三维锚索与巷帮卸压组合支护技术原理及工程实践

第27卷 2005年 第5期 5月 岩 土 工程 学报 ChineseJournalofGeotechnicalEngineering V01．27No．5 May，2005 三维锚索与巷帮卸压组合支护技术原理及工程实践 M∞hanicsandp豫cticeofcombinedsupponingtechnolo野of3Danchor-cabIeand uIlloadingteIchnolo韶ofwaU0froadway 高明仕1，张农1，郭春生2，窦林名1 (1．中国矿业大学能源与安全工程学院，江苏徐州221008；2．平煤集团技术中心，河南平顶山467000) 摘要：煤巷锚杆支护技术在顶板较完整的简单条件下应用很成功，普通锚索的作用主要表现为将下部锚杆支护形成的锚固承载 结构整体悬吊于深部围岩中，起强化支护作用，对于项板中存在稳定岩层的煤巷，它的作用非常明显：但当巷道顶部岩层为厚及 特厚松软煤层时，还未见成熟的锚杆锚索支护技术。本文首次将三维锚索应用于煤矿煤层巷道的支护中，并从力学的角度，重点 论述了三维锚索的支护原理；再辅助于巷帮卸压技术，三维锚索支护技术能解决松软厚煤层、特厚煤层沿底施工一次采全厚巷道 支护的难题。在实践应用中，这项技术产生了巨大的经济效益和社会效益，在类似巷道极具推广价值。 关键词：三维锚索；卸压技术；组合支护；应用 中图分类号：Tu312 文献标识码：A 文章编号：1000—4548(2005)05—0587一04 作者简介：高明仕(1970一)，男，甘肃靖远人，工程师，博士研究生，研究方向为矿山压力及其控制、矿山动力灾害防治等。 GAoMing—slli1，zHANGNon91，GuOchun—shen旷，DOuLin—IIling 1 (1．colle霉eofMincml＆Ene唱yResources，chiIIaunivers时ofMining＆Technology'Xuzllou221008，chim：2．1hllllologycenterofPingrmiconglormrafe， Pingdingsh锄467000，CIliIIa) Abstr毗t：ThetecllIlologyofb01tsuppcHlingunder山econditionoftightroofhasbeensuccessfullyused．HoweVer，untilnowme supportingtectlllologyofmadwayhaSnotbeenreI，ortedwhenmeroadwaymustbe曲Venalongmebonomintlleloosetllickcoalse锄． The踟tllorsfirsnyuse3D锄chor—cableintomisfiled．11lispaper，f如mmepointofView0fmech柚ics，giVes柚emphasisonme supponingmech柚ismof3D卸chor_cable，柚dtlliskindofexp醐【lIlenth鹊beenc枷edout．舢nledatⅡleunloading由ecllIlologyofmewall ofmadway，tllesupponingproblemmentioneda_bovec蛐besolvedacc删ngly．hlmeapplicalion，tllis妣llIlologyhasproducedeno姗ous econoIIlic孤dsocialef!fbct，soitisofgreatvaluetobe印pliedtot量IesiIIlilarcondition． Keywords：3Danchor_ca_ble；unloading眦llIlology；combinedsuppomng；application ^_JL--1■一 U 刖 罱 近年来，锚杆支护技术依其安全、可靠、经济等 优势得到认可并逐渐取代了钢棚支护，许多矿区的回 采巷道都已使用锚杆支护技术，在一些较为复杂的条 件下如大断面、地质构造破坏地段、高地应力、综放 巷道等困难、复杂的巷道中，采用锚杆加小孔径预应 力锚索联合支护技术都取得了成功【l’2“’5】。