B大屯矿区深部支护材料研究

1、心&探梆丈沪材科州克钱永霞 '张颖 '马小钧2陈光敏21才屯工贸实业公司；秋屯煤电集团有限责任公司，江苏沛县221611摘要在分析深部高地应力巷道围岩变形与破坏特征及目前在锚杆、钢带、锚索 等支护材料存在的问题的基础上，提出“快、高、均、恒、让”的设计准则，介绍 了高强锚杆支护系统，包括高强锚杆，新型钢带及新型锚索。井下试验表明，高强 锚杆支护系统能有效控制深部巷道强烈变形，保持围岩稳定。关键词新型钢带高强度锚杆新型锚索1前言近年來，随着开采深度逐年增大，人屯矿区所属矿井部分采掘工作而均出现与浅部开采 不同的一些非线性动力学现象。由于一直沿用浅部条件下的支护设计思想及巷

2、道控制手段， 部分煤层巷道开始出现人变形、大地压、难支护的问题。个别已丿施工煤层巷道虽然采取了多 种支护形式进行试验，但依ii难以满足在掘进及回采时的使川要求，少数煤巷又重新采川架 棚方式支护。为了提高矿区支护技术水平，确保矿井深部开采安全，必须进行深部支护技术与材料研 究。2目前支护方式及存在问题人屯矿区目前浅部煤巷掘进采用普通螺纹钢锚杆、梯子钢筋梁、低松驰钢绞线锚索挂菱 形网或经纬网支护，深部煤巷掘进采用高强螺纹钢锚杆、钢板梁、低松驰钢绞线锚索挂菱形 网或经纬网支护。近年來，由于支护技术研究上的滞后，部分深部巷道支护后出现了诸多问题，大面积垮 落、坍塌等事故时有发生，导致人力、物力的巨大浪

3、费与损失。从发生垮塌的特征上，存在问题主要表现在以下三个方面：(1) 巷道破坏的突然性增加深部锚杆支护卷道由于承受口重应力和构造应力增加，围岩的变形破坏机理表现为显著 的非线性，围岩发生剧烈变形、失稳，突发性的顶板坍塌事故增多，造成巨大人力、物力损 失。(2) 巷道的破坏区域性扩大由于深部围岩应力增加，构造比较发育，致使巷道围岩变形区域扩人，与浅部巷道破坏 相比，破坏前兆非常不明显，难以及时采取针对性措施，从而往往发生大面积伟i岩破坏，破 坏具有区域性。(3) 破坏区形成后，应力场界常复朵井卞巷道大冒落后，在崩落区的周围岩体形成应力异常增高带，造成地压增高，充填修 复困难。3深部支护技术与材料

4、在浅部开采基础上发展起来的传统支护理论、设计方法显然已难以适应深部巷道支护设 计及实践的需要。国内外专家学者开始进一步探索，建立在非线性变形理论基础上的耦合支 护理论推动了锚杆支护理论的发展。对于已进入非线性塑性大变形阶段、变形场是非线性力学场的软岩巷道，其变形破坏实 质上是巷道围岩在工程力作用卜-产生塑性大变形的一种力学过程。其破坏的主要原因是由于 支护体力学特性与囤岩力学特性出现不耦合所造成的，并且首先从某一部位(关键部位)开 始，进而导致整个支护系统的失稳。锚、网、索耦合支护理论就是针对软岩巷道围岩由于塑性大变形而产生的变形不协调部 位，通过锚网一围岩以及锚索一关键部位支护的耦合而使其变

5、形协调，限制围岩产生冇害的 变形损伤，实现支护一体化、荷载均匀化，达到巷道稳定的目的。为此必须进行深部支护材 料的研究，以从根本上解决深部支护的难题。3.1新型钢带的研究钢带是一种广泛应用于煤矿井下的护顶材料，与锚锁头配合，支护巷道顶板，当煤层发 生冒顶时，能够冇效的起到支撑顶板下沉的作川。冃前国内多采用w形、平行、燕式异形、 口形钢带及钢筋梯子。我们通过探索，研制出一种支护强度、性能适用于深部支护耍求的 形钢带。3.3.1目前常用钢带(1) w形钢带w形钢带是将带钢利用多组轧辗连续进行冷弯、滚压成型的产wo iii于带钢在冷弯成型 过程中的硕化效应，对使型钢强度提鬲1015%,其技术性能如表

6、1所列，结构如图1所示。表1 w形钢带技术性能指标型号孔半径/mm截面积/mm"拉断力/kn截面模量/mm单位质量/kg m 1截面利用率/mm3 kg 1bhw-28o-3. 0020810353. 9732997.25455. 03bhw-280-2. 7520742324.4730806. 65463. 16bhw-25o-3. 0020720314. 6431586. 55482. 14bhw-250-2. 7520660288.4229496.01490. 68bhw-22o-3. 0020636277. 9329975. 90507. 97bhw-22o-2. 75202

