煤矿巷道锚杆支护技术及其发展

锚杆支护理论与技术及安全问题太原理工大学采矿工艺研究所康天合教授博士生导师2009-12主要内容1锚杆支护技术的发展2锚杆支护技术述评3锚杆支护构件的作用4锚杆支护设计方法5锚杆与锚索施工工艺6影响锚杆支护效果的关键因素分析7锚杆支护巷道冒顶成因及其对策8我国煤矿锚杆支护技术的进一步发展（展望）9一个矿井巷道锚杆支护设计与监测实例介绍1锚杆支护技术的发展1.1巷道支护的重要性巷道支护是煤矿安全生产的重要保证，我国煤矿以井工开采为主，需要在井下开掘大量巷道，而且80%以上是煤巷、半煤岩巷，或为松软破碎围岩巷，或为遇水软化膨胀围岩巷。确保巷道的安全、快速掘进，确保巷道使用期间的畅通、与围岩稳定，确保巷道的支护与维护成本较低等，是建设安全高效矿井的一项重要工作，具有重要意义。1.2巷道支护技术的发展煤矿巷道支护经历了木支护、砌碹支护、型钢支护到锚杆支护的漫长过程。国内外的实践证明，锚杆支护是巷道经济、有效的支护形式。1.3锚杆支护的优越性与棚式支架相比，锚杆支护具有显著的优越性。（1）可显著提高巷道支护效果锚杆与岩体粘结在一起，提高了岩体的整体性。对不稳定岩层起着悬吊作用。由于预紧力的作用，形成压缩岩梁，阻止了层状岩体的离层作用，增大了岩层间的摩擦力，与锚杆本身的抗剪作用一起，阻止岩层间产生相对滑动，提高了岩层的承载能力（纳鞋底）。改变了巷道表面岩体的受力状态，由二向受力状态转化为三向受力状态，提高了岩体的承载力。1锚杆支护技术的发展1.3锚杆支护的优越性（2）变“被动支护”为“主动支护”棚式支护等待围岩变形、破碎后支撑，承载。锚杆支护利用锚固剂、杆体、托板及各种构件或喷层，给围岩一定的支护强度，与围岩共同组成支护体系，并且随围岩变形，支护力不断增加。（3）减少巷道维修量锚杆支护能及时加固围岩，减少围岩变形，防止顶板早期离层和片帮。（4）简化工作面端头支护和超前支护。为采煤工作面的快速推进、产量与效益的提高创造良好条件。（5）提高掘进速度（6）消除安全隐患棚架与顶板煤层之间出现空隙，易造成煤自燃；大断面开切眼中安装、回撤棚架和工作面上下顺槽回撤支架时，易发生大面积冒落或伤亡事故。（7）降低支护成本采用锚杆支护，可以大量地节约钢材、木材等材料，降低支护成本。（8）减少工人的劳动强度（9）减少辅助运输量1锚杆支护技术的发展1.4我国煤矿巷道布置及围岩条件的变化趋势——迫切要求发展锚杆支护随着开采深度、强度与范围的增加，巷道布置及围岩出现了以下变化趋势：（1）岩巷向煤巷发展传统的巷道布置方式将开拓巷道和准备巷道布置在岩石中，虽然有利于巷道维护，但带来一系列问题：巷道掘进成本高，施工速度慢，增加了许多联络巷；掘进出现大量矸石，给矿井辅助运输造成极大压力。随着巷道支护技术的发展与支护水平的提高，岩巷布置已逐步转变为煤巷布置。特别是现代化矿井，岩巷占的比例已经很少。大量使用煤巷虽然增加了巷道支护难度，但带来了很多优点：显著降低了巷道掘进费用，大大提高了施工速度，缩短了矿井建设周期，巷道掘进出煤，增加了经济效益，减少了矸石排出量。锚杆支护利用锚固剂、杆体、托板及各种构件或喷层，给围岩一定的支护强度，与围岩共同组成支护体系，并且随围岩变形，支护力不断增加。（2）岩石顶板煤巷向煤层顶板巷道和全煤巷道发展综采放顶煤工作面要求回采巷道沿煤层底板掘进，巷道顶板是煤。随着综放开采技术的大面积推广，煤顶巷道所占的比重逐年增加。一般情况下，煤相对于岩石比较松软、破碎，显著增加了巷道支护难度。此外对于特厚煤层开采和急倾斜煤层水平分层开采等条件，不仅巷道顶板与两帮为煤层，有时底板也是煤层，属全煤巷道，支护难度进一步加大。（3）巷道从拱形断面向矩形断面发展拱形断面虽然能够改善巷道受力状态，有利于巷道支护，但拱形巷道施工工艺比较复杂，成巷速度低，有时还需要破坏顶板，出现矸石。对于回采巷道，拱形断面给回采工作面端头支护造成很大困难，阻碍工作面的正常推进。