A070201-煤矿深部巷道锚杆支护理论与技术研究新进展

A070201煤矿深部巷道锚杆支护理论与技术研究新进展康红普[煤炭科学研究总院北京开采研究所，北京100013]摘要针对我国深部高地压巷道围岩条件的专门性与复杂性，巷道支护存在的咨询题，分析高地压巷道围岩变形与破坏机理，支护系统操纵围岩变形的作用。介绍适用于深部巷道围岩的地质力学快速测试系统，包括地应力测量、围岩强度原位测试及围岩结构观看；高预应力、强力锚杆支护系统，包括高冲击韧性强力锚杆，大吨位、大延伸率单体锚索，高刚度钢带；最后，介绍高预应力、强力锚杆支护系统在新汶矿区和金川镍矿的应用情形，通过分析矿压监测数据，评判支护成效和围岩稳固性。实践表明，高预应力、强力锚杆支护系统是比较适合深部巷道的有效支护形式。关键词深部巷道强力锚杆支护研究进展应用1引言煤炭资源开发由浅部向深部进展是客观的必定规律，也是世界上许多产煤国家所面临的共同咨询题。我国煤矿开采深度以8-12m/年的速度增加。国有大中型煤矿平均开采深度已达到400m以上，开采深度超过600m的有117处煤矿，有10余处煤矿开采深度超过1000m，最深达到1300m。随着煤炭科学技术进步，矿山现代化促进了生产的高产高效，进一步加速矿井深度的增加。浅矿井数目大为减少，中深矿井数目明显增加，深矿井将成倍增加，并将显现更多的特深矿井。估量在以后20年我国专门多煤矿将进入到1000-1500m的开采深度。深部开采引起高地压、高地温、高岩溶水压和强烈的开采扰动阻碍。深部矿井重力引起的垂直应力明显增大，构造应力场复杂，地应力高；矿井开采深度越大，地温越高，同时由于热胀冷缩，温度变化会引起地应力变化；地应力与地温升高，岩溶水压升高，矿井突水严峻。此外，在高地应力作用下，开采扰动阻碍强烈，围岩破坏严峻。在高地应力环境下，煤岩体的变形特性发生了全然变化：由浅部的脆性向深部的塑性转化；高地应力作用下，煤岩体具有较强的时刻效应，表现为明显的流变或蠕变；煤岩体的扩容现象突出，表现为大偏应力下煤岩体内部节理、裂隙、裂纹张开，显现新裂纹导致煤岩体积增大，扩容膨胀；煤岩体变形的冲击性，表现为变形不是连续的、逐步变化的，而是突然剧烈增加。高地应力环境和煤岩体变形特点决定了深部矿井会遇到一系列动力灾难，包括冲击矿压、煤岩与瓦斯突出、瓦斯爆炸、矿井突水、矿压显现剧烈、巷道围岩大变形、冒顶片帮等灾难，对深部矿井的安全、高效开采带来庞大威逼。上述灾难要紧发生在巷道，能够讲，深部开采首要的、关键的技术是巷道支护。而目前一样的巷道支护技术、支护材料与设备无法满足高地压巷道支护的要求。因此，在深入研究高地压巷道支护理论的基础上，开发研制支护材料与配套设备，为深部煤炭资源开采提供技术支持具有专门重要的意义。2国内外技术状况国外对深部矿井涉及的有关咨询题的认识与研究从上世纪80年代就开始了。如1983年，前苏联学者就提出对超过1600m的深矿井开采进行专题研究；当时的西德还建立了特大模拟试验台，专门针对1600m深矿井的三维矿压咨询题进行模拟试验研究。1989年国际岩石力学学会在法国专门召开了“深部岩石力学”国际会议。近20多年来，美国、加拿大、澳大利亚、南非、波兰等有深井开采的国家相继开展了深部开采与支护研究。加拿大联邦和省政府及采矿工业部门合作开展了为期10年的深井研究打算，在冲击地压潜在区的支护技术和冲击矿压危险性评估等方面进行了卓有成效的研究工作；南非政府、大学与工业部门合作，从1998年启动“DeepMine”研究打算，旨在研究解决深部金矿安全、开采需要的关键技术。