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)研究總院北京開采研究所，北京 100013摘 要 針對我國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)快速測試系統(tǒng)，包括地應(yīng)力測量、圍巖強(qiáng)度原位測試及圍巖結(jié)構(gòu)觀察；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)和金川鎳礦的應(yīng)用情況，通過分析礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，評價(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支護(hù)形

2、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 言煤炭資源開發(fā)由淺部向深部發(fā)展是客觀的必然規(guī)律，也是世界上許多產(chǎn)煤國家所面臨的共同問題。我國煤礦開采深度以8-12m/年的速度增加。國有大中型煤礦平均開采深度已達(dá)到400m以上，開采深度超過600m的有117處煤礦，有10余處煤礦開采深度超過1000m，最深達(dá)到1300m。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?dāng)?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20年我國很多煤礦將進(jìn)入到1000-1500m的開采深度。深部開采引起高地壓、高地溫、高巖溶水

3、壓和強(qiáng)烈的開采擾動(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)力場復(fù)雜，地應(yīng)力高；礦井開采深度越大，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，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。高地應(yīng)力環(huán)境和

4、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，對深部礦井的安全、高效開采帶來巨大威脅。上述災(zāi)害主要發(fā)生在巷道，可以說，深部開采首要的、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)備無法滿足高地壓巷道支護(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，開發(fā)研制支護(hù)材料與配套設(shè)備，為深部煤炭資源開采提供技術(shù)支持具有非常重要的意義。2 國內(nèi)外技術(shù)狀況國外對深部礦井涉及的相關(guān)問題的認(rèn)識(shí)與研究從上世紀(jì)80年代就開始了。如1983年，前蘇聯(lián)學(xué)者就提出對超過1600m的深礦井開采進(jìn)行專題研

5、究；當(dāng)時(shí)的西德還建立了特大模擬試驗(yàn)臺(tái)，專門針對1600m深礦井的三維礦壓問題進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究。1989年國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)在法國專門召開了“深部巖石力學(xué)”國際會(huì)議。近20多年來，美國、加拿大、澳大利亞、南非、波蘭等有深井開采的國家相繼開展了深部開采與支護(hù)研究。加拿大聯(lián)邦和省政府及采礦工業(yè)部門合作開展了為期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、開采需要的關(guān)鍵技術(shù)。總之，國外學(xué)者在深部圍巖大變形機(jī)理、圍巖支護(hù)與加固技術(shù)、圍巖應(yīng)力控制技術(shù)

6、、沖擊地壓預(yù)測與防治技術(shù)等方面做了大量工作，取得可喜成績。近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，對深部開采遇到的問題進(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)研究總院北京開采研究所、中國礦業(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”，中國礦業(yè)大學(xué)開展的“深部煤礦開采中災(zāi)害預(yù)測與防治研究”，以及中南大學(xué)開展的“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。綜合國內(nèi)外在高地壓巷道支護(hù)技術(shù)研究方面取得的

7、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)量檢測與礦壓監(jiān)測在內(nèi)的錨桿支護(hù)成套技術(shù)，成為巷道支護(hù)的主要形式。高地壓巷道支護(hù)研究初步成果，還遠(yuǎn)不能滿足高地壓巷

8、道圍巖控制的要求。歸納起來，還存在以下問題：(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)變形破壞等問題，甚至需要三次、四次支護(hù)，巷道周而復(fù)始的發(fā)生破壞，圍巖變形長期得不到有效控制。(2) 雖然目前有

9、多種巷道支護(hù)形式，但各種支護(hù)形式都存在不足。對于高地壓巷道，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)砗芏喟踩[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)了一系列問題：錨桿預(yù)應(yīng)力過低，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，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。

10、(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)問題，已經(jīng)成為制約深部煤炭資源安全、高效開采的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。如果支護(hù)問題得不到有效解決，大量深部煤炭資源無法開采，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、數(shù)值計(jì)算等研究成果的基礎(chǔ)上，針對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、

11、彈性模量、凝聚力和內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)。如錨桿對煤巖體凝聚力的影響可用下式表示： (1)式中：c-有錨桿巖體凝聚力；c0-無錨桿凝聚力；n-錨桿數(shù)；s-錨桿屈服強(qiáng)度；d-錨桿直徑；S-面積；-內(nèi)摩擦角。由上式可知，對于中等強(qiáng)度以上巖石，錨桿對巖石破壞前的強(qiáng)度和變形影響不大；對于強(qiáng)度較低的煤體，錨桿在煤體破壞前對其強(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) 錨桿對節(jié)理、層理、裂隙等不連續(xù)面的本質(zhì)作用在于：通過錨桿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)。通過提高結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度，提高節(jié)理

