A070201煤礦深部巷道錨桿支護(hù)理論與技術(shù)研究新進(jìn)展

1、煤礦深部巷道錨桿支護(hù)理論與技術(shù)研究新進(jìn)展康紅普煤炭科學(xué)研究總院北京開(kāi)采研究所，北京 100013摘 要 針對(duì)我國(guó)深部高地壓巷道圍巖條件的特殊性與復(fù)雜性，巷道支護(hù)存在的問(wèn)題，分析高 地壓巷道圍巖變形與破壞機(jī)理，支護(hù)系統(tǒng)控制圍巖變形的作用。介紹適用于深部巷道圍巖的地 質(zhì)力學(xué)快速測(cè)試系統(tǒng)，包括地應(yīng)力測(cè)量、圍巖強(qiáng)度原位測(cè)試及圍巖結(jié)構(gòu)觀(guān)察；高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力 錨桿支護(hù)系統(tǒng)，包括高沖擊韌性強(qiáng)力錨桿，大噸位、大延伸率單體錨索，高剛度鋼帶；最后，介紹高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)在新汶礦區(qū)和金川饃礦的應(yīng)用情況，通過(guò)分析礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),評(píng)價(jià)支護(hù)效果和圍巖穩(wěn)定性。實(shí)踐表明，高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)是比較適合深部巷道的有效

2、支護(hù)形式。關(guān)鍵詞深部巷道強(qiáng)力錨桿支護(hù)研究進(jìn)展應(yīng)用1引言煤炭資源開(kāi)發(fā)由淺部向深部發(fā)展是客觀(guān)的必然規(guī)律，也是世界上許多產(chǎn)煤國(guó)家所面臨的共同問(wèn)題。我國(guó)煤礦開(kāi)采深度以 8-12m/年的速度增加。國(guó)有大中型煤礦平均開(kāi)采深度已達(dá)到400m以上，開(kāi)采深度超過(guò)600m的有117處煤礦，有10余處煤礦開(kāi)采深度超過(guò) 1000m,最深達(dá)到1300mo隨著煤炭科學(xué)技術(shù)進(jìn) 步，礦山現(xiàn)代化促進(jìn)了生產(chǎn)的高產(chǎn)高效，進(jìn)一步加速礦井深度的增加。淺礦井?dāng)?shù)目大為減少，中深礦井 數(shù)目明顯增加，深礦井將成倍增加，并將出現(xiàn)更多的特深礦井。預(yù)計(jì)在未來(lái)20年我國(guó)很多煤礦將進(jìn)入到 1000-1500m的開(kāi)采深度。深部開(kāi)采引起高地壓、高地溫、高巖

3、溶水壓和強(qiáng)烈的開(kāi)采擾動(dòng)影響。深部礦井重力引起的垂直應(yīng)力 明顯增大，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜，地應(yīng)力高；礦井開(kāi)采深度越大，地溫越高，同時(shí)由于熱脹冷縮，溫度變化 會(huì)引起地應(yīng)力變化；地應(yīng)力與地溫升高，巖溶水壓升高，礦井突水嚴(yán)重。此外，在高地應(yīng)力作用下，開(kāi) 采擾動(dòng)影響強(qiáng)烈，圍巖破壞嚴(yán)重。在高地應(yīng)力環(huán)境下，煤巖體的變形特性發(fā)生了根本變化：由淺部的脆性向深部的塑性轉(zhuǎn)化；高地應(yīng) 力作用下，煤巖體具有較強(qiáng)的時(shí)間效應(yīng)，表現(xiàn)為明顯的流變或蠕變；煤巖體的擴(kuò)容現(xiàn)象突出，表現(xiàn)為大 偏應(yīng)力下煤巖體內(nèi)部節(jié)理、裂隙、裂紋張開(kāi)，出現(xiàn)新裂紋導(dǎo)致煤巖體積增大，擴(kuò)容膨脹；煤巖體變形的 沖擊性，表現(xiàn)為變形不是連續(xù)的、逐漸變化的，而是突然劇烈增加

