高应力巷道强力锚杆支护理论技术研究——适合于神新公司各个地质条件复杂的矿区
高应力巷道强力锚杆支护理论技术研究
——适合于神新公司各个地质条件复杂的矿区
摘要：针对神华新疆能源公司乌东煤矿地质条件以及煤层赋存状况，受上分层采动压力影响以及矿山自生压力的显现，发现原有已掘巷道和现掘巷道存在较大的变形，出现顶板离层、下沉，底鼓，帮鼓甚至使得梯形棚子压弯曲等现象，我初步认为原有的支护不能从本质上解决巷道大范围变形问题，这种局面是被动的，只增加一次次的巷道维修费用，这不仅仅成本高，劳动强度大，费工费时，影响推进速度，最根本的是影响采掘正常接续。一方面不能充分发挥综合机械化采煤高产、高效、安全、低耗的优点;另一方面不能在同行业竞争下处于领先地位，更不能成为一体化运营具有国际竞争力、成为受人尊敬的国际化企业。见于此，根据深部开采与受强烈动压影响的两类高应力巷道的特点，在分析目前支护理论与技术存在问题的基础上，提出高预应力、强力支护理论，强调保持围岩完整性的重要性，以及锚杆预应力及其扩散对支护效果的决定性作用，并提出高应力巷道支护设计准则。开发研制强力锚杆与锚索支护材料，主要包括强力锚杆杆体和附件，强力钢带，以及强力锚索。大幅度提高锚杆与锚索支护材料的强度及预应力水平，真正实现了高强度与高刚度。将高预应力、强力锚杆支护系统成功应用于神新公司乌东煤矿深部巷道，对于受强力采动影响的与回采工作面对穿巷道，围岩变形与顶板离层得到有效控制，巷道支护状况发生了本质性变化。实践表明：高预应力、强力锚杆支护系统为高应力巷道提供了有效支护手段，是一种支护行之有效的办法，应广泛推广运用于神新公司各个地质条件恶化的矿区巷道。
1 前言
随着我矿开采深度、广度与强度的增加，出现了大量复杂困难巷道，如深部巷道、围岩松软破碎巷道、特大断面巷道、受强烈动压影响巷道等。其中深部巷道、受强烈动压影响巷道属于高应力巷道。前者主要是原岩应力高，后者是采动应力高，二者的组合将会导致更高的应力。
深部矿井自身重力场引起的垂直地应力明显增大，构造应力场复杂，地应力高。高地应力环境和煤岩体变形特征决定了深部矿井会遇到一系列动力灾害，包括冲击矿压、煤岩与瓦斯突出、瓦斯爆炸、矿井突水、矿压显现剧烈。在巷道方面，围岩变形大，出现底鼓、帮鼓、顶板离层下沉。破坏极其严重，造成前掘后修、多次翻修甚至冒顶片帮的被动局面，对深部矿井的安全、高效开采带来巨大威胁。
回采工作面巷道，以及与采掘工作面相邻的其他巷道，都不同程度地受到采动影响。受到强烈动压影响的巷道主要有以下类型：①与采煤工作面同穿巷道。一些矿井由于采掘接续紧张，在上一个工作面回采的同时，紧邻该工作面掘进下一个工作面巷道，出现采煤工作面与巷道同穿的局面，导致巷道不仅受到工作面超前支承压力的影响，同穿时的强烈动压影响，而且巷道长期处于尚未稳定的采空区边缘;下一个工作面回采时，还要经历一次采动影响。②二次动压影响煤柱护巷。在工作面多巷布置中，一些巷道以一定尺寸的煤柱与工作面隔开。在本工作面回采时，巷道经受工作面超前、采后动压影响的全过程;下一个工作面回采时，又要经历一次采动影响。当巷道受到两次甚至多次强烈采动影响时，巷道压力大、变形剧烈。
目前，高强度锚杆支护技术虽然在煤矿巷道中已得到大面积推广应用，在一般条件下已经取得良好的技术经济效益。但是在深部及受强烈采动影响的高应力巷道中，锚杆支护效果差，巷道围岩变形与破坏相当剧烈，阻止不了围岩的变形，仍然需要多次维修与翻修。不仅支护成本很高，掘进速度低，而且带来很多安全隐患，严重制约采煤工作面的快速推进和矿井产量和效益的提高。为此，特提出高应力巷道支护机理与技术的措施。
2高应力巷道支护机理分析
2.1 已有巷道支护理论分析
针对复杂困难巷道，已经提出多种支护理论，在煤矿联合支护理论与二次支护理论中得到较广泛的应用。
联合支护理论认为：对于复杂困难巷道，只追求提高支护体刚度难以有效控制围岩变形，要先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定支护。相应的支护型式有锚喷网支护、锚喷网+支架、锚梁网+支架等联合支护技术。但随着巷道条件越来越差，有些巷道采用联合支护并不有效，需要多次维修和翻修，围岩变形一直不能稳定。
