A080102 深井高地压大变形围岩巷道支护技术.docx

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A080102深井高地压大变形围岩巷道支护技术

深井高地压、大变形围岩巷道支护技术及锚杆设计

王亚杰

[捷马（济宁）矿山支护设备有限公司，山东济宁272023]

摘要通过大量的深井高地压巷道支护实践，分析目前支护中存在的问题，首次提出了锚杆支护强度和允许变形的关系，并提出了全新的支护设计理念。

在此理念的指导下，对我国数个矿区进行了支护系统设计，研制出高强高预应力变形让压均压锚杆。

矿井支护的实践证明，新的支护理念和产品有效地解决了深井高地压巷道支护所存在的问题。

关键词深井高地压大变形围岩特性曲线支护系统特性曲线高强高预应力可变形让压均压锚杆让压均压环

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1高地压和深井巷道支护特点和现状

随着开采深度的增加，垂直应力也随之加大，采深达到一定程度时，水平应力也不再符合波松比规律，甚至有时水平应力大于垂直应力而形成净水压的应力状态，由此，巷道支护变得越来越困难，掘进速度越来越慢，支护成本也越来越高。

煤系地层围岩一般比较松软，在深部矿井可以视为软岩。

因此高地压深井巷道支护和“软岩”支护有许多共同之处：

①应力高，应力状态复杂。

巷道不但受高垂直应力作用，还要受到水平应力的作用。

②围岩变形大，顶、底和帮全方位变形。

③支护体承受载荷大，破坏严重。

一般巷道都需要数次翻修。

锚杆支护在我国已经是一种很成熟的支护技术，现已广泛应用于巷道支护施工中。

伴随着锚杆支护技术的发展，锚杆的发展历程可划分为三代：

第一代为普强全螺纹钢锚杆。

普强全螺纹钢锚杆在浅部地区支护效果较好，锚杆支护基本上代替了架棚支护；

第二代为普强滚丝锚杆。

随着矿井开采深度的增加，地质条件变得越来越复杂，特别是在工作面受动压影响的顺槽，第一代锚杆越来越不适应巷道压力和变形的要求。

普强滚丝锚杆的引入增加了安装应力，解决了部分问题。

然而由于其支护强度低，在采深大，地压大的状况下，支护效果仍然很差，没能真正解决问题；

第三代为高强滚丝锚杆。

高强滚丝锚杆的引入改善了巷道的支护效果，巷道变形量明显降低。

然而，锚杆在深井掘进和回采过程中会大量破断，锚杆破断产生的冲击会带来人身伤害。

高强滚丝锚杆仍然存在待解决的技术问题。

实践表明，目前的深井巷道支护技术已造成巷道支护成本高、掘进速度慢并且造成巷道支护效果差，以至于不能满足生产要求。

因此，为解决深井巷道的支护问题，必须寻求安全、经济、快速的深井巷道支护技术，研发第四代锚杆。

2深井巷道锚杆支护设计新理念

近年来，针对大采深、高应力、大变形的巷道，往往采用提高锚杆钢材标号来加大支护强度，但实践表明，支护效果极不理想。

对于大采深，高应力的矿井，必须对围岩应力—变形进行研究，根据围岩应力—变形关系找出最佳锚杆支护系统的最佳工况点，设计出合理的锚杆支护系统特性曲线。

锚杆支护参数设计时应考虑下列因素：

①锚杆的安装应力：

锚杆的安装应力是控制围岩早期变形的重要参数。

安装应力过小会使围岩发生过大的早期变形，松散破碎圈增大，引起顶板破碎，锚杆受力增加。

②支护强度：

在大采深，高地应力的条件下，支护强度必须提高，这就要求单根锚杆的强度有足够大，使其与高地应力相适应。

③锚杆控制变形让压和均压性能：

为了尽量保证每根锚杆都均匀受力，防止锚杆承受过度载荷而破断，锚杆必须有控制变形让压和均压性能，也就是说这种变形让压必须是有“控制”的让压，让压性能对顶板支护效果影响很大。