4、。高地應(yīng)力環(huán)境和煤巖體變形特征決 定了深部礦井會(huì)遇到一系列動(dòng)力災(zāi)害，包括沖擊礦壓、煤巖與瓦斯突出、瓦斯爆炸、礦井突水、礦壓顯 現(xiàn)劇烈、巷道圍巖大變形、冒頂片幫等災(zāi)害，對(duì)深部礦井的安全、高效開(kāi)采帶來(lái)巨大威脅。上述災(zāi)害主 要發(fā)生在巷道，可以說(shuō)，深部開(kāi)采首要的、關(guān)鍵的技術(shù)是巷道支護(hù)。而目前一般的巷道支護(hù)技術(shù)、支護(hù) 材料與設(shè)備無(wú)法滿(mǎn)足高地壓巷道支護(hù)的要求。因此，在深入研究高地壓巷道支護(hù)理論的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)研 制支護(hù)材料與配套設(shè)備，為深部煤炭資源開(kāi)采提供技術(shù)支持具有非常重要的意義。2國(guó)內(nèi)外技術(shù)狀況國(guó)外對(duì)深部礦井涉及的相關(guān)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)與研究從上世紀(jì)80年代就開(kāi)始了。如1983年，前蘇聯(lián)學(xué)者就提出超過(guò)1600m

5、的深礦井開(kāi)采進(jìn)行專(zhuān)題研究；當(dāng)時(shí)的西德還建立了特大模擬試驗(yàn)臺(tái)，專(zhuān)門(mén)針對(duì)1600m深礦井的三維礦壓?jiǎn)栴}進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究。1989年國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)在法國(guó)專(zhuān)門(mén)召開(kāi)了“深部巖石力學(xué)”國(guó)際會(huì)議。近20多年來(lái)，美國(guó)、加拿大、澳大利亞、南非、波蘭等有深井開(kāi)采的國(guó)家相繼開(kāi)展了深部開(kāi) 采與支護(hù)研究。加拿大聯(lián)邦和省政府及采礦工業(yè)部門(mén)合作開(kāi)展了為期10年的深井研究計(jì)劃，在沖擊地壓潛在區(qū)的支護(hù)技術(shù)和沖擊礦壓危險(xiǎn)性評(píng)估等方面進(jìn)行了卓有成效的研究工作；南非政府、大學(xué)與工業(yè)部 門(mén)合作，從1998年啟動(dòng)“ Deep Mine”研究計(jì)劃，旨在研究解決深部金礦安全、開(kāi)采需要的關(guān)鍵技術(shù)。 總之，國(guó)外學(xué)者在深部圍巖大變形機(jī)理、圍巖支

6、護(hù)與加固技術(shù)、圍巖應(yīng)力控制技術(shù)、沖擊地壓預(yù)測(cè)與防 治技術(shù)等方面做了大量工作，取得可喜成績(jī)。近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，對(duì)深部開(kāi)采遇到的問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究 與試驗(yàn)。在高地壓巷道圍巖控制技術(shù)、沖擊礦壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)與防治技術(shù)等方面，煤炭科學(xué)研究總院北京開(kāi) 采研究所、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、中南大學(xué)、東北大學(xué)、重慶大學(xué)及北京科技大學(xué)等單位進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研 究，積累了較為豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。如北京開(kāi)采研究所進(jìn)行的“沖擊地壓礦井巷道錨桿支護(hù)技術(shù)研究”， 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)開(kāi)展的“深部煤礦開(kāi)采中災(zāi)害預(yù)測(cè)與防治研究”，以及中南大學(xué)開(kāi)展的“千米深井巖爆發(fā) 生機(jī)理與控制技術(shù)研究”等項(xiàng)目，都做了許多有益的工作。綜

7、合國(guó)內(nèi)外在高地壓巷道支護(hù)技術(shù)研究方面取得的成果，歸納為以下幾方面：提出了多種高地壓巷道支護(hù)理論，包括新奧法支護(hù)理論的改進(jìn)與完善、松動(dòng)圈支護(hù)理論、二次 支護(hù)理論、聯(lián)合支護(hù)理論等，這些支護(hù)理論在不同時(shí)期與不同條件下對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐起到積極的指導(dǎo)作用。在高地壓巷道圍巖控制技術(shù)方面，有錨噴支護(hù)、U型鋼可縮性支架支護(hù)、注漿加固、聯(lián)合支護(hù)及卸壓技術(shù)等多種形式。這些支護(hù)形式在高地應(yīng)力、破碎圍巖巷道中得到應(yīng)用，取得一定的支護(hù)效果。高強(qiáng)度錨桿、錨索支護(hù)技術(shù)得到大面積推廣應(yīng)用，基本形成了包括地質(zhì)力學(xué)測(cè)試、支護(hù)設(shè)計(jì)、 支護(hù)材料、施工機(jī)具與工藝、工程質(zhì)量檢測(cè)與礦壓監(jiān)測(cè)在內(nèi)的錨桿支護(hù)成套技術(shù)，成為巷道支護(hù)的主要 形式。高地壓