二次支护理论认为：对于大变形巷道，一次支护很难有效控制围岩强烈变形，支护应分两次进行。一次支护在保持巷道稳定的前提下，允许围岩有一定的变形以释放压力;隔一段时间后实施二次支护，保持巷道的长期稳定。但是，这种理论目前已遇到了极大的挑战，在深部巷道、强烈动压影响巷道区、构造应力影响区、软岩破碎带等地点，采用二次支护后仍出现变形破坏等问题，甚至需要三次、四次支护，巷道周而复始的发生破坏，围岩变形长期得不到有效控制。分析二次支护存在的问题，一是二次支护的准确时间很难确定，过早或过晚均不利于围岩的稳定;二是即使确定出比较合理的二次支护时间，支护施工还是受到巷道空间、矿井生产接续安排等诸多方面的制约。如已有的巷道掘出后安装了设备，给二次支护施工带来很大困难;有的矿井由于生产安排紧张，延误了二次支护最佳时间。
为了解决上述问题，必须寻求新的支护理论与方法。
2.2高预应力、强力支护理论
针对高应力巷道围岩变形的流变性、扩容性和冲击性，提出高预应力、强力锚杆一次支护理论。
(1)巷道围岩变形主要包括两部分：一是结构面离层、滑动、裂隙张开及新裂纹产生等扩容变形，属于不连续变形;二是围岩的弹性变形、峰值强度之前的塑性变形、锚固区域整体变形，属于连续变形。由于结构面的强度一般比较低，因此开巷以后，不连续变形先于连续变形。合理的巷道支护形式是，大幅度提高支护系统的初期支护刚度与强度，有效控制围岩不连续变形，保持围岩的完整性，同时支护系统应具有足够的延伸率，允许巷道围岩有较大的连续变形，使高应力得以释放。
(2)预应力锚杆支护主要作用在于控制锚固区围岩的离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容变形，使围岩处于受压状态，抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破坏的出现，使围岩成为承载的主体。在锚固区内形成刚度较大的预应力承载结构，阻止锚固区围岩产生离层，同时改善围岩深部的应力分布状态。
(3)锚杆预应力及其扩散对支护效果起着决定性作用。根据巷道条件确定合理的预应力，并使预应力实现有效扩散是支护设计的关键。单根锚杆预应力的作用范围是很有限的。必须通过托板、钢带和金属网等构件将锚杆预应力扩散到离锚杆更远的围岩中。特别是对于巷道表面，即使施加很小的支护力，也会明显抑制围岩的变形与破坏，保持顶板的完整。锚杆托板、钢带与金属网等护表构件在预应力支护系统中发挥极其重要的作用。
(4)预应力锚杆支护系统存在临界支护刚度，即使锚固区不产生明显离层和拉应力区所需要支护系统提供的刚度。支护系统刚度小于临界支护刚度，围岩将长期处于变形与不稳定状态;相反，支护系统的刚度达到或超过临界支护刚度，围岩变形得到有效抑制，巷道处于长期稳定状态。支护刚度的关键影响因素是锚杆预应力。因此，存在锚杆临界预应力值。当锚杆预应力达到一定数值后，可以有效控制围岩变形与离层，而且锚杆受力变化不大。
(5)锚杆支护对巷道围岩的弹性变形、峰值强度之前的塑性变形、锚固区整体变形等连续变形控制作用不明显，要求支护系统应具有足够的延伸率，使围岩的连续变形得以释放。
(6)对于高应力巷道，应采用高预应力、强力锚杆组合支护，应尽量一次支护就能有效控制围岩变形与破坏，避免二次支护和巷道维修。
2.3锚杆支护形式和参数选择原则
针对高应力巷道条件，为了充分发挥锚杆主动支护作用，提出以下设计原则：
(1)一次支护原则。锚杆支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形，避免二次或多次支护，以及巷道维修。一方面，这是矿井实现高效、安全生产的要求，就回采巷道而言，要实现采煤工作面的快速推进，服务于回采的巷道应在使用期限内保持稳定，基本不需要维修;对于大巷和硐室等永久工程，更需要保持长期稳定，不能经常维修。另一方面，这是锚杆支护本身的作用原理决定的。巷道围岩一旦揭露立即进行锚杆支护效果最佳，而在已发生离层、破坏的围岩中安装锚杆，支护效果会受到显著影响。