普通锚索 采用西15．24nlIIl×(4～6)m的I级低松弛预应力 钢绞线，作用主要表现为将下部锚杆支护形成的锚固 承载结构整体悬吊于深部围岩中，起强化支护作用， 对于项板中存在稳定岩层的煤巷，它的作用非常明显； 但当巷道顶部岩层为厚及特厚松软煤层时，这种锚索 就会失去稳定的内锚固点，锚索的锚固段以及自由段 均随项板岩层的变形下沉而下移，结果顶板整体下沉， 甚至整体冒落13’6J。许多矿区如平顶山、窑街等在松 软厚煤层、特厚煤层中都已采用放顶煤一次采全厚采 煤方法，支护方式为梯形钢棚或木棚，不仅支护成本 高，翻修率大，支护效果也很差，大大制约了矿井的 发展。本文针对该类煤巷支护，研究了三维锚索和巷 帮卸压组合支护技术，并应用于实践。 1 三维锚索支护机理和卸压技术设计 思想 1．1三维锚索支护机理 巷道开掘改变原岩的应力平衡状态和分布，使巷 道表面煤岩由三向受力状态变为二向受力状态，在矿 山压力作用下，巷道表面煤岩要寻求和达到新的应力 平衡状态，这一演变过程就是巷道煤岩(径向)膨胀 变形和水平移动的过程【7一’111，而普通锚杆(索)支 护只能提高煤岩的径向抗压强度，但不能提高煤岩的 切向和轴向抗压强度。所以，巷道煤岩就会出现应力 不均匀现象，造成巷道煤岩朝着应力小的区域移动， 使该区域压力和变形增大，尤其是锚杆之间中部煤岩 最弱，变形也最大。锚杆间距较大时，该位置的岩体 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50074030) 收稿日期：2004一06一06 万方数据 588 岩土工程学报 2005年 承受拉应力状态，煤岩抗拉强度是很低的，该处一旦 破口其周围的煤岩在矿压作用下就会向此处流动，使 锚杆预应力减小或丧失，造成巷道表面煤岩变形量增 大，控制不好还可能引发冒顶事故。三维锚索就是针 对锚杆支护的上述缺陷和不足而设计的，它可在巷道 煤岩表面主动形成径向、切向、轴向三个方向的预应 力，增强煤岩的整体抗压强度，缩短围岩达到平衡状 态的时间，并使两锚索之间中部的表面岩体成为受压 应力区，即主动将岩体应力曲线上移，使岩体整体支 承结构不受破坏，从而提高巷道煤岩的整体稳定性和 承载能力，控制巷道煤岩移动，合理支护巷道。三维 锚索的支护机理是：在围岩表面主动形成若干个具有 x、l，、z三个反向应力的支护体，把围岩支撑压力分 解到各个单元支护体上，在围岩表面主动形成一个三 维受压体系，提高顶板围岩的粘聚力C和内摩擦角妒 值，增强围岩表面整体应力强度，使围岩共同形成厚 层组合拱结构。三维锚索与普通锚杆(索)支护应力 分布曲线比较见图1，锚索支护结构见图2、图3。 图1三维锚索与一维锚杆支护应力分布对比示意图 Fig．1Contmstofthestressdistributionbetween3D柚chor-cable 锄dlDbolt ● 鼍 ㈧2 ㈧ }囊 ；。 “ · ； 。3㈡1i l 雾 ≈ i ； l一一i维锚索2一锚杆3一钢筋梯梁 图2三维锚索支护顶板剖面布置 Fig．2Roof-supponinglayoutof3D柚chor．cable 图3三维锚索布置立体示意图 Fig．3Spatiallayoutof3D锄chor-cable 1．2卸压技术及设计思想 卸压技术是将巷道上方及周围岩体的高应力区及 高应力值降低，并将其高应力区及高应力值向煤体深 部转移，使巷道上方及周围岩体的应力增高区变为应 力降低区的一种高新技术。其目的是减小矿山压力对 巷道围岩及锚索的作用力，降低巷道围岩应力及变形 量，优化支护设计，节约支护材料。卸压技术的设计 思想是：通过钻孔等方法在巷道围岩深部形成一个弱 化区和弱化带，为围岩在应力释放过程中产生的膨胀 变形提供一个补偿空间。对于膨胀变形较大的软弱围 岩和复杂条件下的高应力的围岩巷道，采用卸压技术 来控制围岩变形量及防止冲击地压等都是当今最有效 的方法之一，国内许多学者在这方面作了大量的研究 和实践，取得了较好的效果咿一oI。 