高應力巷道強力錨桿支護理論技術研究——適合于神新公司各個地質條件復雜的礦區(qū)

　　高應力巷道強力錨桿支護理論技術研究

　　——適合于神新公司各個地質條件復雜的礦區(qū)

　　摘要：針對神華新疆能源公司烏東煤礦地質條件以及煤層賦存狀況，受上分層采動壓力影響以及礦山自生壓力的顯現，發(fā)現原有已掘巷道和現掘巷道存在較大的變形，出現頂板離層、下沉，底鼓，幫鼓甚至使得梯形棚子壓彎曲等現象，我初步認為原有的支護不能從本質上解決巷道大范圍變形問題，這種局面是被動的，只增加一次次的巷道維修費用，這不僅僅成本高，勞動強度大，費工費時，影響推進速度，最根本的是影響采掘正常接續(xù)。一方面不能充分發(fā)揮綜合機械化采煤高產、高效、安全、低耗的優(yōu)點;另一方面不能在同行業(yè)競爭下處于領先地位，更不能成為一體化運營具有國際競爭力、成為受人尊敬的國際化企業(yè)。見于此，根據深部開采與受強烈動壓影響的兩類高應力巷道的特點，在分析目前支護理論與技術存在問題的基礎上，提出高預應力、強力支護理論，強調保持圍巖完整性的重要性，以及錨桿預應力及其擴散對支護效果的決定性作用，并提出高應力巷道支護設計準則。開發(fā)研制強力錨桿與錨索支護材料，主要包括強力錨桿桿體和附件，強力鋼帶，以及強力錨索。大幅度提高錨桿與錨索支護材料的強度及預應力水平，真正實現了高強度與高剛度。將高預應力、強力錨桿支護系統成功應用于神新公司烏東煤礦深部巷道，對于受強力采動影響的與回采工作面對穿巷道，圍巖變形與頂板離層得到有效控制，巷道支護狀況發(fā)生了本質性變化。實踐表明：高預應力、強力錨桿支護系統為高應力巷道提供了有效支護手段，是一種支護行之有效的辦法，應廣泛推廣運用于神新公司各個地質條件惡化的礦區(qū)巷道。

　　1 前言

　　隨著我礦開采深度、廣度與強度的增加，出現了大量復雜困難巷道，如深部巷道、圍巖松軟破碎巷道、特大斷面巷道、受強烈動壓影響巷道等。其中深部巷道、受強烈動壓影響巷道屬于高應力巷道。前者主要是原巖應力高，后者是采動應力高，二者的組合將會導致更高的應力。

　　深部礦井自身重力場引起的垂直地應力明顯增大，構造應力場復雜，地應力高。高地應力環(huán)境和煤巖體變形特征決定了深部礦井會遇到一系列動力災害，包括沖擊礦壓、煤巖與瓦斯突出、瓦斯爆炸、礦井突水、礦壓顯現劇烈。在巷道方面，圍巖變形大，出現底鼓、幫鼓、頂板離層下沉。破壞極其嚴重，造成前掘后修、多次翻修甚至冒頂片幫的被動局面，對深部礦井的安全、高效開采帶來巨大威脅。

　　回采工作面巷道，以及與采掘工作面相鄰的其他巷道，都不同程度地受到采動影響。受到強烈動壓影響的巷道主要有以下類型：①與采煤工作面同穿巷道。一些礦井由于采掘接續(xù)緊張，在上一個工作面回采的同時，緊鄰該工作面掘進下一個工作面巷道，出現采煤工作面與巷道同穿的局面，導致巷道不僅受到工作面超前支承壓力的影響，同穿時的強烈動壓影響，而且巷道長期處于尚未穩(wěn)定的采空區(qū)邊緣;下一個工作面回采時，還要經歷一次采動影響。②二次動壓影響煤柱護巷。在工作面多巷布置中，一些巷道以一定尺寸的煤柱與工作面隔開。在本工作面回采時，巷道經受工作面超前、采后動壓影響的全過程;下一個工作面回采時，又要經歷一次采動影響。當巷道受到兩次甚至多次強烈采動影響時，巷道壓力大、變形劇烈。