12、煤巖體的整體強(qiáng)度、完整性與穩(wěn)定性。(3) 通過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)。對于受拉區(qū)域，可抵消部分拉應(yīng)力，提高圍巖抗拉能力；對于受剪區(qū)域，通過壓應(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)提高了對深部圍巖的約束能力?；?/p>

13、上述作用，錨桿支護(hù)對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)施加長或全長錨固，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 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測試圍巖是巷道支護(hù)對象，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

14、支護(hù)設(shè)計(jì)，采煤方法設(shè)備的選型等，都離不開對圍巖地質(zhì)力學(xué)特征的充分了解。對于深部巷道，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)測試顯得更為重要。為了快速、準(zhǔn)確測定地質(zhì)力學(xué)參數(shù)（包括井下地應(yīng)力測量、巷道圍巖強(qiáng)度測定、圍巖結(jié)構(gòu)觀察），可采用巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)快速測試系統(tǒng)。4.1 地應(yīng)力測量地應(yīng)力測量方法有多種類型，常用的有應(yīng)力解除法與水壓致裂法。地質(zhì)力學(xué)快速測試系統(tǒng)中采用了水壓致裂法。該法有以下優(yōu)點(diǎn)： 能測量較深處的絕對應(yīng)力狀態(tài)； 直接測量，無需了解和測定巖石的彈性模量； 測量應(yīng)力空間范圍較大，受局部因素影響??；不需要套

15、芯工序，可利用其它工程的勘探孔進(jìn)行壓裂。地應(yīng)力測量儀器為自行開發(fā)的SYY-56型水壓致裂地應(yīng)力測量裝置。采用小孔徑鉆孔（f56mm），最大測量深度為30m，可在井下進(jìn)行快速、大面積地應(yīng)力測量。同一鉆孔還可以用于巷道圍巖強(qiáng)度測量。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1 水壓致裂地應(yīng)力測量示意圖4.2 巷道圍巖強(qiáng)度測試采用WQCZ-56型圍巖強(qiáng)度測定裝置進(jìn)行井下圍巖強(qiáng)度測試（圖2）。該儀器由圍巖強(qiáng)度測定儀、探頭、手搖泵、高壓管、延長桿等部件組成。探頭直徑f54 mm，測量深度30m，非常適合井下快速測量。圖2 巷道圍巖強(qiáng)度測量示意圖巖體強(qiáng)度的測定

16、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)過計(jì)算，便可得到該點(diǎn)的巖體單軸抗壓強(qiáng)度。通過對30余組巖石試樣同時(shí)用圍巖強(qiáng)度測定裝置及實(shí)驗(yàn)室壓力機(jī)作了巖石單軸抗壓強(qiáng)度的對比試驗(yàn)。測試結(jié)果表明，巖石單軸抗壓強(qiáng)度Rc與圍巖強(qiáng)度測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： Rc =k1 Pm Pm20MPa Rc =k2+k3 logPm Pm20MPa (2) 式中：Rc巖體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa； Pm臨界破壞壓力，MPa； k1、k2、k3系數(shù)。為了測定整個(gè)鉆孔長度上巖層的抗壓強(qiáng)度，每隔200300mm取一個(gè)測試剖

17、面。4.3 巷道圍巖結(jié)構(gòu)觀察巷道圍巖結(jié)構(gòu)觀察采用KDVJ-400型礦用電子鉆孔窺視儀（圖3），由CCD攝像頭、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，通過接收儀直接觀察、記錄圖像，并可與計(jì)算機(jī)連接，分析和處理圖像，能直觀、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，長度為30m，分辨率為。圖4是井下巷道頂煤鉆孔的窺視結(jié)果，可清楚地觀察到煤體中的節(jié)理、裂隙分布狀況，為分析結(jié)構(gòu)面的分布提高的直觀的依據(jù)。圖3 KDVJ-400型礦用電子鉆孔窺視儀圖4 圍巖結(jié)構(gòu)觀察結(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

18、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)過程；其二，設(shè)計(jì)充分利用每個(gè)過程中提供的信息。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)評估、初始設(shè)計(jì)、井下監(jiān)測、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，否則巷道將長期處于不穩(wěn)定狀態(tài)；(2) 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)

19、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)行提煉與簡化，編制了適合現(xiàn)場工程技術(shù)人員使用的設(shè)計(jì)軟件。設(shè)計(jì)軟件由數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、咨詢系統(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、樹脂錨固劑、W鋼