8、巷道支護(hù)研究初步成果，還遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足高地壓巷道圍巖控制的要求。歸納起來(lái)，還存在以下 問(wèn)題：(1)盡管提出了多種巷道支護(hù)理論，但任何一種理論都有缺陷，不能全面解釋高地壓巷道圍巖變形與破壞的機(jī)理，還缺乏高應(yīng)力環(huán)境下圍巖與支護(hù)體相互作用機(jī)理全面、系統(tǒng)的研究。目前，國(guó)內(nèi)大部分 高地壓巷道采用二次支護(hù)理論，即巷道支護(hù)分兩次進(jìn)行，一次支護(hù)在保持巷道穩(wěn)定的前提下，允許巷道 有一定的變形以釋放壓力；隔一定時(shí)間后實(shí)施二次支護(hù)，保持巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。但是，這種理論目前已 遇到了極大的挑戰(zhàn)，在深部動(dòng)壓影響區(qū)、構(gòu)造壓力帶、軟巖破碎帶等地點(diǎn)，采用二次支護(hù)后仍出現(xiàn)變形 破壞等問(wèn)題，甚至需要三次、四次支護(hù)，巷道周而復(fù)始的發(fā)生破

9、壞，圍巖變形長(zhǎng)期得不到有效控制。(2)雖然目前有多種巷道支護(hù)形式，但各種支護(hù)形式都存在不足。對(duì)于高地壓巷道，還缺乏有效的 支護(hù)方法，導(dǎo)致巷道變形與破壞劇烈，需要多次維修與翻修。不僅支護(hù)成本很高，掘進(jìn)速度低，而且?guī)?來(lái)很多安全隱患，嚴(yán)重制約采煤工作面的快速推進(jìn)和礦井產(chǎn)量和效益的提高。(3)高強(qiáng)度錨桿、錨索支護(hù)技術(shù)在一般條件下支護(hù)效果良好，綜合效益顯著。但在高地壓巷道中， 出現(xiàn)了一系列問(wèn)題：錨桿預(yù)應(yīng)力過(guò)低，強(qiáng)度不足，抗沖擊性能差，造成錨桿拉斷或整體失效，甚至錨桿 尾部被彈射出去等破壞現(xiàn)象；錨索直徑小、強(qiáng)度低、延伸率低，與鉆孔匹配性差，經(jīng)常出現(xiàn)錨索被拉斷 或整體滑動(dòng)；鋼帶強(qiáng)度和剛度小，容易撕裂和拉斷

10、，護(hù)頂效果差。上述現(xiàn)象嚴(yán)重影響了巷道支護(hù)效果和 安全程度。(4)由于錨桿、錨索強(qiáng)度和剛度偏低，導(dǎo)致單位面積上錨桿、錨索數(shù)多，間排距小，支護(hù)密度大， 嚴(yán)重影響巷道掘進(jìn)速度，造成采掘接續(xù)緊張。綜上所述，高地壓巷道支護(hù)問(wèn)題，已經(jīng)成為制約深部煤炭資源安全、高效開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。如 果支護(hù)問(wèn)題得不到有效解決，大量深部煤炭資源無(wú)法開(kāi)采，礦井的安全狀況將會(huì)進(jìn)一步惡化，煤礦的產(chǎn) 量與效益受到嚴(yán)重影響，煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展無(wú)法實(shí)現(xiàn)。3深部巷道錨桿支護(hù)的作用分析傳統(tǒng)的錨桿支護(hù)理論有懸吊、組合梁、加固拱等理論。本文在井下實(shí)測(cè)、數(shù)值計(jì)算等研究成果的基 礎(chǔ)上，針對(duì)深部巷道圍巖變形的流變性、擴(kuò)容性和沖擊性，分析深部巷道