总之，国外学者在深部围岩大变形机理、围岩支护与加固技术、围岩应力操纵技术、冲击地压推测与防治技术等方面做了大量工作，取得可喜成绩。近年来，随着我国国民经济的快速进展和科学技术进步，对深部开采遇到的咨询题进行了大量的研究与试验。在高地压巷道围岩操纵技术、冲击矿压推测预报与防治技术等方面，煤炭科学研究总院北京开采研究所、中国矿业大学、中南大学、东北大学、重庆大学及北京科技大学等单位进行了比较系统的研究，积存了较为丰富的实践体会。如北京开采研究所进行的“冲击地压矿井巷道锚杆支护技术研究”，中国矿业大学开展的“深部煤矿开采中灾难推测与防治研究”，以及中南大学开展的“千米深井岩爆发生气理与操纵技术研究”等项目，都做了许多有益的工作。综合国内外在高地压巷道支护技术研究方面取得的成果，归纳为以下几方面：①提出了多种高地压巷道支护理论，包括新奥法支护理论的改进与完善、松动圈支护理论、二次支护理论、联合支护理论等，这些支护理论在不同时期与不同条件下对生产实践起到主动的指导作用。②在高地压巷道围岩操纵技术方面，有锚喷支护、U型钢可缩性支架支护、注浆加固、联合支护及卸压技术等多种形式。这些支护形式在高地应力、破裂围岩巷道中得到应用，取得一定的支护成效。③高强度锚杆、锚索支护技术得到大面积推广应用，差不多形成了包括地质力学测试、支护设计、支护材料、施工机具与工艺、工程质量检测与矿压监测在内的锚杆支护成套技术，成为巷道支护的要紧形式。高地压巷道支护研究初步成果，还远不能满足高地压巷道围岩操纵的要求。归纳起来，还存在以下咨询题：(1)尽管提出了多种巷道支护理论，但任何一种理论都有缺陷，不能全面讲明高地压巷道围岩变形与破坏的机理，还缺乏高应力环境下围岩与支护体相互作用机理全面、系统的研究。目前，国内大部分高地压巷道采纳二次支护理论，即巷道支护分两次进行，一次支护在保持巷道稳固的前提下，承诺巷道有一定的变形以开释压力；隔一定时刻后实施二次支护，保持巷道的长期稳固。然而，这种理论目前已遇到了极大的挑战，在深部动压阻碍区、构造压力带、软岩破裂带等地点，采纳二次支护后仍显现变形破坏等咨询题，甚至需要三次、四次支护，巷道周而复始的发生破坏，围岩变形长期得不到有效操纵。(2)尽管目前有多种巷道支护形式，但各种支护形式都存在不足。关于高地压巷道，还缺乏有效的支护方法，导致巷道变形与破坏剧烈，需要多次修理与翻修。不仅支护成本专门高，掘进速度低，而且带来专门多安全隐患，严峻制约采煤工作面的快速推进和矿井产量和效益的提升。(3)高强度锚杆、锚索支护技术在一样条件下支护成效良好，综合效益明显。但在高地压巷道中，显现了一系列咨询题：锚杆预应力过低，强度不足，抗冲击性能差，造成锚杆拉断或整体失效，甚至锚杆尾部被弹射出去等破坏现象；锚索直径小、强度低、延伸率低，与钻孔匹配性差，经常显现锚索被拉断或整体滑动；钢带强度和刚度小，容易撕裂和拉断，护顶成效差。上述现象严峻阻碍了巷道支护成效和安全程度。(4)由于锚杆、锚索强度和刚度偏低，导致单位面积上锚杆、锚索数多，间排距小，支护密度大，严峻阻碍巷道掘进速度，造成采掘接续紧张。综上所述，高地压巷道支护咨询题，差不多成为制约深部煤炭资源安全、高效开采的关键技术瓶颈。如果支护咨询题得不到有效解决，大量深部煤炭资源无法开采，矿井的安全状况将会进一步恶化，煤矿的产量与效益受到严峻阻碍，煤炭工业的可连续进展无法实现。