1、大埋深高应力巷道让压支护技术应用黄庆显平 顶 山煤 业 集 团 四 矿 ,河南 平 顶 山 467000摘 要 针对四矿矿井大埋深、高地应力巷道支护现状及围岩特点,总结了深井高地应力巷道支护原则,提出了采用高 强可变形让压锚杆+鸟 巢锚索+W 钢带支护技术控制深井巷道围岩的方法,并在工程 实际中进行了支护实 践。关键词 大埋深 高地应力 高强可变形让压锚杆 -前 言四矿己三采区的己 15-23140 机巷埋深在 860990m 之间。由于巷道埋藏深,支护条件复杂,巷道支护难度显著增加。在掘进过程中,顶板离层、片帮、底臌都较为严重,锚杆、锚索破断现象时有发生,巷道变形导致不能正常施工作业,成本增
2、加,严重威胁生产安全。因此,大采深、高应力、地质条件复杂条件下的巷道,支护效果、支护效率和支护成本问题突显,已经成为制约煤矿开采和企业发展的一个瓶颈。为此,在己 15-23140 机巷采用高强可变形让压锚杆+鸟巢锚索+W 钢带支护技术进行了试验,试验结果表明,采用该项技术后,支护强度提高、巷道变形大幅度减小、加快了掘进速度,安全得到提高、并具有很好的经济效益。1 原设计存在的问题煤矿锚杆支护技术虽然得到了广泛的应用,但目前的锚杆、锚索种类相对单一,难以适应不同地质条件下的变化。随着煤矿开采深度的不断加大,巷道支护问题更加突出。很多矿井沿用浅部支护的方法和管理经验,造成了支护的失效,大量出现冒顶
3、、片帮、底臌等问题,巷道反复维修仍然不起效,耗费了大量的人力物力仍不能保证正常的安全生产。四矿己三采区的己 15-23140 机巷原设计顶板为锚杆、钢筋梯+锚索联合支护,顶板采用直径 20mm、长 2400mm 左旋螺纹钢高强锚杆,间排距为 700700(mm) ;两帮和底板为锚杆、钢筋梯支护,采用直径 20mm、长 2300mm 全螺纹等强锚杆,上帮(3 根锚杆)间排距为800700(mm) ,下帮(4 根锚杆)间排距为 750700(mm) 。锚索长 6500mm,排距1400mm,三花布置,每根锚索距巷道中心为 700mm。施工两个月后,顶板下沉量为 365mm,两帮位移量 427mm,
4、底臌量 615mm。究其原因如下: 安装载荷不足引起顶板和两帮的早期变形。尽管锚杆支护密度很大,仍然存在严重的巷道变形。 由于顶板高强锚杆、锚索不能让压,巷道大变形时,出现锚杆、锚索断裂现象。 帮锚杆是全螺纹锚杆,其螺距大,阻力大,难以施加较大的安装载荷,且容易滑丝。 由于安装锚索时很难对中,加上三径匹配不合理,因此锚索搅拌锚固剂效果不理想,锚索与锚固剂粘结力降低。 钢筋梯与顶板围岩是线接触,采用钢筋梯表面支护效果差。为此,曾经尝试采用超高强锚杆对己 15-23140 机巷进行锚杆支护,但仍然出现锚杆断裂问题,采用套棚复修,巷道支护效果仍不理想。2 大埋深高应力巷道的支护原则2.1 采取预应力
5、锚杆,提高支护结构共同承载载荷预应力锚杆支护是一种高效、经济、安全的巷道支护手段。在支护与围岩的相互关系上,这种支护有三个突出特点: 符合围岩与支护结构共同承载的基本支护思想; 及时主动支护,即在岩体开挖早期就进行锚杆安装,安装后即对围岩提供显著的轴向和横向的支护阻力,避免岩体松动和塑性松动圈的增大; 属于柔性支护,选择合理的支护刚度,支护完成后,仍能与岩体一起产生少量的位移,释放部分能量。既保持岩体受力平衡,又保持支护结构不失稳。新型预应力锚杆是在此基础上,采用了一种合理有效的让压方法,并在锚杆接近过载时起到让压作用,保护锚杆杆体的预应力锚杆。采用高强预应力锚杆可以加大锚杆的间排距,减少锚杆
6、的用量,提高掘进速度,降低掘进成本。2.2 深部高地压大变形巷道支护理念四矿的己 1523140 顺槽属于高应力大变形巷道。对于这种类型的巷道,锚杆支护系统设计必须满足下列要素:(1)锚杆的安装应力锚杆的安装应力是控制围岩早期变形的重要参数。安装应力过小,会使围岩发生过大的早期变形,松散破碎圈增大,引起顶板破碎,锚杆受力增加。(2)支护强度在大采深,高地应力,厚煤层,大断面,沿空掘巷的条件下,支护强度必须提高。这就要求单根锚杆支护强度加大,支护效率提高。(3)锚杆变形让压性能为了防止锚杆承受超过极限载荷而破断,锚杆必须有一定的变形让压性能,同时要求这种变形让压必须是有“控制”的让压。让压性能对
7、顶板支护效果影响很大。合理的让压性能应该做到锚杆在一定吨位上稳定让压以保证巷道支护效果和防止锚杆杆体发生突然破断。因此,对于高应力、大变形巷道基本支护理念应该是:在一定的合理支护强度的条件下,支护系统在安装时必须对顶板施加足够的安装应力;同时锚杆本身必须有变形让压性能,通过让压,起到即保证巷道支护效果又保证锚杆不被破坏的效果。3 工程实践按照上述原则,四矿对己 15-23140 机巷进行了支护设计和施工。3.1 支护系统设计煤矿顶板是由不同层状岩体组合成的层状组合梁,为了使组合梁达到其最佳强度,应该设计合适的锚杆长度及锚杆系统的安装应力。达到最佳组合梁的锚杆设计应满足下列条件: 通过调整安装应