11、錨桿支護(hù)的作用：(1)錨桿可不同程度地提高錨固區(qū)煤巖體強(qiáng)度、彈性模量、凝聚力和內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)。如錨桿 對(duì)煤巖體凝聚力的影響可用下式表示：4.3 Scos(45 2) 式中：c-有錨桿巖體凝聚力； c0-無(wú)錨桿凝聚力； n-錨桿數(shù)； bs-錨桿屈服強(qiáng)度； d-錨桿直徑； S-面積； 4 -內(nèi)摩擦角。由上式可知，對(duì)于中等強(qiáng)度以上巖石，錨桿對(duì)巖石破壞前的強(qiáng)度和變形影響不大；對(duì)于強(qiáng)度較低的 煤體，錨桿在煤體破壞前對(duì)其強(qiáng)度有較明顯的影響。錨桿的主要作用是改善發(fā)生塑性變形和破碎煤巖的 力學(xué)性質(zhì)，顯著提高其屈服后強(qiáng)度，改變屈服后煤巖變形特性。(2)錨桿對(duì)節(jié)理、層理、裂隙等不連續(xù)面的本質(zhì)作用在于：通過(guò)錨桿

12、提供的軸向力與切向力，提高 不連續(xù)面的抗剪強(qiáng)度，阻止不連續(xù)面產(chǎn)生離層與滑動(dòng)。通過(guò)提高結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度，提高節(jié)理煤巖體的整體 強(qiáng)度、完整性與穩(wěn)定性。(3)通過(guò)錨桿給圍巖施加一定的壓應(yīng)力，可以改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)。對(duì)于受拉區(qū)域，可抵消部分拉應(yīng) 力，提高圍巖抗拉能力；對(duì)于受剪區(qū)域，通過(guò)壓應(yīng)力產(chǎn)生的摩擦力，提高圍巖的抗剪能力。(4)在深部巷道中，錨桿支護(hù)主要作用在于控制錨固區(qū)圍巖的離層、滑動(dòng)、張開(kāi)裂隙等擴(kuò)容變形與 破壞，在錨固區(qū)內(nèi)形成次生承載層，最大限度地保持錨固區(qū)圍巖的完整性，避免圍巖有害變形的出現(xiàn)， 提高錨固區(qū)圍巖的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。(5)在沖擊礦壓巷道中，錨桿支護(hù)可改善錨固區(qū)煤巖體的沖擊傾向性指標(biāo)；通過(guò)

13、保持錨固區(qū)圍巖的 完整性，提高圍巖承載能力，使巷道圍巖應(yīng)力分布趨于均勻化，同時(shí)提高了對(duì)深部圍巖的約束能力?；?于上述作用，錨桿支護(hù)對(duì)沖擊礦壓有較好的控制作用，能降低沖擊礦壓的程度。(6)在深部巷道中，應(yīng)采用高強(qiáng)度、高剛度錨桿組合支護(hù)系統(tǒng)，同時(shí)要求錨桿有一定的延伸率。高 強(qiáng)度要求錨桿具有較大的破斷力，高剛度要求錨桿具有較大的預(yù)緊力并實(shí)施加長(zhǎng)或全長(zhǎng)錨固，組合支護(hù) 要求采用鋼帶、金屬網(wǎng)等護(hù)表構(gòu)件。應(yīng)盡量一次支護(hù)有效控制圍巖變形，避免二次支護(hù)和巷道維修。(7)錨索的作用主要是將錨桿支護(hù)形成的次生承載層與深部圍巖相連，充分調(diào)動(dòng)深部圍巖的承載能 力，使更大范圍內(nèi)的巖體共同承載，提高支護(hù)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。4

14、巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試圍巖是巷道支護(hù)對(duì)象，地質(zhì)力學(xué)參數(shù)是巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。一切與圍巖有關(guān)的工作，如巷道布置、巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，采煤方法設(shè)備的選型等，都離不開(kāi)對(duì)圍巖地質(zhì)力學(xué)特征的充分了解。對(duì)于深部巷道，最大的特點(diǎn)是巷道埋深增加，導(dǎo)致地應(yīng)力高、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜，圍巖強(qiáng)度和變形特征發(fā)生明顯變化。因此，在深部礦井中進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測(cè)試顯得更為重要。為了快速、準(zhǔn)確測(cè)定地質(zhì)力學(xué)參數(shù)(包括井下地應(yīng)力測(cè)量、巷道圍巖強(qiáng)度測(cè)定、圍巖結(jié)構(gòu)觀(guān)察)，可采用巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)快速測(cè)試系統(tǒng)。4.1 地應(yīng)力測(cè)量地應(yīng)力測(cè)量方法有多種類(lèi)型，常用的有應(yīng)力解除法與水壓致裂法。地質(zhì)力學(xué)快速測(cè)試系統(tǒng)中采用了 水壓致裂法。該法有以下優(yōu)點(diǎn)：能測(cè)量較

