高應力巷道強力錨杆支護理論技術研究——適合於神新公司各個地質條件複雜的礦區
高應力巷道強力錨杆支護理論技術研究
——適合於神新公司各個地質條件複雜的礦區
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範圍變形問題，這種局麵是被動的，隻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。一方麵不能充分發揮綜合機械化采煤高產、高效、安全、低耗的優點;另一方麵不能在同行業競爭下處於領先地位，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。見於此，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03manbetx 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，強調保持圍岩完整性的重要性，以及錨杆預應力及其擴散對支護效果的決定性作用，並提出高應力巷道支護設計準則。開發研製強力錨杆與錨索支護材料，主要包括強力錨杆杆體和附件，強力鋼帶，以及強力錨索。大幅度提高錨杆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、強力錨杆支護係統成功應用於神新公司烏東煤礦深部巷道，對於受強力采動影響的與回采工作麵對穿巷道，圍岩變形與頂板離層得到有效控製，巷道支護狀況發生了本質性變化。實踐表明：高預應力、強力錨杆支護係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，應廣泛推廣運用於神新公司各個地質條件惡化的礦區巷道。
1 前言
隨著我礦開采深度、廣度與強度的增加，出現了大量複雜困難巷道，如深部巷道、圍岩鬆軟破碎巷道、特大斷麵巷道、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於高應力巷道。前者主要是原岩應力高，後者是采動應力高，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，構造應力場複雜，地應力高。高地應力環境和煤岩體變形特征決定了深部礦井會遇到一係列動力災害，包括衝擊礦壓、煤岩與瓦斯突出、瓦斯爆炸、礦井突水、礦壓顯現劇烈。在巷道方麵，圍岩變形大，出現底鼓、幫鼓、頂板離層下沉。破壞極其嚴重，造成前掘後修、多次翻修甚至冒頂片幫的被動局麵，對深部礦井的安全、高效開采帶來巨大威脅。
回采工作麵巷道，以及與采掘工作麵相鄰的其他巷道，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與采煤工作麵同穿巷道。一些礦井由於采掘接續緊張，在上一個工作麵回采的同時，緊鄰該工作麵掘進下一個工作麵巷道，出現采煤工作麵與巷道同穿的局麵，導致巷道不僅受到工作麵超前支承壓力的影響，同穿時的強烈動壓影響，而且巷道長期處於尚未穩定的采空區邊緣;下一個工作麵回采時，還要經曆一次采動影響。②二次動壓影響煤柱護巷。在工作麵多巷布置中，一些巷道以一定尺寸的煤柱與工作麵隔開。在本工作麵回采時，巷道經受工作麵超前、采後動壓影響的全過程;下一個工作麵回采時，又要經曆一次采動影響。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，高強度錨杆支護技術雖然在煤礦巷道中已得到大麵積推廣應用，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，錨杆支護效果差，巷道圍岩變形與破壞相當劇烈，阻止不了圍岩的變形，仍然需要多次維修與翻修。不僅支護成本很高，掘進速度低，而且帶來很多安全隱患，嚴重製約采煤工作麵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03manbetx
2.1 已有巷道支護理論03manbetx
針對複雜困難巷道，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：對於複雜困難巷道，隻追求提高支護體剛度難以有效控製圍岩變形，要先柔後剛，先讓後抗，柔讓適度，穩定支護。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並不有效，需要多次維修和翻修，圍岩變形一直不能穩定。
二次支護理論認為：對於大變形巷道，一次支護很難有效控製圍岩強烈變形，支護應分兩次進行。一次支護在保持巷道穩定的前提下，允許圍岩有一定的變形以釋放壓力;隔一段時間後實施二次支護，保持巷道的長期穩定。但是，這種理論目前已遇到了極大的挑戰，在深部巷道、強烈動壓影響巷道區、構造應力影響區、軟岩破碎帶等地點，采用二次支護後仍出現變形破壞等問題，甚至需要三次、四次支護，巷道周而複始的發生破壞，圍岩變形長期得不到有效控製。03manbetx 二次支護存在的問題，一是二次支護的準確時間很難確定，過早或過晚均不利於圍岩的穩定;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、礦井生產接續安排等諸多方麵的製約。如已有的巷道掘出後安裝了設備，給二次支護施工帶來很大困難;有的礦井由於生產安排緊張，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
