B070106 復(fù)雜條件下的錨桿支護技術(shù)

1、復(fù)雜條件下的錨桿支護技術(shù)王東喜 左雁群【金牛能源股份有限公司顯德汪礦，河北 邢臺，054103】摘 要 介紹顯德汪礦在“三軟”復(fù)雜條件下，依照錨桿支護理論進行的錨桿支護試驗，通過對地應(yīng)力地測量和圍巖力學(xué)性質(zhì)的研究，確定了支護材料和支護參數(shù)，達到了預(yù)期效果，取得了良好的經(jīng)濟效益。關(guān)鍵詞 三軟 錨桿支護 支護材料 支護參數(shù)自上世紀40年代始，錨桿支護發(fā)展迅速，已成為世界各主要產(chǎn)煤國家煤礦支護的主要型式。我國從1956年起，在煤礦巖巷中使用錨桿支護，但由于煤層巷道圍巖松軟，受采動影響后圍巖變形量很大，對支護技術(shù)要求很高，加之錨桿支護理論、設(shè)計方法、錨桿材料、施工機具、監(jiān)測手段等還不夠完善，因而發(fā)展緩

2、慢。進入“九五”期間，原煤炭工業(yè)部將“錨桿支護”列為煤炭工業(yè)科技發(fā)展的重點項目，錨桿支護技術(shù)有了很大提高，錨桿支護在煤巷中的應(yīng)用也有了迅速發(fā)展。在煤巷、半煤巖巷中錨桿支護主要使用在條件比較簡單的I、II、III類回采巷道，條件比較復(fù)雜的IV、V類回采巷道還處于試驗、總結(jié)經(jīng)驗階段或者采用錨桿支護與其它支護的聯(lián)合支護形式。因此，在煤巷、半煤巖巷中發(fā)展錨桿支護還有很大潛力。特別是在IV、V類回采巷道中開展錨桿支護研究，對推廣錨桿支護技術(shù)，提高煤巷、半煤巖巷掘進速度，降低支護成本，提高支護效果，將會發(fā)揮十分重要的作用。1 錨桿支護新理論和發(fā)展技術(shù)途徑 最大水平應(yīng)力理論最大水平應(yīng)力理論認為，礦井巖層的水

3、平應(yīng)力通常大于垂直應(yīng)力，水平應(yīng)力具有明顯的方向性，最大水平應(yīng)力一般為最小水平應(yīng)力的1.52.5倍。在最大水平應(yīng)力作用下，頂?shù)装鍘r層易于發(fā)生剪切破壞，出現(xiàn)鉗動與松動而膨脹造成圍巖變形，錨桿的作用即是約束沿軸向的巖層膨脹和垂直于軸向的巖層剪切錯動。為推進錨桿支護的發(fā)展，重點要解決以下技術(shù)：地應(yīng)力測量，指導(dǎo)錨桿支護設(shè)計；煤巷錨桿支護理論及設(shè)計方法研究；優(yōu)化錨桿支護參數(shù)，提高錨固材料可靠性；分析圍巖特點，采用不同的錨桿支護形式，提高錨桿支護的適應(yīng)性；改善、提高煤幫錨桿支護，更好地控制圍巖變形和適應(yīng)現(xiàn)場條件；完善錨桿支護效果監(jiān)測技術(shù)，及時修改完善現(xiàn)場技術(shù)措施；完善和開發(fā)錨桿機具，滿足不同條件的現(xiàn)場施工要

4、求。2 極軟煤層復(fù)合頂板巷道支護井下概況顯德汪礦于1991年開始選擇部分條件較好的煤巷應(yīng)用錨桿支護，1996年開始在復(fù)雜條件下的回采巷道應(yīng)用錨桿支護技術(shù)。顯德汪礦目前開采的1#、2#煤層具有煤層、底板松軟和頂板破碎的“三軟”特性。1#煤層厚約m。直接頂以粉砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，粉砂巖巖性較致密，砂質(zhì)泥巖結(jié)構(gòu)疏松，并且在砂質(zhì)泥巖或粉砂巖頂部局部夾有一層0.40m的薄煤或炭質(zhì)泥巖。直接底以粉砂巖為主，局部相變?yōu)樯百|(zhì)泥巖。2#煤層厚約m。直接頂為粉砂巖或砂質(zhì)泥巖與細砂巖或中粒砂巖兩類，且多數(shù)生產(chǎn)地區(qū)發(fā)育一層厚約0.400.60m、由炭質(zhì)泥巖或泥巖夾薄煤構(gòu)成的復(fù)合頂。粉砂巖厚0.52.5m，灰色薄層狀，