3深部巷道锚杆支护的作用分析传统的锚杆支护理论有悬吊、组合梁、加固拱等理论。本文在井下实测、数值运算等研究成果的基础上，针对深部巷道围岩变形的流变性、扩容性和冲击性，分析深部巷道锚杆支护的作用：(1)锚杆可不同程度地提升锚固区煤岩体强度、弹性模量、凝聚力和内摩擦角等力学参数。如锚杆对煤岩体凝聚力的阻碍可用下式表示：(1)式中：c-有锚杆岩体凝聚力；c0-无锚杆凝聚力；n-锚杆数；σs-锚杆屈服强度；d-锚杆直径；S-面积；φ-内摩擦角。由上式可知，关于中等强度以上岩石，锚杆对岩石破坏前的强度和变形阻碍不大；关于强度较低的煤体，锚杆在煤体破坏前对其强度有较明显的阻碍。锚杆的要紧作用是改善发生塑性变形和破裂煤岩的力学性质，明显提升其屈服后强度，改变屈服后煤岩变形特性。(2)锚杆对节理、层理、裂隙等不连续面的本质作用在于：通过锚杆提供的轴向力与切向力，提升不连续面的抗剪强度，阻止不连续面产生离层与滑动。通过提升结构面的强度，提升节理煤岩体的整体强度、完整性与稳固性。(3)通过锚杆给围岩施加一定的压应力，能够改善围岩应力状态。关于受拉区域，可抵消部分拉应力，提升围岩抗拉能力；关于受剪区域，通过压应力产生的摩擦力，提升围岩的抗剪能力。(4)在深部巷道中，锚杆支护要紧作用在于操纵锚固区围岩的离层、滑动、张开裂隙等扩容变形与破坏，在锚固区内形成次生承载层，最大限度地保持锚固区围岩的完整性，幸免围岩有害变形的显现，提升锚固区围岩的整体强度和稳固性。(5)在冲击矿压巷道中，锚杆支护可改善锚固区煤岩体的冲击倾向性指标；通过保持锚固区围岩的完整性，提升围岩承载能力，使巷道围岩应力分布趋于平均化，同时提升了对深部围岩的约束能力。基于上述作用，锚杆支护对冲击矿压有较好的操纵作用，能降低冲击矿压的程度。(6)在深部巷道中，应采纳高强度、高刚度锚杆组合支护系统，同时要求锚杆有一定的延伸率。高强度要求锚杆具有较大的破断力，高刚度要求锚杆具有较大的预紧力并实施加长或全长锚固，组合支护要求采纳钢带、金属网等护表构件。应尽量一次支护有效操纵围岩变形，幸免二次支护和巷道修理。(7)锚索的作用要紧是将锚杆支护形成的次生承载层与深部围岩相连，充分调动深部围岩的承载能力，使更大范畴内的岩体共同承载，提升支护系统的整体稳固性。4巷道围岩地质力学测试围岩是巷道支护对象，地质力学参数是巷道支护设计的基础。一切与围岩有关的工作，如巷道布置、巷道支护设计，采煤方法设备的选型等，都离不开对围岩地质力学特点的充分了解。关于深部巷道，最大的特点是巷道埋深增加，导致地应力高、构造应力场复杂，围岩强度和变形特点发生明显变化。因此，在深部矿井中进行地质力学参数测试显得更为重要。为了快速、准确测定地质力学参数（包括井下地应力测量、巷道围岩强度测定、围岩结构观看），可采纳巷道围岩地质力学快速测试系统。4.1地应力测量地应力测量方法有多种类型，常用的有应力解除法与水压致裂法。地质力学快速测试系统中采纳了水压致裂法。该法有以下优点：①能测量较深处的绝对应力状态；②直截了当测量，无需了解和测定岩石的弹性模量；③测量应力空间范畴较大，受局部因素阻碍小；不需要套芯工序，可利用其它工程的勘探孔进行压裂。地应力测量仪器为自行开发的SYY-56型水压致裂地应力测量装置。采纳小孔径钻孔（56mm），最大测量深度为30m，可在井下进行快速、大面积地应力测量。同一钻孔还能够用于巷道围岩强度测量。