針對高應力巷道圍岩變形的流變性、擴容性和衝擊性，提出高預應力、強力錨杆一次支護理論。
(1)巷道圍岩變形主要包括兩部分：一是結構麵離層、滑動、裂隙張開及新裂紋產生等擴容變形，屬於不連續變形;二是圍岩的彈性變形、峰值強度之前的塑性變形、錨固區域整體變形，屬於連續變形。由於結構麵的強度一般比較低，因此開巷以後，不連續變形先於連續變形。合理的巷道支護形式是，大幅度提高支護係統的初期支護剛度與強度，有效控製圍岩不連續變形，保持圍岩的完整性，同時支護係統應具有足夠的延伸率，允許巷道圍岩有較大的連續變形，使高應力得以釋放。
(2)預應力錨杆支護主要作用在於控製錨固區圍岩的離層、滑動、裂隙張開、新裂紋產生等擴容變形，使圍岩處於受壓狀態，抑製圍岩彎曲變形、拉伸與剪切破壞的出現，使圍岩成為承載的主體。在錨固區內形成剛度較大的預應力承載結構，阻止錨固區圍岩產生離層，同時改善圍岩深部的應力分布狀態。
(3)錨杆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，並使預應力實現有效擴散是支護設計的關鍵。單根錨杆預應力的作用範圍是很有限的。必須通過托板、鋼帶和金屬網等構件將錨杆預應力擴散到離錨杆更遠的圍岩中。特別是對於巷道表麵，即使施加很小的支護力，也會明顯抑製圍岩的變形與破壞，保持頂板的完整。錨杆托板、鋼帶與金屬網等護表構件在預應力支護係統中發揮極其重要的作用。
(4)預應力錨杆支護係統存在臨界支護剛度，即使錨固區不產生明顯離層和拉應力區所需要支護係統提供的剛度。支護係統剛度小於臨界支護剛度，圍岩將長期處於變形與不穩定狀態;相反，支護係統的剛度達到或超過臨界支護剛度，圍岩變形得到有效抑製，巷道處於長期穩定狀態。支護剛度的關鍵影響因素是錨杆預應力。因此，存在錨杆臨界預應力值。當錨杆預應力達到一定數值後，可以有效控製圍岩變形與離層，而且錨杆受力變化不大。
(5)錨杆支護對巷道圍岩的彈性變形、峰值強度之前的塑性變形、錨固區整體變形等連續變形控製作用不明顯，要求支護係統應具有足夠的延伸率，使圍岩的連續變形得以釋放。
(6)對於高應力巷道，應采用高預應力、強力錨杆組合支護，應盡量一次支護就能有效控製圍岩變形與破壞，避免二次支護和巷道維修。
2.3錨杆支護形式和參數選擇原則
針對高應力巷道條件，為了充分發揮錨杆主動支護作用，提出以下設計原則：
(1)一次支護原則。錨杆支護應盡量一次支護就能有效控製圍岩變形，避免二次或多次支護，以及巷道維修。一方麵，這是礦井實現高效、安全生產的要求，就回采巷道而言，要實現采煤工作麵的快速推進，服務於回采的巷道應在使用期限內保持穩定，基本不需要維修;對於大巷和硐室等永久工程，更需要保持長期穩定，不能經常維修。另一方麵，這是錨杆支護本身的作用原理決定的。巷道圍岩一旦揭露立即進行錨杆支護效果最佳，而在已發生離層、破壞的圍岩中安裝錨杆，支護效果會受到顯著影響。
(2)高預應力和預應力擴散原則。預應力是錨杆支護中的關鍵因素，是區別錨杆支護是被動支護還是主動支護的參數，隻有高預應力的錨杆支護才是真正的主動支護，才能充分發揮錨杆支護的作用。一方麵，要采取有效措施給錨杆施加較大的預應力;另一方麵，通過托板、鋼帶等構件實現錨杆預應力的擴散，擴大預應力的作用範圍，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。在提高錨杆強度(如加大錨杆直徑或提高杆體材料的強度)、剛度(提高錨杆預應力、加長或全長錨固)，保證支護係統可靠性的條件下，降低支護密度，減少單位麵積上錨杆數量，提高掘進速度。
(4)臨界支護剛度原則。錨杆支護係統存在臨界支護剛度，如果支護剛度低於臨界值，巷道將長期處於不穩定狀態，圍岩變形與破壞得不到有效控製。因此，設計錨杆支護係統的剛度應大於I臨界值。
(5)相互匹配原則。錨杆各構件，包括托板、螺母、鋼帶等的參數與力學性能應相互匹配，錨杆與錨索的參數與力學性能應相互匹配，以最大限度地發揮錨杆支護的整體支護作用。
(6)可操作性原則。提供的錨杆支護設計應具有可操作性，有利於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，有利於降低巷道支護綜合成本。
3 強力錨杆與錨索支護材料
在高預應力、強力支護理論的基礎上，針對高應力巷道，開發研製了強力錨杆與錨索支護材料，主要包括強力錨杆杆體和附件，強力鋼帶，以及強力錨索。
3.1 強力錨杆杆體材料與附件