20、帶和小孔徑樹脂錨固錨索等。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)無法滿足深部巷道支護(hù)的要求，必須開發(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，開發(fā)了專用錨桿鋼材配方，設(shè)計(jì)了3個(gè)級別的螺紋鋼筋，達(dá)到高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度級別，力學(xué)性能見表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)為左旋無縱肋螺紋鋼筋，確定桿體公稱直徑為18-25mm，桿尾螺紋段采用滾壓工藝加工。對于直徑22mm的BHRB600型鋼筋，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；對于直徑25mm的強(qiáng)力

21、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)性能錨桿類型牌號(hào)直徑(mm)屈服載荷(kN)拉斷載荷(kN)伸長率(d5)%低強(qiáng)度Q2351625高強(qiáng)度BHRB4002220BHRB5002220BHRB6002218強(qiáng)力BHRB60025186.2 樹脂錨固劑在樹脂錨固劑配方改進(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，主要性能指標(biāo)均達(dá)到國外先進(jìn)國家的要求。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

22、構(gòu)件。W型鋼帶是利用帶鋼經(jīng)多組軋輥連續(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)我國煤礦井下巷道的具體情況，制定了我國礦用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)了厚度5mm的高強(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 小孔徑樹脂錨索針對煤巷特點(diǎn)，開發(fā)了小孔徑樹脂錨固預(yù)應(yīng)力錨索加固技術(shù)。其最大特點(diǎn)是采用樹脂藥卷錨固，安裝孔徑僅為

23、f28mm，用普通單體錨桿機(jī)即可完成打孔、安裝。樹脂藥卷固化時(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；以及大跨度開切眼和巷道交叉點(diǎn)。其主要技術(shù)參數(shù)為：鉆孔直徑，f28mm；錨索直徑，f-22mm；索體破斷力，260-600kN。7 應(yīng)用實(shí)例新汶礦區(qū)是我國是開采深度最大的礦區(qū)之一，平均開采深度已達(dá)到900m，多個(gè)礦井開采深度超過1000m，最深達(dá)1300m。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

24、巷道支護(hù)問題沒有得到解決。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，而且圍巖變形長期不能穩(wěn)定。為此，開展了系統(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)力測量，測試結(jié)構(gòu)見表2。表2 新汶礦區(qū)地應(yīng)力測量結(jié)果序號(hào)礦井測量地點(diǎn)埋深/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1202W回風(fēng)巷790°E21202E運(yùn)輸巷1150°E3-850二采中車場1

25、071°E4孫村-1050西大巷1283°W541120疏水巷982°E62124軌道巷1034°E7華豐-1100水平大巷1200°E從表2的數(shù)據(jù)中看出，在7個(gè)測點(diǎn)中，埋深超過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)測點(diǎn)中，最大水平主應(yīng)力不小于垂直應(yīng)力的測點(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?？梢姡裸肭茁裆钕锏赖貞?yīng)力很高，而且水平應(yīng)力占明顯優(yōu)勢。協(xié)莊礦圍巖強(qiáng)度測量結(jié)果見表3。砂質(zhì)頁巖的單軸抗壓強(qiáng)度在35-40MPa，煤層強(qiáng)度在12MPa左右，煤

26、巖體強(qiáng)度比較低。表3 新汶?yún)f(xié)莊礦圍巖強(qiáng)度測量結(jié)果巖性累計(jì)厚度/m厚度/m巖層柱狀平均強(qiáng)度（MPa）中砂巖砂質(zhì)泥巖煤砂質(zhì)頁巖煤砂質(zhì)頁巖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，傾角20°26°。直接頂為厚的砂質(zhì)頁巖，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；其下為厚的砂質(zhì)頁巖。巷道埋深11501200m。原巖應(yīng)力測量結(jié)果表明：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

27、2，全寬，全高3m。(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的左旋無縱筋錨桿，長度，桿尾螺紋為M27，極限破斷力400kN。樹脂加長錨固，預(yù)緊力矩達(dá)到100kN。組合構(gòu)件為W鋼帶，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，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)測與支護(hù)效果錨桿支護(hù)實(shí)施于井下后，進(jìn)行了礦壓監(jiān)測。 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

28、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。可見，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)巷道圍巖變形量對比（mm）錨桿形式頂?shù)装逡七M(jìn)量兩幫移進(jìn)量頂板離層普通錨桿69858377強(qiáng)力錨桿115553降低值83.5%90.6%96.1%結(jié) 語(1) 深部巷道埋深大、地應(yīng)力高，構(gòu)造應(yīng)力場復(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。(3) 深部巷道應(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