　　目前，高強度錨桿支護技術雖然在煤礦巷道中已得到大面積推廣應用，在一般條件下已經取得良好的技術經濟效益。但是在深部及受強烈采動影響的高應力巷道中，錨桿支護效果差，巷道圍巖變形與破壞相當劇烈，阻止不了圍巖的變形，仍然需要多次維修與翻修。不僅支護成本很高，掘進速度低，而且?guī)砗芏?a href=http://m.cltuan.cn target=_blank class=infotextkey>安全隱患，嚴重制約采煤工作面的快速推進和礦井產量和效益的提高。為此，特提出高應力巷道支護機理與技術的措施。

　　2高應力巷道支護機理分析

　　2.1 已有巷道支護理論分析

　　針對復雜困難巷道，已經提出多種支護理論，在煤礦聯合支護理論與二次支護理論中得到較廣泛的應用。

　　聯合支護理論認為：對于復雜困難巷道，只追求提高支護體剛度難以有效控制圍巖變形，要先柔后剛，先讓后抗，柔讓適度，穩(wěn)定支護。相應的支護型式有錨噴網支護、錨噴網+支架、錨梁網+支架等聯合支護技術。但隨著巷道條件越來越差，有些巷道采用聯合支護并不有效，需要多次維修和翻修，圍巖變形一直不能穩(wěn)定。

　　二次支護理論認為：對于大變形巷道，一次支護很難有效控制圍巖強烈變形，支護應分兩次進行。一次支護在保持巷道穩(wěn)定的前提下，允許圍巖有一定的變形以釋放壓力;隔一段時間后實施二次支護，保持巷道的長期穩(wěn)定。但是，這種理論目前已遇到了極大的挑戰(zhàn)，在深部巷道、強烈動壓影響巷道區(qū)、構造應力影響區(qū)、軟巖破碎帶等地點，采用二次支護后仍出現變形破壞等問題，甚至需要三次、四次支護，巷道周而復始的發(fā)生破壞，圍巖變形長期得不到有效控制。分析二次支護存在的問題，一是二次支護的準確時間很難確定，過早或過晚均不利于圍巖的穩(wěn)定;二是即使確定出比較合理的二次支護時間，支護施工還是受到巷道空間、礦井生產接續(xù)安排等諸多方面的制約。如已有的巷道掘出后安裝了設備，給二次支護施工帶來很大困難;有的礦井由于生產安排緊張，延誤了二次支護最佳時間。

　　為了解決上述問題，必須尋求新的支護理論與方法。

　　2.2高預應力、強力支護理論

　　針對高應力巷道圍巖變形的流變性、擴容性和沖擊性，提出高預應力、強力錨桿一次支護理論。

　　(1)巷道圍巖變形主要包括兩部分：一是結構面離層、滑動、裂隙張開及新裂紋產生等擴容變形，屬于不連續(xù)變形;二是圍巖的彈性變形、峰值強度之前的塑性變形、錨固區(qū)域整體變形，屬于連續(xù)變形。由于結構面的強度一般比較低，因此開巷以后，不連續(xù)變形先于連續(xù)變形。合理的巷道支護形式是，大幅度提高支護系統的初期支護剛度與強度，有效控制圍巖不連續(xù)變形，保持圍巖的完整性，同時支護系統應具有足夠的延伸率，允許巷道圍巖有較大的連續(xù)變形，使高應力得以釋放。

　　(2)預應力錨桿支護主要作用在于控制錨固區(qū)圍巖的離層、滑動、裂隙張開、新裂紋產生等擴容變形，使圍巖處于受壓狀態(tài)，抑制圍巖彎曲變形、拉伸與剪切破壞的出現，使圍巖成為承載的主體。在錨固區(qū)內形成剛度較大的預應力承載結構，阻止錨固區(qū)圍巖產生離層，同時改善圍巖深部的應力分布狀態(tài)。