如图1，该仪器由分隔器、印模器、定位器、手动泵、储能器、隔爆油泵及记录仪等部件组成。 图1水压致裂地应力测量示意图4.2巷道围岩强度测试采纳WQCZ-56型围岩强度测定装置进行井下围岩强度测试（图2）。该仪器由围岩强度测定仪、探头、手摇泵、高压管、延长杆等部件组成。探头直径54mm，测量深度30m，专门适合井下快速测量。图2巷道围岩强度测量示意图岩体强度的测定在井下巷道围岩钻孔中进行。探头内的活塞在高压油的驱动下发生移动，使端部顶针压向钻孔孔壁。按照顶针压破钻孔孔壁的临界压力，通过运算，便可得到该点的岩体单轴抗压强度。通过对30余组岩石试样同时用围岩强度测定装置及实验室压力机作了岩石单轴抗压强度的对比试验。测试结果表明，岩石单轴抗压强度Rc与围岩强度测定装置临界破坏压力Pm呈强有关关系，可用下式描述：Rc=k1PmPm≤20MPaRc=k2+k3logPmPm＞20MPa(2)式中：Rc—岩体单轴抗压强度，MPa；Pm—临界破坏压力，MPa；k1、k2、k3—系数。为了测定整个钻孔长度上岩层的抗压强度，每隔200～300mm取一个测试剖面。4.3巷道围岩结构观看巷道围岩结构观看采纳KDVJ-400型矿用电子钻孔窥视仪（图3），由CCD摄像头、图像接收与储备装置、安装杆等组成。仪器由摄像头在钻孔中同意图像，通过接收仪直截了当观看、记录图像，并可与运算机连接，分析和处理图像，能直观、清晰地反映巷道围岩的结构情形。可窥视钻孔的最小直径为28mm，长度为30m，辨论率为0.1mm。图4是井下巷道顶煤钻孔的窥视结果，可清晰地观看到煤体中的节理、裂隙分布状况，为分析结构面的分布提升的直观的依据。图3KDVJ-400型矿用电子钻孔窥视仪图4围岩结构观看结果5煤巷锚杆支护设计方法与软件5.1动态信息设计法按照煤矿巷道的特点，提出锚杆支护动态信息设计法。动态信息法具有两大特点，动态性与信息性：其一，设计不是一次完成的，而是一个动态过程；其二，设计充分利用每个过程中提供的信息。该设计方法包括五部分，即试验点调查和地质力学评估、初始设计、井下监测、信息反馈和修正设计。初始设计采纳数值运算法，目前应用成效比较好的数值运算程序为有限差分软件FLAC[7]和离散单元法软件UDEC。按照锚杆支护扩容—稳固理论，确定支护参数选择的原则为：(1)临界支护强度刚度原则：锚杆支护强度与刚度不能低于临界值，否则巷道将长期处于不稳固状态；(2)高预紧力原则：锚杆应施加较大的预紧力，达到杆体屈服载荷的30-50%；(3)锚杆锚索匹配原则：锚杆与锚索的力学性能应相互匹配，保证支护整体成效；(4)“三高一低”原则：在高强度、高刚度、高可靠性的前提下，降低支护密度。5.2适合工程技术人员使用的设计软件为了使锚杆支护初始设计既简单、方便，适合工程技术人员使用，又具有较高的科学性和合理性，在大量示范巷道数值运算设计的基础上，进行提炼与简化，编制了适合现场工程技术人员使用的设计软件。设计软件由数据库系统、咨询系统、设计系统与绘图系统组成，可按照巷道原始参数确定锚杆支护设计，并绘制巷道支护布置图。该软件的应用，明显提升了支护设计的合理性和速度，大大减轻了工程技术人员的设计工作量。6高强度树脂锚杆与锚索支护材料锚杆支护材料包括锚杆杆体和附件、树脂锚固剂、W钢带和小孔径树脂锚固锚索等。6.1锚杆杆体材料传统的低强度、低刚度锚杆支护材料差不多无法满足深部巷道支护的要求，必须开发研制适用于高地应力巷道的新的支护材料。