经济效益分析 巷道采用锚索加同后，不仅显著提高了巷道支 护效果，增加了安全程度，而且节约了大量支护和 维修费用 ，为矿井高产高效创造 了良好条件 ，经济 效益和社会效益十分明显。 5 2 0人巷属火断面、围岩松软、受地质构造 和小煤柱影响的困难条件巷道 。若采用型钢支护 ， 势必造成该巷与相邻巷道交义破坏 ，不仅会使后期 的巷道维护费用大大增加 ，而且严重影响矿井的生 产。在经济上 ，采用 U型钢支架 按 7 5 0 mm的间距 计算 ，每米巷道仅支护材料费用就达 4 6 2 0元，还 必须浇注 4 0 0 5 0 0 mm的混凝土，其人 l 费和材料 费高达 8 0 0 0元， m。另外，该段巷道加同施工还会 导致前方掘进』 作面停止施 ，经济损火更大。而 采用锚索加【司技术 ，基本不影响前方巷道掘进，而 且加同材料消耗费用仅为 1 4 4 7 ． 5元／ m，比 U型钢 支架和浇注混凝土联合加固每米节约 l l 1 7 2 ． 5元， 5 5 0 m巷道共 1 约 6 1 4 ． 5万元。 7 结论 1 小孔径树脂注浆联合锚同预应 力锚索兼有 树脂锚索和注浆锚索的优点，不仅可施加较大 的预 应力，及时承载，而且锚索全长锚同，显著提高 了 锚索的支护加同作用。此外，锚索施工速度快 、成 本 比较低，是一种有效、快速 、经济的困难巷道围 岩支护加同手段。 2 在锚同设计前，巷道围岩地质力学测试工 作非常重要。本文系统地测量了同岩强度 、围岩结 构和地应力，为加同设计提供 了可靠的基础参数。 3 锚同支护初始 设计采用有 限差分数值计算 方法是可行的，具有快速性 、可靠性和可视性等优 点。通过井下监测和信息反馈，可验证和修改初始 设计。 4 采用锚索与高强度锚杆联合加 同大断面 、 软弱破碎围岩、小煤柱 、受地质构造和采动影响的 火巷是成功的。不仅控制了大巷大面积 冒顶和围岩 强烈变形 ，而且经济效益也非常明显。该方法为困 难巷道工程支护加同提供了一条新的途经。 参 考 文 献 康红普．同采巷道锚杆支护影响因素的 F L A C分析⋯． 岩石力学与 工程学报．1 9 9 9 ．1 8 5 5 3 4 5 3 7 康红普．林健我国巷道围岩地质力学测试技术新进展【 J 】 ． 煤炭 科学技术．2 0 0 1 ．2 9 7 2 7 3 0 i t a s c a C o n s u l t i n g Gr o u p i n c ． ． F L A C3 3 U s e r s Ma n u a l [ R ] ． U S A I t a s c a Co n s u l t i n g Gr o u p i n c ． l 9 9 5 维普资讯