合理的让压应该做到锚杆在一定载荷上能稳定让压，以保证每根锚杆受力均匀，防止锚杆破断。

④辅助支护：

合理有效地辅助支护可以与锚杆支护形成一个整体，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。

科学的锚杆支护设计应该是让每一根安装的锚杆都能发挥它的最大作用。

锚杆支护的理论有多种，典型的支护理论有梁理论、弹塑性松动圈理论、拱理论、悬吊理论等。

在实际顶板控制实践中，锚杆的支护机理是几种理论综合作用的结果。

对于煤系地层来说，由于煤系地层是层状沉积岩层，组合梁是最适合的理论。

然而，工程实践中锚杆的支护机理往往是几种支护机理的共同作用。

最佳组合梁理论：

煤矿顶板是由不同层状岩体组合成的层状组合梁，为了使组合梁达到其最佳强度，应该设计合适的锚杆长度及锚杆系统的安装应力。

达到最佳组合梁的锚杆系统设计应满足下列条件；

①通过调整安装应力，使锚杆支护系统应能够控制锚固范围内的顶板离层，这需要选择合理的锚杆类型和安装应力。

②锚固系统应能够减少或消除顶板的拉应力区。

③锚杆应能够锚固在稳定的岩层中。

④锚固系统应有足够的能力来控制顶板，并且在整个需要支护期间内不失效。

3让压、均压基本理论和锚杆研究设计

3.1让压、均压支护基本理论

3.1.1围岩应力和围岩变形关系

巷道开挖后，围岩将发生变形甚至破坏。

巷道支护的目的是为了在保证围岩不被破坏的前提下，控制部分围岩的变形，允许围岩有一定的变形产生，经济有效地支护巷道围岩。

因此，为了设计锚杆支护系统，必须对围岩应力和变形特性曲线进行研究。

图1为根据某矿的实际地质采矿条件，应用有限元数值分析方法得到的围岩应力—变形特性曲线。

图1围岩应力-变形特性曲线

从图1可以看出，曲线从支护角度讲分为三个区：

A区：

围岩弹性变形区。

在此区域内，围岩基本处于弹性变形阶段，围岩保持完好，围岩变形小。

在此区域内增加支护强度不能明显改善围岩变形。

B区：

围岩弹塑性区：

在此区域内，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：

在此区域内围岩被破坏。

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。

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。

锚杆支护系统和围岩一起移动。

3.1.2历代锚杆支护系统的特性曲线及存在的问题

成功的锚杆支护系统，不仅要支护强度达到要求，还要根据围岩应力和变形特性曲线设计锚杆的特性曲线以适应围岩应力和变形的需要。

现有锚杆特性曲线及存在问题分析如下：

第一代普强全螺纹钢锚杆和二代锚杆普强滚丝锚杆这两类锚杆除了预应力上稍有差别外，特性曲线基本相同。

此类锚杆在浅部地区支护效果较好，但在深井和地压大的矿井中，其支护效果不理想。

在深井和地压大的矿井中其锚杆支护特性曲线如图2所示。

从图2中可以看出，第一、第二代锚杆的设计支护强度过低，几乎没有安装应力。

在应力较大的条件下，达不到工况点的要求，围岩松散破碎区变大，最终可能超过锚固区，致使锚杆系统失效，锚杆和围岩一起移动，现场表现为锚杆不破断但围岩位移大甚至冒顶。

图2锚杆支护特性曲线

第三代超高强锚杆是用Q600钢材制造的锚杆，其特点是强度大，但加工性能不好。

成品锚杆在破坏时大多在丝部脆断，延伸率极小，无塑性变形阶段。

尽管此类锚杆强度很高，但由于其与围岩变形不适应，锚杆破断率极高。

超高强锚杆特性曲线如图3所示。

图3中，锚杆支护系统特性曲线的实线部分是锚杆在丝部断裂时的特性曲线。

实线+虚线是锚杆在杆体破断时的特性曲线。

从图中可以看出，锚杆在丝部断裂时的允许变形和围岩变形相差甚大。

尽管锚杆有较高的强度，但在围岩大变形条件下必然断裂。

锚杆在杆体断裂时，尽管锚杆的整体变形达到围岩变形的的要求，然而锚杆处于塑性变形状态下工作。

由于巷道支护安全的需要，在设计锚杆时，应尽量设计锚杆的工况点在弹性范围内，否则变形安全距离太小，微小的扰动和围岩变形变化也会导致锚杆破断。