为了大幅度提升锚杆强度，开发了专用锚杆钢材配方，设计了3个级不的螺纹钢筋，达到高强度和超高强度级不，力学性能见表1。杆体形状设计方面遵循合理孔径差、有利于提升锚杆锚固力、杆体各个部位等强度三个原则。将杆体设计为左旋无纵肋螺纹钢筋，确定杆体公称直径为18-25mm，杆尾螺纹段采纳滚压工艺加工。关于直径22mm的BHRB600型钢筋，屈服力达235.6kN，破断力达311.6kN，是同直径一般圆钢的2.64、2.16倍；关于直径25mm的强力锚杆，屈服力达300kN以上，破断力达400kN以上，真正实现了高强度。表1锚杆杆体力学性能锚杆类型牌号直径(mm)屈服载荷(kN)拉断载荷(kN)伸长率(5)%低强度Q2351647.276.425高强度BHRB40022152.0216.620BHRB50022190.0250.820BHRB60022235.6311.618强力BHRB60025304.2402.3186.2树脂锚固剂在树脂锚固剂配方改进和生产技术方面做了大量工作，现已形成系列产品，要紧性能指标均达到国外先进国家的要求。锚固剂尺寸有多种规格，从直径划分，常用的有23mm，28mm，35mm；从长度划分，常用的有300mm，350mm，500mm，600mm等。6.3W钢带钢带是煤巷锚杆支护中的重要组合构件。W型钢带是利用带钢经多组轧辊连续进行冷弯、滚压成型的型钢产品。由于带钢在冷弯成型过程中的硬化效应，可明显提升型钢强度。冷弯成型出材率高(98%)，与冲压及热轧型钢相比，可节约钢材10~30%。按照我国煤矿井下巷道的具体情形，制定了我国矿用W型钢带标准（MT/T861-2000）。在井下使用时，可按照巷道的具体条件，选择不同参数的W型钢带。为了与强力锚杆配合，又设计了厚度5mm的高强度、高刚度W型钢带，其破断载荷高达500kN，同时，刚度也大幅度提升，组合与护表能力大大增强。6.4小孔径树脂锚索针对煤巷特点，开发了小孔径树脂锚固预应力锚索加固技术。其最大特点是采纳树脂药卷锚固，安装孔径仅为28mm，用一般单体锚杆机即可完成打孔、安装。树脂药卷固化时刻快，锚索能及时、快速承载。小孔径锚索要紧用在破裂、复合顶板巷道；放顶煤开采沿煤层底板掘进的煤顶巷道；脆弱和高地应力巷道；以及大跨度开切眼和巷道交叉点。其要紧技术参数为：钻孔直径，28mm；锚索直径，15.24-22mm；索体破断力，260-600kN。7应用实例新汶矿区是我国是开采深度最大的矿区之一，平均开采深度已达到900m，多个矿井开采深度超过1000m，最深达1300m。它集中了采深大、地质构造复杂、矿井灾难性现象多重条件，使巷道支护极为困难。目前，深部岩石巷道围岩变形大、底鼓严峻；煤巷爱护困难，需要多次修理与翻修；冲击地压煤层巷道支护咨询题没有得到解决。以往研究形成的锚网喷二次支护理论受到了挑战，在深部动压阻碍区、构造压力带、软岩破裂带等地点，采纳二次支护后仍显现大变形与破坏等咨询题，需要三次甚至更多次的支护，巷道爱护费用极高，而且围岩变形长期不能稳固。为此，开展了系统的深部巷道支护理论与技术研究。7.1巷道围岩地质力学测试在新汶协庄矿、孙村矿和华丰矿进行了地应力测量，测试结构见表2。