7、54.7728005. 11517. 56图1 w形钢带断面形状图w形钢带的优点：护顶面积大，适合在裂缝比鮫发育但压力不大的顶板；惯性矩较大、 刚度大、抗弯性能较好，截面利用率较高，基木符合锚杆支护对于钢带性能的要求。w形钢带的缺点：抗撕裂性能很差，特别是在巷道压力特别大的情况下，由于w形钢带 的厚度较薄，在高压作用下，托盘边缘非常容易压入钢带，造成钢带的剪切破坏，进而导致钢带的撕裂。（2）平钢带平钢带是一种直接轧制的普通钢带，截面形状为愆形，技术性能指标如表2所示。平钢带的优点：能起到一定的防护顶板的作用，护顶而积鮫大，平钢带的质量较小，加 工简单。平钢带的缺点：由于厚度较小，在压力人时容易

8、撕裂，使其强度人的特点无法发挥出來; 其截面利用率非常低，刚度很小，对顶板的支护效果较羌，仅适合于顶板压力较小的情况。表2平钢带技术性能指标型号厚度/mm孔半径/mm截面孚/mm2屈服荷载/kx拉断力kx截面模量/mn?单位质量/kg m 1截面利用率/mm* kg 12202.520450.044.0171.0187.54.343. 602502. 7520577.555.0219.5264.75.449. 022803. 002072067.2273.6二心j& 654. 55（3）燕式界形钢带燕式异形钢带主要是通过浇铸具冇延展性的a3钢材质钢坯，轧制出呈燕式的翼形钢带。 其主要技

9、术参数如下:截面积900mm2；屈服荷载216kn；拉断力342kn；向下的截面模量1306.4 mm3；向上截面模量1396. 6mm质量7. 2 kg/m；钢带截面利用率（向下）181.44 mm3/kgo燕式异形的突出特点是强度较高，抗撕裂性强。缺点是刚度小、柔性人（其延伸率可以 达到30%）,并且比w形钢带的护顶效果差，向上的刚度大，不容易使钢带与围岩密贴；向 下的刚度小，锚杆间围岩容易形成网兜，与钢筋梯类似。（4）钢筋梯子钢筋梯了是煤矿企业采川普通関钢焊接成的、外形类似于梯了形的钢带。钢筋梯子最突出的优点是加工简单、使用方便、价格便宜。钢筋梯子缺点是整体性差，在压力显现时，焊接处特别

10、容易开裂；山于钢筋梯子的宽度 很窄，并且两根钢筋zi'可仅有儿根连接筋，护顶作用很小；-般采用直径810mm的钢筋制 作的钢筋梯柔性太人，实际强度很低，不利于顶板的支护。（5）口形钢带口形钢带是两翼缘较厚的薄板，直接轧制阳成，是钢筋梯的替代产品，整体性能好，单 位长度质量轻，但由于需要专门轧制，规格较少，无法选型。3. 3. 2新型m型钢带针对上述钢带存在的问题，并结合它们的优点，我们研制了 m形钢带，其结构如图2 所示。钢带的展开宽度200mm,厚度为3俪。钢带钢材利用率越咸，抗弯截而模量越人、型钢质量越轻，则钢带的技术经济效來越好。 新型m形钢帯抗弯截面利用率为1468 mm7kg

11、,分别是w形钢带、平钢带、钢筋梯子和燕式 异形钢带的2. 783. 23倍、26. 910.96倍、8.09倍。新型m形钢带向上与向下的截而模量差别很人，当安装钢带，用单体锚杆钻机向上顶紧 时，刚带截面模量很小，刚带很容易为顶板围岩密贴；当顶板来压吋，钢带向下的抗弯截面 模量很大，使锚杆间的松动围岩容易形成一个整体，这对于形成预应力顶板结构非常重要。高翼缘形断面设计使m形钢带即解决了 w形钢带容易撕裂的问题，乂解决了燕式异形钢 带刚度小的问题。m形托盘保证了锚杆与钢带之间更加紧密贴合，捉高了托盘与钢带之间的 摩擦力，使用钢带、托盘、锚杆三者z间成为统一的整体，减少了锚杆与钢带z间的错动， 预防

12、了锚杆杆体的剪切破坏。3. 2新型钢绞线的研究近年来，在国内锚索支护技术得到发展迅速，锚索支护在我国煤矿巷道支护中所占比例 越来越人，应用范围也越来越广。锚索支护现已从岩巷支护发展到煤巷支护，特别在需要加 人支护长度和支护强度的地点，采用锚索支护是一条十分有效的途径。在遇到困难条件的巷 道，特别在交叉点、断层带、破碎带和受采动影响难于支护的巷道屮，往往采用锚杆+锚索 联合支护來解决。从目前掌握的观测数据來看，主要煤矿所有的沿空巷道都需要采用锚索进 行二次加固，有些实体煤巷特别是在特殊地点更盅要采用锚杆+锚索联合支护。随着采深的 逐步加人，锚索的使用将会越来越多，因此我们针对锚索的主要部件作了进