5、單軸抗壓強度為77.0MPa，抗拉強度為8.04MPa，其中發(fā)育13層煤線，易冒落，局部地段含有炭質(zhì)泥巖偽頂，厚00.4m。老頂為中細砂巖，層理發(fā)育，成份以石英、長石為主，屬于典型的復(fù)合頂板結(jié)構(gòu)。工作面受構(gòu)造應(yīng)力影響和相鄰工作面采動影響，頂板破碎；底板為砂頁巖，厚2.53.0m，遇水膨脹，單軸抗壓強度為41.56MPa，抗拉強度為6.47MPa。頂?shù)装鍘r性如圖1所示。圖1 2#煤層頂?shù)装逯鶢顖D1729工作面運輸巷和回風(fēng)巷在掘進過程中巷道曾分別采用工字鋼剛性支架和U型鋼可縮性支架支護。實踐證明，在巷道掘進期間巷道圍巖變形量大，其頂?shù)装逡平繛?0001800mm，需臥底34次，每次300500m

6、m，兩幫移近量為8001500mm，巷道斷面收縮率為5080。由于巷道變形大，支架折損嚴重，難以控制圍巖，影響了施工速度，大部分巷道需二次甚至三次翻修才能滿足生產(chǎn)的需要。1729切眼采用工字鋼剛性支架支護。切眼斷面為梯形，規(guī)格為5.2×2.6（m），分二次掘進。首掘斷面采用2.6×2.6（m）工字鋼支護，施工后在一天之內(nèi)就發(fā)生變形，梁彎曲嚴重，造成“前掘后翻"的局面。掘進中圍巖變形很大，兩幫移近量8001400mm，頂?shù)装逡平繃乐氐囟芜_2000mm以上，并且在掘進中發(fā)生13次局部冒頂，最大冒頂高度達4m以上，巷道掘進一直處于處理冒頂中，并給綜采支架的就位安裝造成

7、極大困難。由于頂板破壞嚴重，綜采工作面安裝后到正常推進歷時90天。為改善這類巷道的支護狀況，決定在1720綜采工作面切眼進行錨、梁、網(wǎng)支護工業(yè)性試驗。 技術(shù)難點煤幫極軟，兩幫易變形、片落；錨固劑與極軟煤層之間粘結(jié)力很小，難以使錨桿對煤幫施加足夠的支護阻力；復(fù)合頂板中的煤線與頂板巖層粘結(jié)力很弱，若頂板及煤幫支護阻力不夠，則頂板易產(chǎn)生離層而發(fā)生冒頂事故；復(fù)合頂板厚度變化較大，頂板支護參數(shù)需根據(jù)現(xiàn)場情況及時調(diào)整，以保證有效支護。 地應(yīng)力測量對本區(qū)地應(yīng)力的大小和方向進行了測定，測量結(jié)果有如下特點：地應(yīng)力的鉛垂應(yīng)力分量與中間主應(yīng)力一致，且與上覆巖層的自重相當；最大應(yīng)力為水平應(yīng)力，是自重應(yīng)力的1.5倍，構(gòu)

8、造應(yīng)力較為突出，方向為北東-南西向；最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力相差懸殊，表明該地區(qū)巖層受較大的剪切作用，最大剪應(yīng)力達到7.12MPa。支護參數(shù)選擇 頂板支護頂板采用錨、帶、網(wǎng)支護。復(fù)合頂板錨桿采用全長錨固，要求錨桿桿體具有較高的強度和剛度，故選用20MnSi螺紋鋼高強錨桿。比較在直徑28mm鉆孔(錨桿有效長度按2000mm考慮)中采用不同直徑螺紋鋼錨桿、桿體鋼材和錨固劑卷的成本，錨桿直徑越大，鉆孔和錨桿本身的材料費用也越高。但錨桿直徑對錨桿材料成本的影響不是十分明顯。但從支護效果來看，錨桿直徑變化后對巷道的圍巖變形有很大的影響。下表為不同錨桿直徑時的極限載荷。桿體直徑與極限載荷的關(guān)系桿體直徑（mm

9、）182022極限栽荷(kN)137171215從表中可以看出，桿體直徑增加使錨桿的極限強度也有較大的提高，因而其控制圍巖變形的效果較好。因此，適當加大錨桿直徑在技術(shù)上和經(jīng)濟上都是有利的，但錨桿的直徑過大，將使錨桿安裝困難，而且不利于選取最佳的鉆孔直徑與之匹配，所以經(jīng)綜合考慮選用直徑22mm的螺紋鋼錨桿。從整個支護體系來說，錨桿長度不能過短，過短就使整個錨桿加固的圍巖強化圈的厚度過小，強度較低，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此，考慮到設(shè)計巷道頂板巖層條件和施工技術(shù)條件，確定使用長度2400mm的錨桿。頂板布置7根錨桿，間排距為800×750（mm）。錨桿使用CK2333型和Z2388型樹脂錨固