表2新汶矿区地应力测量结果序号矿井测量地点埋深/m垂直主应力/MPa最大水平主应力/MPa最小水平主应力/MPa最大水平主应力方向1协庄1202W回风巷79020.9432.3916.56N33.5°E21202E运输巷115030.4834.6017.89N12.5°E3-850二采中车场107128.3839.7720.64N39.7°E4孙村-1050西大巷128334.0031.9716.51N6.0°W541120疏水巷98226.0233.1216.80N20.6°E62124轨道巷103427.4023.2212.19N35.5°E7华丰-1100水平大巷120031.8031.8022.80N3.0°E从表2的数据中看出，在7个测点中，埋深超过1000m的有5个，最深为1283m；最大水平主应力最大为39.77MPa，最小为23.22MPa；7个测点中，最大水平主应力不小于垂直应力的测点有5个，占71.4%，最大水平主应力与垂直应力的比值最大为1.55。可见，新汶千米埋深巷道地应力专门高，而且水平应力占明显优势。协庄矿围岩强度测量结果见表3。砂质页岩的单轴抗压强度在35-40MPa，煤层强度在12MPa左右，煤岩体强度比较低。表3新汶协庄矿围岩强度测量结果岩性累计厚度/m厚度/m岩层柱状平均强度（MPa）中砂岩9.103.5478.6砂质泥岩5.560.5640.5煤5.000.3011.9砂质页岩4.701.2036.1煤3.500.7512.1砂质页岩2.752.7534.67.2高预应力、强力支护系统试验(1)巷道地质与生产条件针对高地应力、软岩巷道，进行了高预应力、强力支护系统井下试验。试验地点为新汶协庄矿1202E运输巷。该巷沿二煤顶板掘进，煤层平均厚度2.4m，倾角20°～26°。直截了当顶为厚6.5m的砂质页岩，水平层理发育，破裂易冒落；直截了当底为粘土岩，遇水膨胀变软，厚度0～0.5m；其下为厚2.2m的砂质页岩。巷道埋深1150～1200m。原岩应力测量结果表明：最大水平主应力为35～40MPa，垂直主应力为30～32MPa。巷道掘进断面11.1m2，全宽3.7m，全高3m(2)锚杆支护设计采纳有限差分数值运算进行了多方案比较，确定巷道支护形式为：高预应力、强力锚杆组合支护（锚杆支护布置如图5）。锚杆为直径25mm的左旋无纵筋锚杆，长度2.4m，杆尾螺纹为M27，极限破断力400kN。树脂加长锚固，预紧力矩达到100kN。组合构件为W钢带，钢带厚度5mm，宽280mm。采纳金属经纬网护顶、护帮。锚杆排距1.0m，每排12根锚杆，顶板锚杆间距900mm，上帮锚杆间距1100mm，下帮间距800mm。图5锚杆支护布置图(3)井下监测与支护成效锚杆支护实施于井下后，进行了矿压监测。如表4，强力锚杆支护巷道顶底板移近量为115mm，两帮移近量为55mm，顶板离层为3mm，分不比原锚杆支护巷道降低83.5%、90.6%、96.1%，巷道变形降低幅度专门明显。可见，强力锚杆支护有效操纵了深部巷道围岩变形，实现了深部支护的突破。表4不同支护巷道围岩变形量对比（mm）锚杆形式顶底板移进量两帮移进量顶板离层一般锚杆69858377强力锚杆115553降低值83.5%90.6%96.1%结语(1)深部巷道埋深大、地应力高，构造应力场复杂，围岩强度和变形特点发生明显变化。围岩变形的流变性、扩容性和冲击性明显，巷道支护困难。(2)在深部巷道中，锚杆支护要紧作用在于操纵锚固区围岩的离层、滑动、张开裂隙等扩容变形与破坏，在锚固区内形成次生承载层，最大限度地保持锚固区围岩的完整性，幸免围岩有害变形的显现，提升锚固区围岩的整体强度和稳固性。(3)深部巷道应