　　(3)錨桿預應力及其擴散對支護效果起著決定性作用。根據巷道條件確定合理的預應力，并使預應力實現有效擴散是支護設計的關鍵。單根錨桿預應力的作用范圍是很有限的。必須通過托板、鋼帶和金屬網等構件將錨桿預應力擴散到離錨桿更遠的圍巖中。特別是對于巷道表面，即使施加很小的支護力，也會明顯抑制圍巖的變形與破壞，保持頂板的完整。錨桿托板、鋼帶與金屬網等護表構件在預應力支護系統中發(fā)揮極其重要的作用。

　　(4)預應力錨桿支護系統存在臨界支護剛度，即使錨固區(qū)不產生明顯離層和拉應力區(qū)所需要支護系統提供的剛度。支護系統剛度小于臨界支護剛度，圍巖將長期處于變形與不穩(wěn)定狀態(tài);相反，支護系統的剛度達到或超過臨界支護剛度，圍巖變形得到有效抑制，巷道處于長期穩(wěn)定狀態(tài)。支護剛度的關鍵影響因素是錨桿預應力。因此，存在錨桿臨界預應力值。當錨桿預應力達到一定數值后，可以有效控制圍巖變形與離層，而且錨桿受力變化不大。

　　(5)錨桿支護對巷道圍巖的彈性變形、峰值強度之前的塑性變形、錨固區(qū)整體變形等連續(xù)變形控制作用不明顯，要求支護系統應具有足夠的延伸率，使圍巖的連續(xù)變形得以釋放。

　　(6)對于高應力巷道，應采用高預應力、強力錨桿組合支護，應盡量一次支護就能有效控制圍巖變形與破壞，避免二次支護和巷道維修。

　　2.3錨桿支護形式和參數選擇原則

　　針對高應力巷道條件，為了充分發(fā)揮錨桿主動支護作用，提出以下設計原則：

　　(1)一次支護原則。錨桿支護應盡量一次支護就能有效控制圍巖變形，避免二次或多次支護，以及巷道維修。一方面，這是礦井實現高效、安全生產的要求，就回采巷道而言，要實現采煤工作面的快速推進，服務于回采的巷道應在使用期限內保持穩(wěn)定，基本不需要維修;對于大巷和硐室等永久工程，更需要保持長期穩(wěn)定，不能經常維修。另一方面，這是錨桿支護本身的作用原理決定的。巷道圍巖一旦揭露立即進行錨桿支護效果最佳，而在已發(fā)生離層、破壞的圍巖中安裝錨桿，支護效果會受到顯著影響。

　　(2)高預應力和預應力擴散原則。預應力是錨桿支護中的關鍵因素，是區(qū)別錨桿支護是被動支護還是主動支護的參數，只有高預應力的錨桿支護才是真正的主動支護，才能充分發(fā)揮錨桿支護的作用。一方面，要采取有效措施給錨桿施加較大的預應力;另一方面，通過托板、鋼帶等構件實現錨桿預應力的擴散，擴大預應力的作用范圍，提高錨固體的整體剛度與完整性。

　　(3)“三高一低”原則。即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則。在提高錨桿強度(如加大錨桿直徑或提高桿體材料的強度)、剛度(提高錨桿預應力、加長或全長錨固)，保證支護系統可靠性的條件下，降低支護密度，減少單位面積上錨桿數量，提高掘進速度。

　　(4)臨界支護剛度原則。錨桿支護系統存在臨界支護剛度，如果支護剛度低于臨界值，巷道將長期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖變形與破壞得不到有效控制。因此，設計錨桿支護系統的剛度應大于I臨界值。

　　(5)相互匹配原則。錨桿各構件，包括托板、螺母、鋼帶等的參數與力學性能應相互匹配，錨桿與錨索的參數與力學性能應相互匹配，以最大限度地發(fā)揮錨桿支護的整體支護作用。

