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。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 16m 左右。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。安全稳定圈( SF1 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 588kN 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 2058kN。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 140Nm 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。