而矩形巷道，除巷道受力状况比拱形巷道差外，拱形巷道的缺陷基本都被克服。另外，在层状破碎顶板条件下，巷道两拱部的岩石不仅不能起到承载作用，还会成为支护的载荷。1锚杆支护技术的发展1.4我国煤矿巷道布置及围岩条件的变化趋势——迫切要求发展锚杆支护（4）巷道从小断面向大断面发展随着回采工作面设备的大型化，开采强度与产量的大幅度提高，为了保证正常的运输、通风及行人，要求的巷道断面越来越大。煤层大巷的跨度已经超过6m，断面超过25m2；回采巷道宽度也达5~6m，断面达15~20m2；开切眼跨度达到10m，断面超过40m2；井底换装硐室的宽与高均已达到10m，断面积为100m2。巷道断面积的增大，显著增加了支护难度。（5）由单巷布置向多巷发展回采工作面开采强度和产量越来越大，要求的运输、通风断面逐年增加。特别是高瓦斯矿井，往往单巷布置不能满足生产要求，出现了一个工作面布置3~5条，甚至更多巷道的多巷布置方式。多巷布置带来了煤柱留设、巷道受到二次甚至多次采动影响，增加了巷道维护的难度。（6）巷道埋深从浅部向深部发展我国煤矿开采深度以8~12m/a的速度增加。新汶、淄博、开滦、徐州等矿区的开采深度已超过1000m，出现了一批千米深井。煤炭开采技术的进步促进了高产高效矿井的发展，进一步加速了矿井深度的增加。预计在未来20年我国很多煤矿将进入1000m~1500m的开采深度。深部开采将带来一系列高地应力巷道支护难题，如冲击矿压、围岩大变形、强烈底鼓等浅部巷道没有的支护问题。1锚杆支护技术的发展1.4我国煤矿巷道布置及围岩条件的变化趋势——迫切要求发展锚杆支护（7）简单地质条件向复杂地质条件发展我国煤矿煤系地层中具有复杂地质条件的矿井分布十分广泛。北起黑龙江、内蒙古，南到广东、广西，东起山东、浙江，西到新疆、青海等广大辽阔的幅员内有复杂地质条件的矿井遍布全国各主要产煤省区，近半数的矿区存在地质条件复杂的矿井。随着我国新生代第三纪煤田的开采及老矿井采深的增加，复杂地质条件煤矿的数量和分布范围将会继续增加和扩大。复杂地质条件巷道围岩稳定性差、围岩变形和破坏严重，巷道维护十分困难。有的复杂地质条件矿井，每米巷道的支护费用已高达1~2万元，严重影响了煤矿的正常生产和经济效益的提高。1锚杆支护技术的发展1.5国外锚杆支护技术的发展100多年前，国外一些矿山就开始应用锚杆支护。英国在1872年就采用过金属锚杆，美国1900年使用过木锚杆。地下工程中大量采用锚杆支护是在20世纪40年代末期。此后，锚杆支护在煤矿、非煤矿山、隧道及其他岩土工程中得到迅速发展，成为一种极具发展前景的支护方式。从锚杆支护形式的发展过程分，可分为以下几个阶段：（1）1950年~1960年，锚杆型式主要是机械端部锚固锚杆，分楔缝式、倒楔式、涨壳式等。这类锚杆锚固力低，在不同岩层中的锚固力变化大，支护刚度小，可靠性差，不宜在松软破碎的岩层中使用。由于这些弊端，导致了英国、法国等国家在使用锚杆支护过程中出现过反复。如英国煤矿在1957年使用了约50万根锚杆，法国煤矿用量也较大，但到20世纪60年代初，锚杆用量大幅度降低。1锚杆支护技术的发展1.5国外锚杆支护技术的发展（2）1960年~1970年，树脂锚杆研制成功，并得到推广应用。1958年德国开始研制树脂锚杆，经过一年多的实验室试验，埃森采矿研究中心制作了第一批药卷式树脂锚固剂，于1959年在煤矿井下进行试验，1961年取得成功。之后树脂锚杆在世界主要采煤国家逐步得到应用和发展。初期树脂锚杆为端部树脂锚固，锚杆孔径较大（38~45mm），以后发展到小孔径（22~30mm）全长锚固树脂锚杆。这种锚杆锚固力大、可靠性高、适应性强，极大地促进了锚杆支护技术的发展与广泛应用。（3）1970~1980年，管缝式锚杆、胀管式锚杆等全长锚固锚杆研制成功，并在井下得到应用。但是管缝式锚杆、胀管式锚杆在井下容易锈蚀，锚固力受钢材质量、围岩性质、钻孔直径等因素影响较大，施工工艺比较复杂，锚固质量难以保证，只能在适宜的条件下使用。