15、深處的絕對(duì)應(yīng)力狀態(tài)；直接測(cè)量，無(wú)需了解和測(cè)定巖石的彈性模量；測(cè)量應(yīng)力空間范圍較大，受局部因素影響??；不需要套芯工序，可利用其它工程的勘探孔進(jìn)行壓 裂。地應(yīng)力測(cè)量?jī)x器為自行開(kāi)發(fā)的SYY-56型水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量裝置。 采用小孔徑鉆孔(56mm ,最 大測(cè)量深度為 30m,可在井下進(jìn)行快速、大面積地應(yīng)力測(cè)量。同一鉆孔還可以用于巷道圍巖強(qiáng)度測(cè)量。如圖1,該儀器由分隔器、印模器、定位器、手動(dòng)泵、儲(chǔ)能器、隔爆油泵及記錄儀等部件組成。圖i水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量示意圖4.2 巷道圍巖強(qiáng)度測(cè)試采用 WQCZ-5鉀圍巖強(qiáng)度測(cè)定裝置進(jìn)行井下圍巖強(qiáng)度測(cè)試（圖2）。該儀器由圍巖強(qiáng)度測(cè)定儀、探頭、手搖泵、高壓管、延長(zhǎng)桿等部

16、件組成。探頭直徑54 mmx測(cè)量深度30項(xiàng)非常適合井下快速測(cè)量。圖2巷道圍巖強(qiáng)度測(cè)量示意圖巖體強(qiáng)度的測(cè)定在井下巷道圍巖鉆孔中進(jìn)行。探頭內(nèi)的活塞在高壓油的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生移動(dòng)，使端部頂 針壓向鉆孔孔壁。根據(jù)頂針壓破鉆孔孔壁的臨界壓力，經(jīng)過(guò)計(jì)算，便可得到該點(diǎn)的巖體單軸抗壓強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)30余組巖石試樣同時(shí)用圍巖強(qiáng)度測(cè)定裝置及實(shí)驗(yàn)室壓力機(jī)作了巖石單軸抗壓強(qiáng)度的對(duì)比試 驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明，巖石單軸抗壓強(qiáng)度R與圍巖強(qiáng)度測(cè)定裝置臨界破壞壓力Pm呈強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，可用下式描述：R c=ki PnPm4 20MPaRc=k2+k3 10gpm Pn> 20MPa（2）式中：R巖體單軸抗壓強(qiáng)度，MPaPn一臨界破壞壓力

17、，MPak i、k2、k3一系數(shù)。為了測(cè)定整個(gè)鉆孔長(zhǎng)度上巖層的抗壓強(qiáng)度，每隔200300mma一個(gè)測(cè)試剖面。4.3 巷道圍巖結(jié)構(gòu)觀(guān)察巷道圍巖結(jié)構(gòu)觀(guān)察采用KDVJ-400型礦用電子鉆孔窺視儀（圖 3）,由CCDg像頭、圖像接收與存儲(chǔ)裝置、安裝桿等組成。儀器由攝像頭在鉆孔中接受圖像，通過(guò)接收儀直接觀(guān)察、記錄圖像，并可與計(jì)算 機(jī)連接，分析和處理圖像，能直觀(guān)、清晰地反映巷道圍巖的結(jié)構(gòu)情況?？筛Q視鉆孔的最小直徑為28mm長(zhǎng)度為30m,分辨率為0.1mmb圖4是井下巷道頂煤鉆孔的窺視結(jié)果，可清楚地觀(guān)察到煤體中的節(jié)理、裂隙分布狀況，為分析結(jié)構(gòu) 面的分布提高的直觀(guān)的依據(jù)。圖3 KDVJ-400型礦用電子鉆孔窺

