深部巷道长锚杆支护技术研究及应用

时间：2024-07-28

于明江，刘国保，李飞，李家全，蔡猛

(中国矿业大学 (北京)资源与安全工程学院，北京100083)

近年来，随着对煤炭资源开采强度的增大，煤矿开采的深度越来越大，越来越多的矿井进入深部开采状态［1］。伴随着开采深度的加大，巷道逐渐处于高应力环境中，深部巷道的支护出现了一系列的问题，巷道围岩变形量大，支护困难，常出现冒顶及片帮事故，对此类巷道的支护，现场往往试图通过增加支护强度来达到控制变形的目的，但效果不太理想［2］。国内学者在深部巷道的支护方面进行了大量研究，如康红普［3］等针对千米深井巷道，提出了高预应力、强力锚杆支护技术，通过大幅提高支护系统的刚度和强度来保证围岩的完整性;郭志飚［4］等针对深部高应力强膨胀节理化复杂软岩，提出了采用锚网索－桁架耦合支护技术;王卫军［5］等分析了深井煤层巷道围岩变形特征和支护失效的原因，提出此类巷道的内外结构耦合平衡支护原理;孙广义［6］等认为深部巷道支护应以护为主，防止围岩破裂范围扩大;何满潮［7］等总结了适用于深部软岩大变形巷道的设计方法和控制技术，提出了以横阻大变形锚杆为主体的支护技术。

然而关于深部巷道长锚杆支护方面，研究成果较少。本文首先分析了深部巷道围岩的变形破坏特征，并对长锚杆支护技术进行深入研究，阐述了长锚杆的围岩控制机理及其在支护方面的优越性。现场工业性试验表明，采用长锚杆支护，围岩控制效果更佳。

1 深部巷道围岩变形破坏特征

笔者通过查阅相关文献［2，8－10］，并在结合现场矿压规律监测的基础上，分析并总结出了深部巷道的变形破坏特征，主要有以下几个方面:

(1)巷道围岩变形量大，支护体破坏严重随着煤矿开采深度的增加，地应力越来越大，由此形成了较大的破碎区和塑性区，尤其当巷道受采动影响时，巷道变形量会急剧增加，普通的锚杆锚索支护已很难奏效。现场观测表明此类巷道的变形量已远远超过了锚索的延伸量，导致锚索在支护过程中大量破断，巷道变形量进一步加剧。

(2)巷道围岩变形具有持续性在高应力作用下，围岩逐渐由弹性状态转变为塑性状态，塑性状态的岩石表现为流变特性，普通锚杆仅能转移浅部的应力，锚索在这种大变形巷道中失效程度严重，造成深部围岩持续变形，巷道需要经常扩修才能保证正常的生产要求。

(3)围岩变形的不可控性在这种深部煤层巷道中，围岩变形相当一部分处于给定变形状态，支护阻力对围岩变形的控制作用有限，高强度的支护阻力并未有效减缓巷道的变形程度，反而锚索破断现象依然存在，巷道冒顶时有发生，支护成本居高不下。

2 长锚杆支护技术研究

与普通的长锚杆相比，它不是靠加大杆体的长度来增加锚杆的长度，而是通过两段或多段普通杆体的对接来实现锚杆的加长［11］。

2.1 长锚杆的组成结构

长锚杆分为2种，一种是顶板长锚杆，另一种是帮部长锚杆，它们均由杆体，锚头和锚尾组成。

(1)顶板长锚杆在锚头和锚尾之间设置有至少一个连接部，锚杆的长度根据支护实际需要由两段或多段杆体对接而成，每段的长度根据实际需要进行设计，一般有1.5m，2m和2.5m 3种规格。具体结构形式如图1(a)所示。

(2)帮部长锚杆的杆体部分和连接部分与顶板长锚杆相同，但锚尾部分为一刚性长螺纹结构，其强度大于杆体强度，长度为0.5～1.2m。具体结构形式如图1(b)所示。

图1 长锚杆结构

锚杆接头连接部由杆体敦粗结构与高强连接螺栓组成，连接部内置有内螺纹，与具有外螺纹的连接螺栓相匹配，如图2所示，强度不低于杆体段强度，连接头的承载力在180kN以上，保证了锚杆的整体强度。

图2 长锚杆接头连接部

锚杆的材质为无纵筋左旋螺纹钢，经过实验室对其拉伸试验可知，φ20mm×2000mm左旋螺纹钢杆体的破断载荷接近200kN，屈服强度为385MPa，抗拉强度为610MPa，最大伸长量大于300mm，延伸率为15%～18%;由此可知，长锚杆相比锚索强度较小，但具有较大的延伸率。