傳統低強度錨杆支護材料已經無法滿足高應力巷道支護的要求，必須開發研製新的支護材料。為了顯著提高錨杆強度，開發出專用錨杆鋼材。其中BHRB600型鋼筋，屈服強度大於600MPa、破斷強度大於800MPa。真正實現了高預應力與高強度。在顯著提高錨杆杆體強度的同時，還必須保證杆體有較大的延伸率，以適應高應力巷道圍岩變形。開發的直徑22mm的BHRB500、BHRB600型錨杆鋼筋，屈服力達228.1kN，破斷力達304.1kN。分別是同直徑建築螺紋鋼的1.79倍、1.63倍。強力錨杆預應力級別可超過100kN，其延伸率均不低於18%。此外，高預應力支護係統對錨杆結構、加工工藝與精度、錨杆受力狀態等提出更高的要求。根據高應力巷道實際應用情況，將杆體的衝擊吸收功加入到杆體必須檢測的力學性能參數中，並對其數值進行了確定。除強力錨杆杆體外，還配套開發出高強度螺母、高強度拱形托板與球形墊圈，優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，製定了我國礦用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鋼帶與錨杆強度、托板尺寸與強度不匹配，導致托板壓人或壓穿鋼帶，發生剪切破壞。
為了與強力錨杆配合，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麵積推廣應用，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)，使用過程中發現這種錨索有以下弊端：①索體直徑偏小，與鑽孔直徑(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，不能適應圍岩的大變形;
④由於索體強度低，施加的預緊力也比較低，導致錨索預緊力作用範圍小，控製圍岩離層、滑動的作用差，當錨索比較長時尤為如此。
針對上述問題，開發了大直徑、大噸位的錨索，一方麵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，而且使索體直徑與鑽子L直徑的配合更加合理;另一方麵，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複雜困難條件提供了有效支護加固手段。
4.2烏東礦區強烈動壓影響巷道支護試驗設想
根據實際情況，神新烏東礦由於采掘接續緊張，不得不在相鄰工作麵還沒回采完畢，在工作麵回采動壓強烈影響區掘進巷道，致使巷道變形、破壞嚴重，圍岩移近量高達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。普通錨杆支護在強烈動壓條件下，支護效果差，不能有效控製圍岩變形，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麵對穿巷道支護技術試驗研究。與相鄰回采工作麵同穿的巷道，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岩的完整性，避免出現明顯的離層、節理與裂隙張開和新裂紋產生等擴容變形，導致圍岩強度喪失過大，引起劇烈變形。為此，設計巷道采用高預應力、強力錨杆與錨索組合支護。
錨杆杆體為直徑22ram的左旋無縱筋螺紋鋼筋，屈服強度不小於600MPa，長度2.4m，樹脂加長錨固。設計錨杆預緊力矩為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。錨杆排距1000mm，每排5根錨杆，間距900mm。
錨索為直徑18.9mm高強度低鬆弛預應力鋼絞線，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，垂直頂板岩層。
巷幫錨杆形式同頂板錨杆。采用W鋼帶與金屬網護幫，鋼帶厚度4mm，寬280mm，長度3000mm。錨杆排距1000mm，每排每幫4根錨杆，間距900mm。
設想表明，高預應力、強力錨杆與錨索支護係統能有效控製受強烈采動影響的對穿巷道圍岩強烈變形。巷道兩幫收斂量可控製在300mm以內，頂板離層量可控製在50mm以內。巷道圍岩完整、穩定，支護狀況與原支護發生了本質的改變。
同時，錨杆預應力的顯著提高，使得掘進工作麵空頂範圍內頂板的完整性與穩定性顯著提高，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範圍與用量，節約了支護成本，提高了掘進速度。此外，大幅度提高頂板錨杆的預應力和支護係統的剛度，不僅能有效控製頂板離層，而且可使作用在兩幫的垂直應力向深部轉移，十分有利於巷幫維護與底臌控製。
5 結論
(1)高應力巷道合理的巷道支護形式是，大幅度提高支護係統的初期支護剛度與強度，有效控製結構麵離層、滑動、裂隙張開及新裂紋產生等不連續變形，保持圍岩的完整性，同時支護係統應具有足夠的延伸率，允許巷道圍岩有較大的連續變形，使高應力得以釋放。
(2)錨杆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，並使預應力實現有效擴散是支護設計的關鍵。
(3)高預應力、強力錨杆支護係統能有效控製深井巷道圍岩變形與頂板離層。巷道圍岩變形量可降低70%一80%，頂板離層可以控製到原來的5%-10%，甚至可達到近零離層。巷道支護狀況發生了本質性變化。
(4)高預應力、強力錨杆支護係統實現了高剛度、高強度、高可靠性與低支護密度的“三高一低”支護設計理念，克服了以往單根錨杆支護能力低而布置密度過大、錨杆安設作業時間過長的難題，顯著提高了錨杆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緊張的局麵具有重要意義。