（4）1980~1990年，锚杆支护形式更加多样化，出现了混合锚固锚杆、钢带式组合锚杆、桁架锚杆、可拉伸锚杆、锚注锚杆等特种锚杆，锚索加固技术也得到了应用，树脂锚杆材料得到了进一步改进与提高。1锚杆支护技术的发展1.5国外锚杆支护技术的发展（5）20世纪90年代以来，高强度树脂锚固锚杆以其优越的锚固效果和简便的施工工艺，逐步取代了其他类型的锚杆，成为锚杆支护的主导型式。锚索加固技术也得到了大面积的推广应用。1.6国外锚杆支护技术发展的主要特点（1）十分重视巷道围岩地质力学参数的测试，对支护对象有比较清楚地了解。如美国、澳大利亚、英国等在锚杆支护设计前，要进行全面、详细的地应力、围岩强度和围岩结构面力学特征的测量，分析巷道应力场分布特征，巷道围岩变形破坏的主要影响因素。这是锚杆支护成功的必要前提。（2）根据煤矿巷道特点，采用比较合理的锚杆支护设计方法。如澳大利亚、英国等采用“地质力学评估—初始支护设计—井下施工与监测—信息反馈与修改设计—日常监测”的设计方法。这种方法符合煤矿巷道地质条件复杂性与多变性的特点，因此得到国际上的普遍认可和采用。（3）根据本国巷道地质与生产条件，采用适宜的锚杆形式。如澳大利亚、英国主要采用树脂全长锚固螺纹钢锚杆。美国使用的锚杆种类比较多，包括树脂锚固锚杆、涨壳式锚杆及混合锚固锚杆。德国除使用树脂锚固锚杆外，还研制了可拉伸锚杆，使锚杆既具有足够的支护阻力，又有一定的延伸性，适应围岩变形强烈的条件。1锚杆支护技术的发展1.5国外锚杆支护技术发展的主要特点（4）锚杆向高强度、高可靠性方向发展。一方面，研制具有一定延伸率的高强度锚杆材料，如澳大利亚锚杆杆体材料的屈服强度在400~600MPa，有的甚至大于600MPa；英国锚杆材料的屈服强度为640~720MPa；美国锚杆材料的屈服强度为414~689MPa；另一方面加大锚杆直径，国外多数使用φ20~22mm的锚杆，有的达到φ24mm。锚杆杆体的拉断载荷一般在200kN以上，有的甚至超过300kN。英国还研制出拉断载荷500kN的大锚杆。在提高锚杆强度的条件下，降低支护密度，有利于快速掘进。（5）先进的锚杆施工机具不仅保证了支护质量，而且提高了成巷速度，促进了锚杆支护技术的发展。澳大利亚、美国大量采用掘锚联合机组，实现了掘进与锚杆支护一体化，大幅度提高了巷道掘进速度与工效。同时，单体锚杆钻机、钻头钻杆及快速安装系统也有较快发展，基本满足了锚杆支护施工的要求。1锚杆支护技术的发展1.5国外锚杆支护技术发展的主要特点（6）锚杆支护监测仪器与技术保证了巷道安全。开发出顶板离层指示仪、声波多点位移计、测力锚杆等监测锚杆支护巷道围岩变形、离层、支护体受力的仪器，及时、准确地监测围岩稳定性与支护状况，确保巷道的安全。（7）采用科学、严格的管理，制订了锚杆支护材料标准、锚杆支护技术规范，促进了锚杆支护技术的健康发展。1.7我国煤矿锚杆支护技术的发展（1）1956年在煤矿岩巷中使用锚杆支护。（2）1960’S锚杆支护进入采区，但由于煤层巷道围岩松软，受采动影响后围岩变形量大，对支护要求很高，加之锚杆支护理论、设计方法、锚杆材料、施工机具、监测手段等还不够完善，因而事故频发，发展缓慢。（3）“八五”期间，原煤炭工业部把煤巷锚杆支护技术作为重点项目进行攻关，取得了一大批水平较高的科研成果，并应用于新汶、铁法、兖州、峰峰、淮南等多个矿区。基本上解决了一般条件下的巷道支护问题。但对于困难条件，如复合顶板、破碎顶板、煤层顶板巷道，以及沿空掘巷、沿空留巷等，锚杆支护的可行性和适用性还没有得到深入细致的研究。1锚杆支护技术的发展1.7我国煤矿锚杆支护技术的发展（4）“九五”期间，原煤炭工业部将“锚杆支护”列为煤炭工业科技发展的五个重点项目之一，展开了更深入、细致的试验研究。经过教学、科研和生产单位的联合攻关，煤巷锚杆支护技术有了很大提高，取得了很多宝贵经验，主要有：单体锚杆支护，锚梁网组合支护，桁架锚杆支护，软岩巷道锚杆支护，深井巷道锚杆支护