采用边界元法对巷道钻孔前后围岩应力分布进行 数值分析，钻孔周边切向应力显著降低，巷道其余部 位的切向应力也有一定程度的降低。如图4(a)、4(b) 所示，巷道周边帮部的切向应力增高系数由未钻孔前 的2．5降至一0．16，巷道顶板中部的应力增高系数也由 0．52降至0．18。又如图4(a)、4(c)所示，当巷道 沿顶、底板径向切缝时，顶、底板中部的切向应力增 高系数由钻孔前的0．52降至一0．12，两帮的切向应力 增高系数也由2．5降至2．36。可见，钻孔卸压的效果 十分明显。 0 0 1．19 (c) (d) 图4钻孔对巷道周边应力分布的影响 Fig．4IIlfluenceofdrilling—borconmestressdistributionaround madway 2组合支护技术应用工程实例 2．1煤层赋存情况 平顶山煤业集团公司十一矿己16-17煤层22040工 作面机巷：煤层厚度4～7．5m，局部地段达到20多m， 直接顶为泥岩、砂质泥岩，厚度2—2．5m。基本项为 细砂岩，厚度2～5m。直接底为块状泥岩，厚度l～2m。 老底为砂质泥岩，厚度2～2．5m。巷道垂深635～68Om， 煤的普氏系数．厂<1，煤层抗压强度o。≤lOMPa，煤层 倾角25～350，局部420，裂隙发育。类似回采巷道以 前均采用钢棚支护，巷道变形量很大，钢棚返修率高， 支护成本大，多处巷段断面不能满足回采和安全需要。 万方数据 第5期 高明仕，等．三维锚索与巷帮卸压组合支护技术原理及工程实践 589 2．2试验巷道布置 试验巷道全部在实体煤层中布置，沿底板掘进。 周围无别的采面和采空区。 2．3断面支护参数 断面形状设计为矩形(下部稍宽点)：宽×高= 2．8m×2．6m。断面支护见图5，三维锚索支护结构见 图6。 图5三维锚索支护巷道断面布置 Fig．5Layoutof3D狮chor_cable u 又气 形。 I—i维铺索2一护扎管3一四孔双问对拉锁其4一单股钢绞线 图6三维锚索支护结构图 Fig．6Supponingstnlctureof3Dmlchor．cable (1)顶板采用5根咖20×2200mm的圆钢锚杆、 矽14×2．8m钢筋梯子梁、金属网联合支护，加长锚固 方式，每根锚杆使用两节Z2350中速树脂药卷。锚杆 间距700mm，排距700I砌。 (2)巷道两帮均采用4根犯0×2200mm的圆钢锚 杆、长2．4m的7c型钢带、金属网联合支护，加长锚固 方式，每根锚杆使用两节Z2350中速树脂药卷。锚杆 间距700mm，排距700mm。 (3)三维锚索：选达到ISO／DIS6934／2—1990标准、 高强度低松弛1×7×18．24mm预应力钢绞线组成锚 索，锚索长度为5～11m，根据煤层不同的厚度选用不 同长度的锚索，加长锚固方式，每根锚索采用3节 z2350中速树脂药卷。锚索步距2100mm，沿巷道顶 板中轴线单排布置。每根锚索有1．5m在锚孔外，分 成十字方向，分别与同排顶板最边上的两根锚杆和前 后相邻的两锚索用拍×4圆柱型四孔双向对拉锁具锁 紧。 (4)卸压孔：在巷道两帮中间位置打一排间距为 700m、孔径60Im、深6m的卸压孔。用煤电钻小 钻头打孔后再换大钻头扩孔。 3矿压观测结果及结论 ． 在试验巷段我们设置了三个测站，安装了顶板离 层仪、多基点位移计及断面位移计，进行了详细的观 测和记录，最后得到了如下结果： 3．1 掘进期间矿压观测结果与分析 掘进期间矿压显现规律：①顶板移近量较小(≤ 125mm)并能得到有效控制；②巷道顶板较底板移近 量明显增大，下帮项板比上帮顶板移近量大；③巷道 上帮比下帮移近量大；④巷道顶板以上厚煤层之间离 层变形很小，且深部小，浅部大。如：6、4．5、3、2、 1 m深处位移量分别是5．8、6．7、11、13．5、28I砌； ⑤掘进期间顶板主要移动活跃时限为15～20d，之后 逐渐趋向稳定。 160 140 t20 i100 赢80 蛔60 簿40 20 0 l 3 5 7 9 ll 131517192l232527 观测天数，d 图7掘进期间巷道围岩移近量曲线 Fig．