(2)高预应力和预应力扩散原则。预应力是锚杆支护中的关键因素，是区别锚杆支护是被动支护还是主动支护的参数，只有高预应力的锚杆支护才是真正的主动支护，才能充分发挥锚杆支护的作用。一方面，要采取有效措施给锚杆施加较大的预应力;另一方面，通过托板、钢带等构件实现锚杆预应力的扩散，扩大预应力的作用范围，提高锚固体的整体刚度与完整性。
(3)“三高一低”原则。即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。在提高锚杆强度(如加大锚杆直径或提高杆体材料的强度)、刚度(提高锚杆预应力、加长或全长锚固)，保证支护系统可靠性的条件下，降低支护密度，减少单位面积上锚杆数量，提高掘进速度。
(4)临界支护刚度原则。锚杆支护系统存在临界支护刚度，如果支护刚度低于临界值，巷道将长期处于不稳定状态，围岩变形与破坏得不到有效控制。因此，设计锚杆支护系统的刚度应大于I临界值。
(5)相互匹配原则。锚杆各构件，包括托板、螺母、钢带等的参数与力学性能应相互匹配，锚杆与锚索的参数与力学性能应相互匹配，以最大限度地发挥锚杆支护的整体支护作用。
(6)可操作性原则。提供的锚杆支护设计应具有可操作性，有利于井下施工管理和掘进速度的提高。
(7)在保证巷道支护效果和安全程度，技术上可行、施工上可操作的条件下，做到经济合理，有利于降低巷道支护综合成本。
3 强力锚杆与锚索支护材料
在高预应力、强力支护理论的基础上，针对高应力巷道，开发研制了强力锚杆与锚索支护材料，主要包括强力锚杆杆体和附件，强力钢带，以及强力锚索。
3.1 强力锚杆杆体材料与附件
传统低强度锚杆支护材料已经无法满足高应力巷道支护的要求，必须开发研制新的支护材料。为了显著提高锚杆强度，开发出专用锚杆钢材。其中BHRB600型钢筋，屈服强度大于600MPa、破断强度大于800MPa。真正实现了高预应力与高强度。在显著提高锚杆杆体强度的同时，还必须保证杆体有较大的延伸率，以适应高应力巷道围岩变形。开发的直径22mm的BHRB500、BHRB600型锚杆钢筋，屈服力达228.1kN，破断力达304.1kN。分别是同直径建筑螺纹钢的1.79倍、1.63倍。强力锚杆预应力级别可超过100kN，其延伸率均不低于18%。此外，高预应力支护系统对锚杆结构、加工工艺与精度、锚杆受力状态等提出更高的要求。根据高应力巷道实际应用情况，将杆体的冲击吸收功加入到杆体必须检测的力学性能参数中，并对其数值进行了确定。除强力锚杆杆体外，还配套开发出高强度螺母、高强度拱形托板与球形垫圈，优选了减摩垫圈等附件。
3.2强力钢带
W型钢带作为一种性能优越的组合构件，已经得到普遍应用。根据我国煤矿井下巷道具体情况，制定了我国矿用W型钢带标准(MT/T 861---2000)。但是，在高应力巷道中，现有的W型钢带出现以下问题：①钢带较薄，强度与刚度小。巷道压力和变形大时，容易撕裂破坏;②钢带与锚杆强度、托板尺寸与强度不匹配，导致托板压人或压穿钢带，发生剪切破坏。
为了与强力锚杆配合，设计了厚度4～5mm的高强度、高刚度强力W钢带，其破断载荷高达400～500kN，刚度也大幅度提高，组合与护表能力大大增强;同时，对钢带与托板的匹配性进行了研究，解决了钢带撕裂和压穿等问题。
3.3强力锚索
小孔径树脂锚固预应力锚索已经在煤矿巷道中得到大面积推广应用，取得良好的支护加固效果。目前使用的小孔径树脂锚固锚索直径大多在15.2～17.8mm(表2)，使用过程中发现这种锚索有以下弊端：①索体直径偏小，与钻孔直径(28mm)不匹配，孑L径差过大，明显影响树脂锚固力，易出现锚固端滑动现象;②索体破断力小，在高地应力、受采动和地质构造影响的巷道中经常出现锚索拉断现象;③索体延伸率低，不能适应围岩的大变形;