13、一步的研究。 3.2.1目前常用锚索分析锚索的主耍部件有钢绞线、锁具、托盘。钢绞线的选择标准是强度高、韧性好、延伸率适中，既冇一定刚度又冇一定柔性，易于 实现与锚杆的耦合支护，可盘成卷便于运输，又能口身搅拌树脂药卷实现快速安装，适合在 空间尺寸较小的巷道中使用。目前广泛釆用1x7结构、直径15. 24 mm钢绞线和少量1x7 结构、直径17. 8mm钢绞线。此型钢绞线存在三径匹配不合理、延伸率过低、不能与锚杆实 现耦合支护的弊端。3.2.2新型锚索的研究(1) 新型锚索结构我们研制的钢绞线,结构为1 x19s西鲁式,直径标准系列:18mm> 20mm、22mm。其特 点是，在不损火强度的

14、前提下，获得了适当的延仲率。(2) 新型锚索锁具采用三片式细牙结构，使得锚具在锚固过程中有良好的跟进性能，同时对预应力筋的损 伤较小，能够很好地保证预应力的建立与保持。夹片采用弹性设计原理，使得预应力建立过 程中与建立后的性能良好。夹片采用直分片方式，对不同旋向的预应力钢绞线均可进行施工, 避免在施工中可能出现配合问题。3. 3高强度锚杆的研究锚杆支护是世界各国矿井巷道的一种主要支护形式。多年來，矿区井下也主要采取锚杆 支护的方式，使用锚杆的材质为20mnsi热轧螺纹钢，屈服强度为335 mpa0按照钢材屈服 强度，可将锚杆分为三类：当钢材屈服强度小于340mpa时，为普通锚杆；当钢材屈服强度

15、 不小于340mpa,小于600mpa时，为高强度锚杆；当钢材屈服强度不小于600mpa时，为超 高强度锚杆。目前，木矿区使用的锚杆均为普通锚杆。根据大屯煤电公司采掘技术悖理规定第三篇笫五章第二十八条对锚杆强度等级的具 体规定，煤矿专川锚杆螺纹钢材料的强度等级必须符合-500m水平以上不低于i【级 (335mpa)； -500m水平以下不低于iii级(400mpa)； -700m水平以下不低于iv级(500mpa)o鉴于矿区多数矿井的开采深度己超过-700m的实际状况，继续使用普通锚杆显然已经无法满 足安全生产的需求。为了使巷道支护技术规范化、支护性能合理化，必须进行高强度锚杆产 品的研究、开

16、发和使用。（1）材质的选用锚杆的强度直接影响锚杆对巷道囤岩的支护阻力，进而影响到锚杆群作用范围内围岩的 承载能力和锚杆的支护效果，还影响到支护成木，因此，高强度材料性价比明显优于低强度 材料。锚杆的强度取决于制造锚杆的材质和工艺。为了增加锚杆强度，首先考虑采川热处理技 术，由于在热处理生产中，时常发生崩溅钢渣，造成操作工人的烫伤的问题，存在安全生产 问题。后乂考虑采用增加锚杆直径来提高锚杆强度，这种方法存在在加工和使用过程中不仅 增加了材料，提高了支护成本，在生产和使用过程川都增加劳动强度的问题。通过市场调研, 济南钢铁集团石横特殊钢厂生产的热轧矿用锚杆钢筋hrb400, hrb500,屈服强

17、度分别为 400mpa> 500mpa,采用此材料生产出的高强度螺纹钢锚杆，完全满足安全牛产的需要，且原 生产加工工艺保持不变。（2）三种不同材质制造加工的锚杆其力学性能和极限承载能力比较三种不同材质制造加工的锚杆其力学性能和极限承载能力比较如表3所列。表3三种不同材质制造的锚杆的力学性能比较名称直径/min屈服强度/肌破断载荷 /kn普通热轧螺纹钢锚杆22335216热处理高强度锚杆20500257高強材质高强度锚杆0)20500228（3）三种不同材质制造加工锚杆的技术经济效益分析 三种不同材质制造的锚杆以长加为计算依据，分析如表4所列。表4三种不同材质制造锚杆的技术经济效益分析名称加工工艺生产能力生产投资材料成本直径22mm普通热轧螺纹钢锚杆不变300根/小时不需投资31.57根/元直径20mm热处理高强度锚杆増加热处理和冷却工序60根/小时生产车间50m设备投资56万元32. 78根/元宜径20nini高强材质高强度锚杆不变300根/小时12万元设备32. 39根/元通过以上数据分析，根据人屯煤电公司采掘技术管理规定的要求，只要将现有-锚杆 加工设备的压圆模和滚丝模更换为高强度的压圆模和滚丝模，杆体材质热轧矿用锚杆钢筋 mg500 （屈服强度500mpa）型号钢