深井高应力区岩巷高抗剪锚杆耦合让压支护技术.doc

深井高应力区岩巷高抗剪锚杆耦合让压支护技术
安伯义
( 新汶矿业集团公司华丰煤矿，山东 泰安 271413)
摘 要 针对华丰煤矿特殊的地质采矿条件，确定巷道支护系统的各种参数及支护系统的合理工况点，研发了高抗剪锚杆、锚索耦合让压支护
系统，经在六水平矸石井车场通道应用，控制了巷道变形，取得了理想的支护效果。
关键词 高抗剪让压锚杆 高预应力耦合让压鸟窝锚索支护体系 高抗剪体材料
中图分类号 TD353
+
． 6 文献标识码 B
华丰煤矿 －1100m 水平地质条件具有埋藏深度大
于 1200m、围岩应力高、岩层倾角大、具有软岩特性的
特点，为解决巷道支护问题，华丰矿进行了深井大倾角
高应力区岩巷高抗剪锚杆耦合让压支护技术研究应
用，保证了巷道的支护效果。
1 高应力区岩巷高抗剪锚杆耦合让压支护系统设计
1． 1 围岩—应力变形关系及支护系统合理工况点的
确定
1． 1． 1 围岩应力与变形曲线
根据华丰煤矿的采矿地质条件，用有限元数值模
拟方法得到围岩应力和变形特性曲线图，围岩应力和
变形特性曲线分为三个区:
A 区( 围岩弹性变形区) : 此区域内，围岩处于弹性
变形阶段，围岩保持完好、变形小。在此区域内增加支
护强度不能明显改善围岩变形。为了经济合理地支护
巷道，支护体的工况点应设在低位( 105t/m) ，锚杆支护
系统最小让压距离为 35mm。
B 区( 围岩弹塑性区) : 此区域内，围岩基本处于弹塑性变形阶段，围岩基本保持稳定，弹塑性变形区没有
超过锚杆的支护范围，锚杆系统仍然起到支护作用。
在此区域内，支护强度的微变将引起变形的剧烈增加。
C 区( 围岩破坏区) : 此区域内，围岩破坏，支护系
统承受破碎岩石的静载荷。随着破坏区域的增加，载
荷增加。对于锚杆支护，如果锚杆系统的支护范围小
于破坏范围，则锚杆系统受力将变为 0，彻底失去其支
护作用，锚杆支护系统将和围岩一起移动。
根据围岩应力和变形特性曲线研究，支护系统的
工况点确定如下:
最小支护强度: 105t/m;
巷道围岩位移: 35mm;
锚杆系统的允许变形: 35mm。
1． 1． 2 合理锚杆支护系统特性曲线设计—第四代锚
杆
锚杆特性曲线设计必须满足围岩应力变形特性曲
线的特点。根据华丰煤矿围岩应力特性曲线，锚杆体
设计了耦合变形让压装置，耦合让压锚杆比普通高强
锚杆保证了锚杆的工况点在弹性范围之内、锚杆强度
让压安全系数大。
1． 2 高抗剪锚杆、锚索耦合让压支护系统研究
1． 2． 1 支护系统耦合设计
锚杆和锚索是由不同性质的金属材料制造而成，
2) 矸石充填开采
二采区浅部实施矸石充填的 2202 东、2202 西、
2403 东工作面，地面最大下沉值为 343mm; 充填工作
面最大下沉值小于方案设计值。
( 3) 螺旋钻开采
实施螺旋钻采煤工艺的 2404 东、西钻采面及
1704、1705 钻采面其上方地表相对应观测线最大下沉
值为: 10mm。
( 4) 煤层气化
实施煤层气化工艺的 3203、3403 气化工作面其上
方地表相对应观测线最大下沉值为: 35mm。
上述实施多元化开采区域内，汶河大桥及地面各
类繁杂密集建筑物均能保证安全使用，地面建( 构) 筑
物均未出现任何斑裂损坏现象，解决了长期困扰煤矿
企业的工农关系紧张问题3． 2 多元化开采实施后的经济效益
通过开采方案实施，盘活并回收煤炭资源 144． 2
万 t，可获得效益 14400 万元。同时，地面建( 构) 筑物
仅出现轻微的Ⅰ级采动影响，为矿井节省约 2537 万元
的修复赔偿资金; 两项共计: 14400 万元 + 2537 万元≈
16937 万元，取得了开采与保护共赢的效果。
4 结论
针对鄂庄煤矿上述三个采区 2、4、7、15 煤层实施
多元化的综合开采方案进行煤炭资源回收，经济上合
理，技术上可行。通过观测站的建立，求得了切合实际
的经验参数，既最大限度地延长了矿井服务年限，提高
了煤炭回收率，又保护了地面各类建( 构) 筑物，丰富
了“三下”开采技术，对今后类似地质赋存条件的“三