18、視儀圖4圍巖結(jié)構(gòu)觀(guān)察結(jié)果5煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法與軟件5.1 動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法根據(jù)煤礦巷道的特點(diǎn)，提出錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法。動(dòng)態(tài)信息法具有兩大特點(diǎn)， 動(dòng)態(tài)性與信息性：其一，設(shè)計(jì)不是一次完成的，而是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程；其二，設(shè)計(jì)充分利用每個(gè)過(guò)程中提供的信息。該設(shè)計(jì) 方法包括五部分，即試驗(yàn)點(diǎn)調(diào)查和地質(zhì)力學(xué)評(píng)估、初始設(shè)計(jì)、井下監(jiān)測(cè)、信息反饋和修正設(shè)計(jì)。初始設(shè) 計(jì)采用數(shù)值計(jì)算法，目前應(yīng)用效果比較好的數(shù)值計(jì)算程序?yàn)橛邢薏罘周浖﨔LAC7和離散單元法軟件 UDEC根據(jù)錨桿支護(hù)擴(kuò)容一穩(wěn)定理論，確定支護(hù)參數(shù)選擇的原則為：(1)臨界支護(hù)強(qiáng)度剛度原則：錨桿支護(hù)強(qiáng)度與剛度不能低于臨界值，否則巷道將長(zhǎng)期處于不穩(wěn)定狀 態(tài)；(2

19、)高預(yù)緊力原則：錨桿應(yīng)施加較大的預(yù)緊力，達(dá)到桿體屈服載荷的30-50%;(3)錨桿錨索匹配原則：錨桿與錨索的力學(xué)性能應(yīng)相互匹配，保證支護(hù)整體效果；(4) “三高一低”原則：在高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性的前提下，降低支護(hù)密度。5.2 適合工程技術(shù)人員使用的設(shè)計(jì)軟件為了使錨桿支護(hù)初始設(shè)計(jì)既簡(jiǎn)單、方便，適合工程技術(shù)人員使用，又具有較高的科學(xué)性和合理性， 在大量示范巷道數(shù)值計(jì)算設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行提煉與簡(jiǎn)化，編制了適合現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員使用的設(shè)計(jì)軟 件。設(shè)計(jì)軟件由數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、咨詢(xún)系統(tǒng)、設(shè)計(jì)系統(tǒng)與繪圖系統(tǒng)組成，可根據(jù)巷道原始參數(shù)確定錨桿支護(hù) 設(shè)計(jì)，并繪制巷道支護(hù)布置圖。該軟件的應(yīng)用，顯著提高了支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性

20、和速度，大大減輕了工程 技術(shù)人員的設(shè)計(jì)工作量。6高強(qiáng)度樹(shù)脂錨桿與錨索支護(hù)材料錨桿支護(hù)材料包括錨桿桿體和附件、樹(shù)脂錨固劑、帶和小孔徑樹(shù)脂錨固錨索等。6.1 錨桿桿體材料傳統(tǒng)的低強(qiáng)度、低剛度錨桿支護(hù)材料已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足深部巷道支護(hù)的要求，必須開(kāi)發(fā)研制適用于高地應(yīng)力巷道的新的支護(hù)材料。為了大幅度提高錨桿強(qiáng)度，開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用錨桿鋼材配方，設(shè)計(jì)了3個(gè)級(jí)別的螺紋鋼筋，達(dá)到高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度級(jí)別，力學(xué)性能見(jiàn)表1。桿體形狀設(shè)計(jì)方面遵循合理孔徑差、有利于提高錨桿錨固力、桿體各個(gè)部位等強(qiáng)度三個(gè)原則。將桿體設(shè)計(jì)為左旋無(wú)縱肋螺紋鋼筋，確定桿體公稱(chēng)直徑為18-25mni桿尾螺紋段采用滾壓工藝加工。對(duì)于直徑22mm的BHRB60c

21、gi鋼筋，屈服力達(dá) 235.6kN ,破斷力達(dá)311.6kN ,是同直徑普通圓鋼的 2.64、2.16倍；對(duì)于直徑25mmW強(qiáng)力錨桿，屈服力達(dá) 300kN以 上，破斷力達(dá)400kN以上，真正實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度。表1錨桿桿體力學(xué)性能錨桿牌號(hào)直徑屈服載荷拉斷載荷伸長(zhǎng)率類(lèi)型(mm)(kN)(kN)(5)%低強(qiáng)度Q2351647.276.425BHRB40022152.0216.620高強(qiáng)度BHRB50022190.0250.820BHRB60022235.6311.618強(qiáng)力BHRB60025304.2402.3186.2 樹(shù)脂錨固劑在樹(shù)脂錨固劑配方改進(jìn)和生產(chǎn)技術(shù)方面做了大量工作，現(xiàn)已形成系列產(chǎn)品，主要性

