B070106 復(fù)雜條件下的錨桿支護(hù)技術(shù)

1、復(fù)雜條件下的錨桿支護(hù)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(hù)理論進(jìn)行的錨桿支護(hù)試驗(yàn)，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(hù)材料和支護(hù)參數(shù)，達(dá)到了預(yù)期效果，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞 三軟 錨桿支護(hù) 支護(hù)材料 支護(hù)參數(shù)自上世紀(jì)40年代始，錨桿支護(hù)發(fā)展迅速，已成為世界各主要產(chǎn)煤國家煤礦支護(hù)的主要型式。我國從1956年起，在煤礦巖巷中使用錨桿支護(hù)，但由于煤層巷道圍巖松軟，受采動(dòng)影響后圍巖變形量很大，對支護(hù)技術(shù)要求很高，加之錨桿支護(hù)理論、設(shè)計(jì)方法、錨桿材料、施工機(jī)具、監(jiān)測手段等還不夠完善，因而發(fā)展緩

2、慢。進(jìn)入“九五”期間，原煤炭工業(yè)部將“錨桿支護(hù)”列為煤炭工業(yè)科技發(fā)展的重點(diǎn)項(xiàng)目，錨桿支護(hù)技術(shù)有了很大提高，錨桿支護(hù)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(hù)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(yàn)、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)階段或者采用錨桿支護(hù)與其它支護(hù)的聯(lián)合支護(hù)形式。因此，在煤巷、半煤巖巷中發(fā)展錨桿支護(hù)還有很大潛力。特別是在IV、V類回采巷道中開展錨桿支護(hù)研究，對推廣錨桿支護(hù)技術(shù)，提高煤巷、半煤巖巷掘進(jìn)速度，降低支護(hù)成本，提高支護(hù)效果，將會(huì)發(fā)揮十分重要的作用。1 錨桿支護(hù)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(rèn)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(dòng)與松動(dòng)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(cuò)動(dòng)。為推進(jìn)錨桿支護(hù)的發(fā)展，重點(diǎn)要解決以下技術(shù)：地應(yīng)力測量，指導(dǎo)錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)；煤巷錨桿支護(hù)理論及設(shè)計(jì)方法研究；優(yōu)化錨桿支護(hù)參數(shù)，提高錨固材料可靠性；分析圍巖特點(diǎn)，采用不同的錨桿支護(hù)形式，提高錨桿支護(hù)的適應(yīng)性；改善、提高煤幫錨桿支護(hù)，更好地控制圍巖變形和適應(yīng)現(xiàn)場條件；完善錨桿支護(hù)效果監(jiān)測技術(shù)，及時(shí)修改完善現(xiàn)場技術(shù)措施；完善和開發(fā)錨桿機(jī)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(hù)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(hù)，1996年開始在復(fù)雜條件下的回采巷道應(yīng)用錨桿支護(hù)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(xì)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(qiáng)度為77.0MPa，抗拉強(qiáng)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(xì)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(dòng)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(qiáng)度為41.56MPa，抗拉強(qiáng)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(yùn)輸巷和回風(fēng)巷在掘進(jìn)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(hù)。實(shí)踐證明，在巷道掘進(jìn)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(yán)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(hù)。切眼斷面為梯形，規(guī)格為5.2×2.6（m），分二次掘進(jìn)。首掘斷面采用2.6×2.6（m）工字鋼支護(hù)，施工后在一天之內(nèi)就發(fā)生變形，梁彎曲嚴(yán)重，造成“前掘后翻"的局面。掘進(jìn)中圍巖變形很大，兩幫移近量8001400mm，頂?shù)装逡平繃?yán)重地段達(dá)2000mm以上，并且在掘進(jìn)中發(fā)生13次局部冒頂，最大冒頂高度達(dá)4m以上，巷道掘進(jìn)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(yán)重，綜采工作面安裝后到正常推進(jìn)歷時(shí)90天。為改善這類巷道的支護(hù)狀況，決定在1720綜采工作面切眼進(jìn)行錨、梁、網(wǎng)支護(hù)工業(yè)性試驗(yàn)。 技術(shù)難點(diǎn)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(hù)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(hù)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(hù)參數(shù)需根據(jù)現(xiàn)場情況及時(shí)調(diào)整，以保證有效支護(hù)。 地應(yīng)力測量對本區(qū)地應(yīng)力的大小和方向進(jìn)行了測定，測量結(jié)果有如下特點(diǎn)：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(dāng)；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?yàn)楸睎|-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(dá)到7.12MPa。支護(hù)參數(shù)選擇 頂板支護(hù)頂板采用錨、帶、網(wǎng)支護(hù)。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(qiáng)度和剛度，故選用20MnSi螺紋鋼高強(qiáng)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(fèi)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(hù)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(shí)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(qiáng)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(dāng)加大錨桿直徑在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)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(gè)支護(hù)體系來說，錨桿長度不能過短，過短就使整個(gè)錨桿加固的圍巖強(qiáng)化圈的厚度過小，強(qiáng)度較低，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此，考慮到設(shè)計(jì)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(qiáng)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(gè)錨孔。頂板采用金屬網(wǎng)滿護(hù)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(hù)兩幫采用錨、梁、網(wǎng)支護(hù)。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(hù)幫。由于煤壁較軟，煤幫易片落，錨桿錨固力會(huì)隨著煤幫運(yùn)動(dòng)而喪失。所以，為充分發(fā)揮其能力，設(shè)計(jì)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(yàn)知，此時(shí)兩幫錨桿的錨固力可達(dá)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(hù)斷面示意圖 加強(qiáng)支護(hù)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(dòng)影響，較為破碎，設(shè)計(jì)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(hù)。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(hù)。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(qiáng)支護(hù)。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(hù)。 礦壓觀測及支護(hù)效果為觀測巷道在掘進(jìn)期、掘后穩(wěn)定期及擴(kuò)切眼過程中圍巖活

13、動(dòng)規(guī)律，考察支護(hù)對圍巖變形的控制效果，研究支護(hù)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(hù)的機(jī)理，在切眼設(shè)置測站對掘進(jìn)過程中圍巖表面收斂、圍巖深部位移、錨桿載荷進(jìn)行了觀測，并對掘進(jìn)影響過程中錨桿、W鋼帶等的變形情況進(jìn)行分析。觀測表明，頂板錨桿采取全長錨固時(shí)，錨桿及圍巖的受力狀態(tài)好，實(shí)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(qiáng)的粘接力，在錨固范圍內(nèi)圍巖任何一點(diǎn)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(hù)系統(tǒng)的剛度，減小了圍巖的變形。經(jīng)過一個(gè)多月的觀測，從布點(diǎn)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(jìn)速度提高，日進(jìn)度最快為6.0m。巷道掘進(jìn)影響期較短，8天后巷道圍巖運(yùn)動(dòng)逐漸趨于穩(wěn)定，28天后巷道圍巖運(yùn)動(dòng)基本穩(wěn)定。巷道掘進(jìn)劇烈影響區(qū)距迎頭20m左右，20m到70m為掘進(jìn)影響減弱區(qū)?？梢钥闯?，采用錨桿支護(hù)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(hù)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(hù)，技術(shù)上可行、安全可靠，經(jīng)濟(jì)效益明顯。與相鄰1729切眼相比，1720切眼每m節(jié)省材料費(fèi)718.32元，節(jié)省維修費(fèi)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(jì)效益47.56萬元。兩巷試驗(yàn)段共200m，每m節(jié)省材料費(fèi)427.23元，節(jié)省維修費(fèi)490元，創(chuàng)直接