下”开采具有借鉴意义和推广价值。两者的延伸率差别很大，因此，必须采取耦合措施使锚
杆和锚索实现变形和载荷耦合协调，达到共同支护围
岩的目的。图 1 为耦合让压锚索整体结构( a) 和局部
结构( b) 。根据设计需要，锚索的耦合让压点、让压距
离可以调整达到与锚杆耦合。
图 1 耦合让压锚索
1． 2． 2 锚杆支护系统与支护参数研究设计
对于采深大、水平应力高、断面大、服务年限长的
大变形巷道，锚杆支护参数的设计应满足下列原则:
( 1) 锚杆的安装应力应能控制围岩早期变形; ( 2) 支护
强度与高地应力相适应，尤其是华丰煤矿试验巷道的
围岩水平应力高，提高支护体的抗剪强度; ( 3) 锚杆具
有控制让压耦合变形性能，保证每根锚杆受力均匀和
防止锚杆因过度载荷破断; ( 4) 合理有效的辅助支护
与锚杆支护系统形成一个整体，保障巷道支护的长期
有效性和稳定性，适应地质和采矿条件的变化。
1． 2． 2． 1 锚杆长度设计
根据实测数据，巷道顶板的莫尔库仑安全系数 SF
大于 1． 2 的范围被认为是安全的，SF 小于 1． 0 的范围
是不稳定范围，SF 在 1． 0 ～ 1． 2 之间，岩层稳定但不安
全。对于不稳定范围( SF 小于 1． 0) 需要对其支护控
制，而锚杆要锚固到安全稳定的岩层中。
对两帮来说，通常认为安全系数( SF) 大于 1． 0 的
区域是安全的，如果 SF 小于 1． 0 被认为是不安全的，
需要对巷道侧帮进行支护控制。
①破碎圈 ( SF ＜ 1) : 在巷道周围产生一个 SF 小
于 1 的破碎圈。破碎圈的最大深度在 1．6m 左右。
②稳定圈( 1 ＜ SF ＜ 1． 2 ) : 此区域安全系数在 1 ～
1． 2 之间，属于稳定圈。但考虑到巷道的长期稳定性，
此区域不属于安全圈，其最大深度达到 1． 8m 左右。
③安全稳定圈( SF≥1． 2) : 在安全系数大于 1． 2 的
范围内是安全稳定圈。为了锚固到松散破碎带以外的
稳定岩层中，锚杆的长度应在 2200 ～2400mm 之间。
锚杆长度确定: 根据围岩松散破碎圈分析，锚杆的
长度选为 2400mm，以保证至少 600mm 的锚杆锚固稳定岩石中。
1． 2． 2． 2 锚杆安装应力( 预应力)
华丰煤矿六水平矸石井车场通道锚杆的安装应力
为 58．8kN 时，可以形成最佳组合梁效果。
1． 2． 2． 3 锚杆耦合让压设计
保持锚杆杆体本身不变，利用耦合让压环进行让
压实现锚杆让压功能。让压均压环的参数设计如下:
让压点: 让压点的大小应保证锚杆在巷道掘进过
程中承受的总载荷小于锚杆的实际屈服极限，以保证
锚杆在掘进过程中不发生屈服破坏，同时为动压变形
留有充分的余地。根据锚杆实验室的实际拉拔实验，
所选锚杆的实际屈服载荷为 225． 4kN 左右，让压点设
计为 186． 2 ～205．8kN。
最大弹性让压距离: 根据围岩应力和变形特性曲
线，锚杆的工况点为: 支护强度大于 105t/m，让压变形
性能大于 35mm，锚杆弹性让压距离不小于 35mm。在
局部特殊高压力和大变形巷道，采用让压距离较大的
双泡让压环。
让压均压环必须稳定一致地达到设计标准。图 2
是根据实验散点做出的回归拟和曲线。
图 2 耦合让压环实验散点和回归拟和曲线
1． 2． 2． 4 设计及锚杆辅助部件
根据华丰煤矿安装机具、锚杆参数以及树脂类型
和用量等研发了阻尼螺母和阻尼螺母材料设计，阻尼
打开后，起到润滑作用，从而增加锚杆的安装载荷。华
丰煤矿阻尼螺母参数设计为 140N·m 的阻尼。
2 高抗剪锚杆耦合支护系统工业性试验
2008 年 11 月至 2010 年 5 月在华丰煤矿六水平矸
石井进行了井下锚杆性能测试及工业性应用，高抗剪
锚杆耦合让压支护系统支护效果良好，满足巷道设计
要求，有效解决了断锚杆现象，控制了巷道变形。
3 效果
高抗剪锚杆耦合支护系统增加了锚杆的间排距，减
少了支护材料消耗，巷道支护成本降低，提高巷道掘进速
度25%，实现巷道快速、安全、经济和可靠的掘进目标。为
深部矿井岩巷支护开采开辟了一条新的有效途径。