8、力,使锚杆支护系统应能够控制锚固范围内的顶板离层,这需要选择合理的锚杆类型和安装应力。 锚固系统应能够减少或消除顶板的应力。 锚杆应能够锚固在稳定的岩层中。 锚固系统应有足够的能力来控制顶板,并且在整个需要支护期间内不失效。经过数值分析,初步确定支护方案如下: 锚杆形式:高强高预应力可变形让压锚杆; 锚杆钢材:Q500 型高强螺纹钢; 锚杆参数:顶锚杆直径 20mm、长 2400mm;两帮锚杆直径 20mm、长 2400mm; 锚杆预应力:不小于 50kN; 表面支护:JDW2752.75mm 型高强 W 钢带。3.2 实验室实验为了保证井下施工的安全,在实验室内,无让压管锚杆和有让压管锚杆进
9、行了试验。试验结果表明,无让压管的锚杆会迅速达到其屈服载荷,而允许变形仅为 8mm,在掘进期间锚杆很可能发生塑性破坏,一旦发生塑性破坏,锚杆将失去其稳定支撑能力,微小的载荷或变形扰动会让此类锚杆发生破断;有让压管的锚杆在接近锚杆屈服前,锚杆迅速承受载荷,当载荷达到 160kN 左右时(锚杆实际屈服载荷为 175kN) ,让压管开始启动让压而锚杆仍然在弹性变形阶段,这样一方面保证锚杆在掘进期间不发生塑性破坏,另一方面保证巷道围岩在 160kN 工作阻力的作用下有控制让压,以保证围岩的稳定性。3.3 支护方案巷道顶板采用锚、带+锚索联合支护,锚杆为直径 20mm、长 2400mm 的 Q500 型
10、高强螺纹钢让压锚杆,锚杆间排距为 10001000(mm) ;钢带采用 JDW2752.75mm 型高强 W 钢带;锚索采用鸟巢锚索,锚索呈五花布置。巷道两帮采用锚、带支护,锚杆为直径 20mm、长 2400mm 的 Q500 型高强螺纹钢让压锚杆,上帮间排距为 9001000(mm) ,下帮间排距为 10001000(mm) ;钢带采用JDW2752.75mm 型高强 W 钢带。施工设计如图 1、图 2 所示。图 1 己 15-23140 机巷支护断面图图 2 己 15-23140 机巷锚杆、锚索布置平面示意图4 支护效果为了解己 1523140 机巷所受到的地压影响和锚杆锚索支护的支护工作
11、状态,掌握围岩的变形规律,确定巷道的支护效果,对顶帮锚杆压力进行监测。通过监测来验证设计的正确性,检验支护质量,同时为修改设计提供科学依据。顶板锚杆受力状况、顶、底板移近量、两帮锚杆受力状况、两帮移近量监测结果如下表所示。表 1523140 机巷压力和移近量监测数据压力/t 移近量/mm日期 距迎头距离/m 上帮 顶板 下帮 两帮 顶底3.23 0.5 7 10 7 7 133.26 19 14 29 9 14 233.28 27 14 28 10 20 403.30 41 15 27 11 36 514.3 41 15 26 11 41 644.6 60 15 26 11 45 724.10
12、 75 15 26 11 50 814.14 95 15 26 11 55 874.19 120 15 26 11 58 934.29 170 15 26 11 60 98监测结果表明,与原来支护检测结果对比,顶板移近量相比原支护减少了 44.2,底板移近量相比原支护减少了 65.4,两帮移近量相比原支护减少了 70,支护效果良好,巷道表面整齐。结 论 高强可变形让压锚杆+鸟巢锚索+W 钢带的支护质量和支护强度均达到了预期的设计要求。在施工过程中,巷道底臌量占整个顶底板移近量的 82%以上。在同一时间段内,巷道整体位移量较原支护方式减少了 55以上,支护效果明显。 采用高强可变形让压锚杆+鸟巢
13、锚索+W 钢带支护,每 m 巷道锚杆使用量较原支护方式减少了 47.3%,大大减少了施工作业量和支护成本,降低了劳动强度,提高了劳动效率。 检测数据表明高强可变形让压锚杆+鸟巢锚索+W 钢带支护可以有效控制围岩变形,在经济合理的条件下提高支护强度、表面质量和支护效果。 高强可变形让压锚杆+鸟巢锚索+W 钢带支护技术可以防止原支护方式导致稳定巷道“二次变形”现象。参考文献:1钱鸣高,刘听成.矿山压力及其控制M.北京:煤炭工业出版社,1989.2薛顺勋,聂光国.软岩巷道支护技术指南.北京:煤炭工业出版社,2002.作者简介 黄庆显 男,1965 年出生,毕业于平煤职工大学。现任平顶山煤业集团四矿开拓副总工程师,工程师。(收稿日期:2008-03-07;责任编辑:陈桂娥)