如果按此增加支护强度的理念，则锚杆支护系统所需的最小支护强度为380t/m2。

按每排5根锚杆计算，则单根锚杆的支护强度应不小于76t/m2。

在目前钢材和制造水平的条件下，还没有这样的锚杆。

图3锚杆支护特性曲线

3.1.3有让压装置锚杆支护系统的特性曲线设计

锚杆特性曲线设计须根据围岩应力变形特性曲线的特点。

根据围岩应力—变形特性曲线，锚杆支护系统应满足下列要求：

①最小支护强度：

100t/m2；

②巷道围岩位移：

40mm；

③锚杆系统的允许变形：

40mm；

④锚杆工况点应在弹性范围内。

根据以上要求，在锚杆体上专门设计了让压装置，其特性曲线如图4所示。

从图4可以看出，由于让压机构的作用，保证了锚杆工况点在弹性范围之内。

让压均压锚杆安全系数比普通高强锚杆大，比普通高强锚杆大得很多。

图4锚杆支护特性曲线

3.2让压均压环锚杆设计

有两种途径可以实现锚杆让压功能，一种是把杆体本身做成可变形结构，但变形参数难控制且成本太高。

另一种是保持杆体本身不变，利用让压均压环进行让压。

一个有效合理的让压均压环必须尽可能发挥锚杆的支护作用，并在锚杆接近过载时起到让压、保护锚杆杆体的作用。

根据不同要求，设计不同特性的让压均压环。

让压均压环形状如图5所示，受力变形后让压均压环的形状如图6所示。

图5让压均压环形状

图6受力变形后让压均压环的形状

根据锚杆的受力特点和受力过程，让压均压环的参数设计如下：

（1）让压点

让压点为让压均压环起始让压载荷。

让压点的大小应能保证锚杆在支护中承受的总载荷小于锚杆的实际屈服极限，以保证锚杆不发生屈服破坏，同时为动压变形留有充分的余地。

（2）让压稳定系数

让压稳定系数是衡量让压载荷稳定性的参数。

一旦让压均压环开始让压，载荷需基本保持稳定，过大的载荷下降会导致顶板支护效果不佳。

让压稳定系数可以通过下列公式计算：

式中：

W—让压稳定性系数，t/mm；

Rt—让压终端载荷，t；

R0—让压点起始载荷，t；

D—最大让压变形，mm。

让压稳定系数应以不大于0.2为宜。

（3）最大让压距离

让压稳定系数为让压均压环从稳定让压开始到载荷开始增加的距离，其大小需根据地压、巷道变形的具体情况，按围岩应力—变形关系确定。

为了保证让压均压环符合设计要求，根据设计参数选用材料，设计让压均压环的外形尺寸。

图7为单个典型的带让压环锚杆测试曲线，让压点为19t，最大弹性让压距离为25mm，让压稳定系数：

图7典型让压均压锚杆实验曲线

4锚杆支护系统和支护参数研究设计

巷道支护系统和支护参数根据实际地质和采矿条件确定。

在合理设计原则的基础上，对锚杆类型、锚杆长度、锚杆安装载荷、锚杆承载力、锚杆让压均压性能、辅助支护和表面控制进行设计。

4.1锚杆支护系统的支护强度和让压变形性能

上文中提到某矿确定的工况点：

最小支护强度为100t/m2，巷道围岩位移为40mm，锚杆系统的允许变形量为40mm，锚杆工况点应在弹性范围内。

根据以上工况点，设计了高强高预应力让压锚杆，其具体参数为：

①杆体直径：

22mm；

②杆体材料：

Q500矿用高强螺纹钢，屈服力17t，最大抗拉力23t；

③让压装置：

最大让压距离300mm；

④让压点：

17t。

4.2锚杆长度设计

（1）围岩剪切破坏准则

巷道围岩松散破碎范围是决定锚杆长度的重要因素。

原则上讲，锚杆的长度应该足以锚固到松散破碎范围以外的一定深度。

应用摩尔库仑准则作为围岩的破坏准则：

式中：

—分别为平面上的正应力和剪应力；

—材料粘聚力；

F—材料内摩擦因数；

—材料内摩擦角。

如图8所示，当应力圆与库仑准则线相切时，岩石达到强度极限值；若应力圆与库仑准则线相割，岩石破坏；相离则不破坏。

图8三轴压缩极限应力圆

库仑准则用主应力表达的公式为：

式中：

—最大主应力，Pa；

—岩石单轴抗压强度，Pa；

—最小主应力，Pa。

在坐标平面上，公式2也是一条直线，如图9所示。

若岩石中某一点对应的最大主应力值和最小主应力值对应的坐标位于库仑准则线的下方，则岩石在该点是不发生破坏的，反之则发生破坏。