7Conve曙enceofsuITounding—Iockduringdriving =薹翟 蘑1： 蓑。舳 70 60 50 40 30 20 10 0 距离I：作碰，m 图8掘进期间巷道移近速度曲线 Fig．8V．elocityofsu玎ounding-rockduringdriving 3．2回采期间矿压观测结果与分析 回采期间矿压显现规律：①距离工作面50m时， 巷道顶底、两帮的变形均开始明显增大，在50～30m 范围，巷道四周围岩变形量急剧增加，到距离采面20 m处巷道顶底、两帮变形均基本达到最大值，但总体 来看顶板下沉量始终并不大，最大214mm，说明三 维锚索支护技术发挥了很大作用；②顶底变形主要是 底板臌起造成的，底板臌起量最大达到57lrIlIIl，占 万方数据 岩土工程学报 2005年 顶底变形总量785r岫的73％，所以，控制这类巷道 顶底变形除了控制好顶板下沉外，还要控制底板的臌 起；③两帮的变形量较大，最大达到776mm，说明 巷道帮部受应力作用仍很大，卸压效果不理想，锚杆 支护参数还需优化；④从45m左右开始，巷道顶底 移近量及移近速度都大于两帮的移近量和移近速度， 这正是回采时工作面超前支承压力作用的结果。 鲁 删 釜 制 距离工作面，m 图9回采期间巷道围岩移近量曲线 Fig．9Convergenceofsurrounding—rockduringbaving 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 222426 观测天数，d 图10回采期间巷道移近速度曲线 Fig．10Velocityofsu仃ounding-蕾0ckdu豳gcaving 4效益分析 4．1 经济效益 ①每米巷道节约支护成本514元，十一矿每年此 类巷道约6000m，可节约支护费用300多万元，若在 条件类似矿区推广使用将产生更大的经济效益；②减 少采面两端底部的三角煤损失，提高煤炭采出率。已 16—17—22040采面多采煤4875叭，按每吨200元计算， 创经济效益975万元；③简化两道超前支护，利于采 面快速推进实现高产高效。 4．2社会效益 ①辅助运输工作量大大减少，显著减轻工人的体 力劳动：材料搬运量约为工字钢支护的l／10左右，且 单体重量轻，搬运方便；②安全得到保障：该技术的 试验成功，提高了该类巷道支护的可靠性、安全性。 5 结 语 通过现场实践和技术经济分析得知，三维锚索配 合卸压技术完全适用于厚煤层、特厚松软煤层沿底掘 进巷道支护，且具有创新性、先进性、实用性和效益 性，可为矿井“高产高效”建设提供技术保障。但通 过现场实践和技术分析，三维锚索支护技术在许多方 面还需进一步加以完善，如：①研究性能匹配的锚索 护孔管，防止钢绞线钻入煤层造成锚索松动；③锚索张 拉双向对拉预紧；对于大面积岩体控制采用四个方向 同时预紧；③张拉油泵改为非人力动力源油泵、扩大 张拉千斤顶内径及单股钢绞线的快直技术；④本试验 巷道在回采期间底臌量仍较大，说明两帮卸压效果不 理想，卸压孔的参数不合适，还有待于进一步研究和 实践。总之，若从技术上、管理上再下些功夫，使“三 维锚索与卸压技术”在支护性能和施工工艺上不断加 以完善和改进，这项组合支护技术就一定会在松软厚 煤层沿底掘进支护领域创造更大的经济效益和社会效 益。 参考文献： 【1】侯朝炯，郭历生，勾攀锋，等．煤巷锚杆支护【M】．徐州：中国 矿业大学出版社，1999． [2】柏建彪，侯朝炯，杜木民，等．复合顶板极软煤层巷道锚杆支 护技术研究【J】．岩石力学与工程学报，200l，加(1)：53—56． [3】张 农，高明仕，许兴亮．煤巷预拉力支护体系及其工程应 用[J】．矿山压力与项板管理．2002，(4)：1—4． 【4】樊正祥．预应力自由锚索在加周软岩层硐室中的应用叨．建 井技术，1994，(3)：2l一24． 【5】周长钧．关于应用长锚索的实践【J】．金属矿山，1994，(1)：28 —31． 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