10、劑各1卷錨固，錨固長度為2130mm。與錨桿配套的托盤形式有木托盤、水泥托盤和鐵托盤等。錨桿托盤必須與錨桿力學(xué)性能相適應(yīng)，高強度錨桿配有中鼓形托盤，為成套產(chǎn)品。托梁使用W鋼帶，型號為BHW-800-250-2.75，長2800mm。每根鋼帶上有4個錨孔。頂板采用金屬網(wǎng)滿護以防漏頂，金屬網(wǎng)用12#鐵絲編織，長3000mm、寬1100mm，網(wǎng)格為30×40（mm）。 兩幫支護兩幫采用錨、梁、網(wǎng)支護。在極軟煤層情況下，煤體和樹脂卷之間的粘結(jié)力較小，再者煤體本身不能承受較大的載荷。鑒于此，煤幫錨桿選用普通Q235圓鋼錨桿，直徑16mm、長1800mm。兩幫各布置4根錨桿，間排距為700

11、15;750（mm）。錨桿用1卷Z2366型樹脂錨固劑卷錨固，錨固長度為663mm。為保證錨桿和樹脂之間的粘結(jié)，須將兩幫錨桿錨固端加工成反麻花，反麻花長度600mm。為防止煤壁片幫并節(jié)省成本，選用雙抗塑料網(wǎng)護幫。由于煤壁較軟，煤幫易片落，錨桿錨固力會隨著煤幫運動而喪失。所以，為充分發(fā)揮其能力，設(shè)計采用直徑14mm圓鋼焊制的鋼筋梯子梁將上、下、左、右的幫錨桿連在一起，則可充分提高幫錨桿的錨固力。經(jīng)現(xiàn)場拉撥試驗知，此時兩幫錨桿的錨固力可達50kN以上。選用8mm厚的鋼板制作的鐵托盤，規(guī)格為80×60（mm）。圖2 切眼支護斷面示意圖 加強支護1720工作面切眼及兩巷上段復(fù)合頂板厚度大、構(gòu)

12、造應(yīng)力集中采動影響，較為破碎，設(shè)計采用了錨索加固技術(shù)。切眼頂板采用四排錨索連鎖。錨索采用直徑mm、長6000mm的鋼絞線，間排距為2500×1400（mm），并配14#槽鋼輔助支護。兩巷頂板采用雙排錨索連鎖。錨索采用直徑、長9000mm的鋼絞線，間排距為2500×1400（mm），也配14#槽鋼輔助支護。兩巷局部垂巷傾角在25°以上，上幫易發(fā)生片幫。在此區(qū)段內(nèi)上幫采用雙排連鎖錨索加強支護。錨索采用直徑、長4000mm的鋼絞線，間排距為2500×1400（mm），并配14#槽鋼輔助支護。 礦壓觀測及支護效果為觀測巷道在掘進期、掘后穩(wěn)定期及擴切眼過程中圍巖活

13、動規(guī)律，考察支護對圍巖變形的控制效果，研究支護技術(shù)及其參數(shù)的合理性，探討在極軟煤層復(fù)合頂板條件下錨桿支護的機理，在切眼設(shè)置測站對掘進過程中圍巖表面收斂、圍巖深部位移、錨桿載荷進行了觀測，并對掘進影響過程中錨桿、W鋼帶等的變形情況進行分析。觀測表明，頂板錨桿采取全長錨固時，錨桿及圍巖的受力狀態(tài)好，實際錨固力大，并且由于錨固力在錨桿孔中部最大、孔口較小，使孔口附近圍巖的破壞較小。全長錨固錨桿沿錨桿全長均產(chǎn)生較強的粘接力，在錨固范圍內(nèi)圍巖任何一點發(fā)生的離層和變形都能得到有效的控制，從而提高了錨桿支護系統(tǒng)的剛度，減小了圍巖的變形。經(jīng)過一個多月的觀測，從布點到切眼掘透，兩幫移近量最大為182mm、最小為

14、152mm， 頂?shù)装逡平孔畲鬄?92mm、最小為180mm，且頂?shù)装逡平炕旧嫌傻纂斐?，底臌量?085，頂板下沉量占1520。分析其原因是由于巷道底板為砂頁巖和泥巖，比較松軟，易于膨脹；巷道壓力大造成兩幫下沉擠壓底板引起底臌。切眼的掘進速度提高，日進度最快為6.0m。巷道掘進影響期較短，8天后巷道圍巖運動逐漸趨于穩(wěn)定，28天后巷道圍巖運動基本穩(wěn)定。巷道掘進劇烈影響區(qū)距迎頭20m左右，20m到70m為掘進影響減弱區(qū)。可以看出，采用錨桿支護能較快地控制圍巖變形，使應(yīng)力調(diào)整期縮短，圍巖易于穩(wěn)定。 效益分析支護效果表明，在顯德汪煤礦2#煤層各類回采巷道中采用錨桿支護，技術(shù)上可行、安全可靠，經(jīng)濟效益明顯。與相鄰1729切眼相比，1720切眼每m節(jié)省材料費718.32元，節(jié)省維修費用1200元，二者綜合節(jié)省36.3%，工期縮短12天，創(chuàng)直接經(jīng)濟效益47.56萬元。兩巷試驗段共200m，每m節(jié)省材料費427.23元，節(jié)省維修費490元，創(chuàng)直接