　　(6)可操作性原則。提供的錨桿支護設計應具有可操作性，有利于井下施工管理和掘進速度的提高。

　　(7)在保證巷道支護效果和安全程度，技術上可行、施工上可操作的條件下，做到經濟合理，有利于降低巷道支護綜合成本。

　　3 強力錨桿與錨索支護材料

　　在高預應力、強力支護理論的基礎上，針對高應力巷道，開發(fā)研制了強力錨桿與錨索支護材料，主要包括強力錨桿桿體和附件，強力鋼帶，以及強力錨索。

　　3.1 強力錨桿桿體材料與附件

　　傳統低強度錨桿支護材料已經無法滿足高應力巷道支護的要求，必須開發(fā)研制新的支護材料。為了顯著提高錨桿強度，開發(fā)出專用錨桿鋼材。其中BHRB600型鋼筋，屈服強度大于600MPa、破斷強度大于800MPa。真正實現了高預應力與高強度。在顯著提高錨桿桿體強度的同時，還必須保證桿體有較大的延伸率，以適應高應力巷道圍巖變形。開發(fā)的直徑22mm的BHRB500、BHRB600型錨桿鋼筋，屈服力達228.1kN，破斷力達304.1kN。分別是同直徑建筑螺紋鋼的1.79倍、1.63倍。強力錨桿預應力級別可超過100kN，其延伸率均不低于18%。此外，高預應力支護系統對錨桿結構、加工工藝與精度、錨桿受力狀態(tài)等提出更高的要求。根據高應力巷道實際應用情況，將桿體的沖擊吸收功加入到桿體必須檢測的力學性能參數中，并對其數值進行了確定。除強力錨桿桿體外，還配套開發(fā)出高強度螺母、高強度拱形托板與球形墊圈，優(yōu)選了減摩墊圈等附件。

　　3.2強力鋼帶

　　W型鋼帶作為一種性能優(yōu)越的組合構件，已經得到普遍應用。根據我國煤礦井下巷道具體情況，制定了我國礦用W型鋼帶標準(MT/T 861---2000)。但是，在高應力巷道中，現有的W型鋼帶出現以下問題：①鋼帶較薄，強度與剛度小。巷道壓力和變形大時，容易撕裂破壞;②鋼帶與錨桿強度、托板尺寸與強度不匹配，導致托板壓人或壓穿鋼帶，發(fā)生剪切破壞。

　　為了與強力錨桿配合，設計了厚度4～5mm的高強度、高剛度強力W鋼帶，其破斷載荷高達400～500kN，剛度也大幅度提高，組合與護表能力大大增強;同時，對鋼帶與托板的匹配性進行了研究，解決了鋼帶撕裂和壓穿等問題。

　　3.3強力錨索

　　小孔徑樹脂錨固預應力錨索已經在煤礦巷道中得到大面積推廣應用，取得良好的支護加固效果。目前使用的小孔徑樹脂錨固錨索直徑大多在15.2～17.8mm(表2)，使用過程中發(fā)現這種錨索有以下弊端：①索體直徑偏小，與鉆孔直徑(28mm)不匹配，孑L徑差過大，明顯影響樹脂錨固力，易出現錨固端滑動現象;②索體破斷力小，在高地應力、受采動和地質構造影響的巷道中經常出現錨索拉斷現象;③索體延伸率低，不能適應圍巖的大變形;

　?、苡捎谒黧w強度低，施加的預緊力也比較低，導致錨索預緊力作用范圍小，控制圍巖離層、滑動的作用差，當錨索比較長時尤為如此。

　　針對上述問題，開發(fā)了大直徑、大噸位的錨索，一方面加大了錨索索體直徑，從15.2mm增加到18mm、20mm，最大達22mm，其中直徑20mm、22mm的錨索為強力錨索。不僅顯著提高了索體的破斷力，而且使索體直徑與鉆子L直徑的配合更加合理;另一方面，改變了索體結構，索體采用了19根鋼絲代替了原來的7根鋼絲，結構更加合理，對受力更為有利。如22mm的強力錨索索體的破斷力達到600kN，是西15.2mm的鋼絞線破斷力的2.3倍;索體延伸率接近7%，比15.2mm的鋼絞線提高一倍。強力錨索為高應力巷道等復雜困難條件提供了有效支護加固手段。