④由于索体强度低，施加的预紧力也比较低，导致锚索预紧力作用范围小，控制围岩离层、滑动的作用差，当锚索比较长时尤为如此。
针对上述问题，开发了大直径、大吨位的锚索，一方面加大了锚索索体直径，从15.2mm增加到18mm、20mm，最大达22mm，其中直径20mm、22mm的锚索为强力锚索。不仅显著提高了索体的破断力，而且使索体直径与钻子L直径的配合更加合理;另一方面，改变了索体结构，索体采用了19根钢丝代替了原来的7根钢丝，结构更加合理，对受力更为有利。如22mm的强力锚索索体的破断力达到600kN，是西15.2mm的钢绞线破断力的2.3倍;索体延伸率接近7%，比15.2mm的钢绞线提高一倍。强力锚索为高应力巷道等复杂困难条件提供了有效支护加固手段。
4.2乌东矿区强烈动压影响巷道支护试验设想
根据实际情况，神新乌东矿由于采掘接续紧张，不得不在相邻工作面还没回采完毕，在工作面回采动压强烈影响区掘进巷道，致使巷道变形、破坏严重，围岩移近量高达900mm，严重影响了回采工作的正常进行，耗费了巨大的人力、物力和资金进行加固处理。普通锚杆支护在强烈动压条件下，支护效果差，不能有效控制围岩变形，保证巷道安全，必须寻求新的支护方式。为此，应在乌东矿进行了受强烈采动影响的与相邻回采工作面对穿巷道支护技术试验研究。与相邻回采工作面同穿的巷道，受N次动压影响、掘进与回采叠加影响，支护应尽量保持巷道围岩的完整性，避免出现明显的离层、节理与裂隙张开和新裂纹产生等扩容变形，导致围岩强度丧失过大，引起剧烈变形。为此，设计巷道采用高预应力、强力锚杆与锚索组合支护。
锚杆杆体为直径22ram的左旋无纵筋螺纹钢筋，屈服强度不小于600MPa，长度2.4m，树脂加长锚固。设计锚杆预紧力矩为500N·m，预紧力可达到80kN。采用w钢带与金属网护顶，钢带厚度4mm，宽280mm，长度3900mm。锚杆排距1000mm，每排5根锚杆，间距900mm。
锚索为直径18.9mm高强度低松弛预应力钢绞线，长度7300mm，树脂加长锚固锚索预紧力为200kN。锚索布置为：每2.0m打1根锚索，安设在顶板中部，垂直顶板岩层。
巷帮锚杆形式同顶板锚杆。采用W钢带与金属网护帮，钢带厚度4mm，宽280mm，长度3000mm。锚杆排距1000mm，每排每帮4根锚杆，间距900mm。
设想表明，高预应力、强力锚杆与锚索支护系统能有效控制受强烈采动影响的对穿巷道围岩强烈变形。巷道两帮收敛量可控制在300mm以内，顶板离层量可控制在50mm以内。巷道围岩完整、稳定，支护状况与原支护发生了本质的改变。
同时，锚杆预应力的显著提高，使得掘进工作面空顶范围内顶板的完整性与稳定性显著提高，大大降低了掘进期间冒顶、片帮的可能性，从而大幅度减少了化学注浆等超前加固的使用范围与用量，节约了支护成本，提高了掘进速度。此外，大幅度提高顶板锚杆的预应力和支护系统的刚度，不仅能有效控制顶板离层，而且可使作用在两帮的垂直应力向深部转移，十分有利于巷帮维护与底臌控制。
5 结论
(1)高应力巷道合理的巷道支护形式是，大幅度提高支护系统的初期支护刚度与强度，有效控制结构面离层、滑动、裂隙张开及新裂纹产生等不连续变形，保持围岩的完整性，同时支护系统应具有足够的延伸率，允许巷道围岩有较大的连续变形，使高应力得以释放。
(2)锚杆预应力及其扩散对支护效果起着决定性作用。根据巷道条件确定合理的预应力，并使预应力实现有效扩散是支护设计的关键。
(3)高预应力、强力锚杆支护系统能有效控制深井巷道围岩变形与顶板离层。巷道围岩变形量可降低70%一80%，顶板离层可以控制到原来的5%-10%，甚至可达到近零离层。巷道支护状况发生了本质性变化。
(4)高预应力、强力锚杆支护系统实现了高刚度、高强度、高可靠性与低支护密度的“三高一低”支护设计理念，克服了以往单根锚杆支护能力低而布置密度过大、锚杆安设作业时间过长的难题，显著提高了锚杆支护巷道掘进速度和工效。
(5)受强烈采动影响的对穿巷道支护技术的解决，极大地提高了巷道布置在时间与空间上的随意性，对缓解煤矿采掘接续紧张的局面具有重要意义。