22、能指標(biāo)均達(dá)到國(guó) 外先進(jìn)國(guó)家的要求。錨固劑尺寸有多種規(guī)格，從直徑劃分，常用的有23mm 28mm 35mm從長(zhǎng)度劃分，常用的有 300mm 350 mm, 500 mm, 600 mm等。6.3 W鋼帶鋼帶是煤巷錨桿支護(hù)中的重要組合構(gòu)件。W型鋼帶是利用帶鋼經(jīng)多組軋輻連續(xù)進(jìn)行冷彎、滾壓成型的型鋼產(chǎn)品。由于帶鋼在冷彎成型過(guò)程中的硬化效應(yīng)，可明顯提高型鋼強(qiáng)度。冷彎成型出材率高(98%),與沖壓及熱軋型鋼相比，可節(jié)約鋼材1030%根據(jù)我國(guó)煤礦井下巷道的具體情況，制定了我國(guó)礦用W型鋼帶標(biāo)準(zhǔn)(MT/T861-2000 )。在井下使用時(shí)，可根據(jù)巷道的具體條件，選擇不同參數(shù)的W型鋼帶。為了與強(qiáng)力錨桿配合，又設(shè)計(jì)

23、了厚度5mm勺高強(qiáng)度、高剛度 W型鋼帶，其破斷載荷高達(dá) 500kN,同時(shí)，剛度也大幅度提高，組合與護(hù)表能力大大增強(qiáng)。6.4 小孔徑樹(shù)脂錨索針對(duì)煤巷特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了小孔徑樹(shù)脂錨固預(yù)應(yīng)力錨索加固技術(shù)。其最大特點(diǎn)是采用樹(shù)脂藥卷錨固，安 裝孔徑僅為28mm用普通單體錨桿機(jī)即可完成打孔、安裝。樹(shù)脂藥卷固化時(shí)間快，錨索能及時(shí)、快速承載。小孔徑錨索主要用在破碎、復(fù)合頂板巷道；放頂煤開(kāi)采沿煤層底板掘進(jìn)的煤頂巷道；軟弱和高地應(yīng)力巷道；以及大跨度開(kāi)切眼和巷道交叉點(diǎn)。其主要技術(shù)參數(shù)為：鉆孔直徑，28mm錨索直徑，15.24-22mm；索體破斷力，260-600kN。7應(yīng)用實(shí)例新汶礦區(qū)是我國(guó)是開(kāi)采深度最大的礦區(qū)之一，平均

24、開(kāi)采深度已達(dá)到900m多個(gè)礦井開(kāi)采深度超過(guò)1000m,最深達(dá)1300s它集中了采深大、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、礦井災(zāi)害性現(xiàn)象多重條件，使巷道支護(hù)極為困 難。目前，深部巖石巷道圍巖變形大、底鼓嚴(yán)重；煤巷維護(hù)困難，需要多次維修與翻修；沖擊地壓煤層 巷道支護(hù)問(wèn)題沒(méi)有得到解決。以往研究形成的錨網(wǎng)噴二次支護(hù)理論受到了挑戰(zhàn)，在深部動(dòng)壓影響區(qū)、構(gòu) 造壓力帶、軟巖破碎帶等地點(diǎn)，采用二次支護(hù)后仍出現(xiàn)大變形與破壞等問(wèn)題，需要三次甚至更多次的支 護(hù)，巷道維護(hù)費(fèi)用極高，而且圍巖變形長(zhǎng)期不能穩(wěn)定。為此，開(kāi)展了系統(tǒng)的深部巷道支護(hù)理論與技術(shù)研 究。7.1 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試在新汶?yún)f(xié)莊礦、孫村礦和華豐礦進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)量，測(cè)試結(jié)構(gòu)見(jiàn)表

25、2。表2新汶礦區(qū)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果序號(hào)礦井測(cè)量地點(diǎn)埋 7S /m垂直主應(yīng)力/MPa最大水平主應(yīng) 力/MPa最小水平主應(yīng) 力/MPa最大水平主應(yīng) 力方向1協(xié)莊1202W0風(fēng)巷79020.9432.3916.56N33.5° E21202E運(yùn)輸巷115030.4834.6017.89N12.5° E3-850二采中車(chē)場(chǎng)107128.3839.7720.64N39.7° E4孫村-1U5U四大巷128334.0031.9716.51N6.0 n W541120疏水巷98226.0233.1216.80N20.6° E62124軌道巷103427.4023.2212