　　4.2烏東礦區(qū)強烈動壓影響巷道支護試驗設想

　　根據實際情況，神新烏東礦由于采掘接續(xù)緊張，不得不在相鄰工作面還沒回采完畢，在工作面回采動壓強烈影響區(qū)掘進巷道，致使巷道變形、破壞嚴重，圍巖移近量高達900mm，嚴重影響了回采工作的正常進行，耗費了巨大的人力、物力和資金進行加固處理。普通錨桿支護在強烈動壓條件下，支護效果差，不能有效控制圍巖變形，保證巷道安全，必須尋求新的支護方式。為此，應在烏東礦進行了受強烈采動影響的與相鄰回采工作面對穿巷道支護技術試驗研究。與相鄰回采工作面同穿的巷道，受N次動壓影響、掘進與回采疊加影響，支護應盡量保持巷道圍巖的完整性，避免出現明顯的離層、節(jié)理與裂隙張開和新裂紋產生等擴容變形，導致圍巖強度喪失過大，引起劇烈變形。為此，設計巷道采用高預應力、強力錨桿與錨索組合支護。

　　錨桿桿體為直徑22ram的左旋無縱筋螺紋鋼筋，屈服強度不小于600MPa，長度2.4m，樹脂加長錨固。設計錨桿預緊力矩為500N·m，預緊力可達到80kN。采用w鋼帶與金屬網護頂，鋼帶厚度4mm，寬280mm，長度3900mm。錨桿排距1000mm，每排5根錨桿，間距900mm。

　　錨索為直徑18.9mm高強度低松弛預應力鋼絞線，長度7300mm，樹脂加長錨固錨索預緊力為200kN。錨索布置為：每2.0m打1根錨索，安設在頂板中部，垂直頂板巖層。

　　巷幫錨桿形式同頂板錨桿。采用W鋼帶與金屬網護幫，鋼帶厚度4mm，寬280mm，長度3000mm。錨桿排距1000mm，每排每幫4根錨桿，間距900mm。

　　設想表明，高預應力、強力錨桿與錨索支護系統能有效控制受強烈采動影響的對穿巷道圍巖強烈變形。巷道兩幫收斂量可控制在300mm以內，頂板離層量可控制在50mm以內。巷道圍巖完整、穩(wěn)定，支護狀況與原支護發(fā)生了本質的改變。

　　同時，錨桿預應力的顯著提高，使得掘進工作面空頂范圍內頂板的完整性與穩(wěn)定性顯著提高，大大降低了掘進期間冒頂、片幫的可能性，從而大幅度減少了化學注漿等超前加固的使用范圍與用量，節(jié)約了支護成本，提高了掘進速度。此外，大幅度提高頂板錨桿的預應力和支護系統的剛度，不僅能有效控制頂板離層，而且可使作用在兩幫的垂直應力向深部轉移，十分有利于巷幫維護與底臌控制。

　　5 結論

　　(1)高應力巷道合理的巷道支護形式是，大幅度提高支護系統的初期支護剛度與強度，有效控制結構面離層、滑動、裂隙張開及新裂紋產生等不連續(xù)變形，保持圍巖的完整性，同時支護系統應具有足夠的延伸率，允許巷道圍巖有較大的連續(xù)變形，使高應力得以釋放。

　　(2)錨桿預應力及其擴散對支護效果起著決定性作用。根據巷道條件確定合理的預應力，并使預應力實現有效擴散是支護設計的關鍵。

　　(3)高預應力、強力錨桿支護系統能有效控制深井巷道圍巖變形與頂板離層。巷道圍巖變形量可降低70%一80%，頂板離層可以控制到原來的5%-10%，甚至可達到近零離層。巷道支護狀況發(fā)生了本質性變化。

　　(4)高預應力、強力錨桿支護系統實現了高剛度、高強度、高可靠性與低支護密度的“三高一低”支護設計理念，克服了以往單根錨桿支護能力低而布置密度過大、錨桿安設作業(yè)時間過長的難題，顯著提高了錨桿支護巷道掘進速度和工效。

　　(5)受強烈采動影響的對穿巷道支護技術的解決，極大地提高了巷道布置在時間與空間上的隨意性，對緩解煤礦采掘接續(xù)緊張的局面具有重要意義。