26、.19N355 E7華豐-1100水平大春120031.8031.8022.80N3.0 E從表2的數(shù)據(jù)中看出，在 7個(gè)測(cè)點(diǎn)中，埋深超過(guò) 1000m的有5個(gè)，最深為1283m；最大水平主應(yīng)力 最大為39.77MPa,最小為23.22MPa； 7個(gè)測(cè)點(diǎn)中，最大水平主應(yīng)力不小于垂直應(yīng)力的測(cè)點(diǎn)有5個(gè)，占71.4%,最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值最大為1.55?？梢?jiàn)，新汶千米埋深巷道地應(yīng)力很高，而且水平應(yīng)力占協(xié)莊礦圍巖強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表 煤巖體強(qiáng)度比較低。明顯優(yōu)勢(shì)。3。砂質(zhì)頁(yè)巖的單軸抗壓強(qiáng)度在35-40MPa,煤層弓II度在12MPa左右,表3新汶?yún)f(xié)莊礦圍巖強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果累計(jì)厚厚度巖層平均強(qiáng)度度/m/m柱

27、狀(MPa9.103.5478.65.560.5640.55.000.3011.94.701.2036.13.500.7512.12.752.7534.6巖性中砂巖 砂質(zhì)泥巖 煤 砂質(zhì)頁(yè)巖 煤砂質(zhì)頁(yè)巖7.2 高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)試驗(yàn)(1)巷道地質(zhì)與生產(chǎn)條件針對(duì)高地應(yīng)力、軟巖巷道，進(jìn)行了高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)井下試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)為新汶?yún)f(xié)莊礦 1202E運(yùn)輸巷。該巷沿二煤頂板掘進(jìn)，煤層平均厚度2.4m,傾角20。26。直接頂為厚6.5m的砂質(zhì)頁(yè)巖，水平層理發(fā)育，破碎易冒落；直接底為粘土巖，遇水膨脹變軟，厚度00.5m；其下為厚2.2m的砂質(zhì)頁(yè)巖。巷道埋深 11501200mb原巖應(yīng)力測(cè)量結(jié)果表明：

28、最大水平主應(yīng)力為3540MPa垂直主應(yīng)力為 3032MPa巷道掘進(jìn)斷面 11.1m：全寬3.7m,全高3mb(2)錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)采用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算進(jìn)行了多方案比較，確定巷道支護(hù)形式為：高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿組合支護(hù)(錨桿支護(hù)布置如圖5)。錨桿為直徑25mm勺左旋無(wú)縱筋錨桿，長(zhǎng)度 2.4m,桿尾螺紋為 M27,極限破斷力400kN。樹(shù)脂加長(zhǎng)錨 固，預(yù)緊力矩達(dá)到 100kN。組合構(gòu)件為 WIW帶，鋼帶厚度 5mm寬280mm采用金屬經(jīng)緯網(wǎng)護(hù)頂、護(hù)幫。錨桿排距1.0m,每排12根錨桿，頂板錨桿間距 900mm上幫錨桿間距1100mm下幫間距800mm圖5錨桿支護(hù)布置圖(3)井下監(jiān)測(cè)與支護(hù)效果錨桿支護(hù)實(shí)施

29、于井下后，進(jìn)行了礦壓監(jiān)測(cè)。如表4,強(qiáng)力錨桿支護(hù)巷道頂?shù)装逡平繛?15mm兩幫移近量為55mm頂板離層為3mm分別比原錨桿支護(hù)巷道降低 83.5%、90.6%、96.1%,巷道變形降低幅度非常顯著?？梢?jiàn)，強(qiáng)力錨桿支護(hù)有效控制了深部巷道圍巖變形，實(shí)現(xiàn)了深部支護(hù)的突破。表4不同支護(hù)巷道圍巖變形量對(duì)比( mm錨桿形式頂?shù)装逡七M(jìn)量?jī)蓭鸵七M(jìn)量頂板離層普逋錨桿69858377強(qiáng)力錨桿115553降低值83.5%90.6%96.1%(1)深部巷道埋深大、地應(yīng)力高，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜，圍巖強(qiáng)度和變形特征發(fā)生明顯變化。圍巖變形 的流變性、擴(kuò)容性和沖擊性顯著，巷道支護(hù)困難。(2)在深部巷道中，錨桿支護(hù)主要作用在于控制錨固區(qū)圍巖的離層、滑動(dòng)、張開(kāi)裂隙等擴(kuò)容變形與 破壞，在錨固區(qū)內(nèi)形成次生承載層，最大限度地保持錨固區(qū)圍巖的完整性，避免圍巖有害變形的出現(xiàn)， 提高錨固區(qū)圍巖的整體強(qiáng)度