2.2 不同支护系统数值模拟分析

为了说明长锚杆在巷道支护中的优越性，以某深部大变形巷道地质条件为背景，进行了FLAC3D数值模拟，对比分析巷道采用锚杆锚索与长锚杆支护的区别。模拟中巷道埋深约700m，巷道顶底板特征及力学参数见表1，巷道围岩本构关系采用摩尔－库仑模型。锚杆锚索支护方案分别采用普通支护强度与高强支护强度。在普通支护方案中，顶板为2根 φ21.6mm×8000mm锚索加6根 φ20mm×2400mm普通锚杆，帮部为4根φ20mm×2400mm普通锚杆，锚杆锚索预紧力均为100kN。在高强支护方案中，顶板及帮部锚杆锚索规格与普通支护方案相同，但同一断面内顶板锚杆锚索数量是普通支护方案的1.5倍，预紧力不变。在长锚杆支护中，顶板为 4根 φ20mm×5000mm长锚杆加 6根φ20mm×2400mm普通锚杆，帮部为4根φ20mm×3700mm长锚杆，锚杆预紧力为100kN，巷道围岩本构关系采用摩尔－库伦模型。各支护方案塑性区分布特征见图3。

表1 数值模拟中巷道顶底板特征及力学参数

图3 各支护方案塑性区分布

由图3可看出，在不同的支护系统下，巷道塑性区范围基本相同，对比各支护方案可发现，在顶板范围内，顶板长锚杆与锚索均已锚固到深部稳定围岩中，在帮部，普通锚杆未锚固到深部稳定围岩，帮部长锚杆依旧能锚固在深部稳定围岩。

可见在深部条件下，巷道塑性区范围较大，加大支护强度对塑性区改变很小 (见图 3(a)，(b))，巷道变形依旧会很大;常规的锚杆锚索支护已不再适用，顶板锚索虽能锚固到深部稳定围岩，但其较低的延伸率也决定了它在支护大变形巷道时容易破断失稳，帮部普通锚杆已不能锚固到深部稳定围岩，更不能保证巷道的稳定性，长锚杆对支护深部大变形巷道优势显著。

2.3 长锚杆围岩控制机理及优越性分析

2.3.1 长锚杆围岩控制机理

长锚杆控制围岩的作用主要表现在以下几个方面:

(1)在深部巷道中，巷道的变形已为给定变形状态，提高支护体的刚度与强度对围岩的控制效果有限，对围岩的控制要以柔性支护的理念进行，柔性不是彻底的柔性，柔性的同时带有一定的强度，通过柔性来释放围岩的压力，通过强度来防止塑性区的进一步扩展。

(2)对围岩的控制中，保证长锚杆具有稳定的锚固力尤为重要，可根据巷道围岩塑性区确定合理锚杆长度，锚固到较为稳定的深部围岩中，维护已破碎围岩的稳定，避免巷道失稳与冒顶事故。

(3)在支护中，长锚杆具有较高的延伸率来适应围岩的大变形，避免了过度承载而破断，并在支护过程中能提供较大阻力，将浅部塑性区围岩应力转移到深部弹性围岩，保证了深部围岩的三向受力状态，一定程度上约束了深部围岩的变形。

(4)长锚杆支护系统适应能力较强，由于具有较大的柔性，托盘不会由于应力集中而导致巷道表层围岩的破碎，能很好地维持围岩的残余强度。

(5)对于深部大变形巷道，应采用长短锚杆协调支护，长锚杆控制较大范围保证不发生大的冒顶，短锚杆控制浅部破碎围岩防止小范围漏顶。

2.3.2 长锚杆支护的优越性

(1)能根据巷道塑性区的大小设计锚杆的长度，且每段杆体的长度可自由设计，保证锚杆锚固到巷道深部稳定围岩中，增加了支护的有效性。

(2)长锚杆杆体段延伸率超过15%，在巷道变形量较大时，能提供较大的延伸量，有效地适应围岩的大变形，在适应的同时提供较大的支护阻力，这种支护思想是以让压来达到控制的目的，支护效果较好。

(3)此种锚杆不是一整段较长的杆体，而是由多段短杆体对接而成，在巷道正常尺寸下整段较长的杆体难以安装，而此种锚杆可以利用锚杆转机分别安装，只需在安装时在连接部对接即可，节省了大量空间，安装较为方便。

(4)帮部长锚杆的尾部为刚性长螺纹结构，在巷帮变形较大需要扩帮时，能根据扩帮尺寸大小将长螺纹段锯断一部分再拧紧锚杆螺栓或只需拧紧锚杆螺栓，无需重新补打锚杆锚索，大幅提高工作效率的同时又避免了材料的浪费。

3 工程应用

为了验证长锚杆的支护优越性，选取赵固矿区典型深埋巷道进行试验，巷道埋深约600～800m，直接顶为砂质泥岩和细粒砂岩，水平层理，基本顶为大占砂岩，以石英为主。巷道断面为矩形，巷道断面尺寸为4800mm×3300mm。

3.1 原支护方式巷道变形破坏特点

巷道原有支护形式为锚杆锚索联合支护。具体支护形式为锚网索+钢筋梯+W型钢带+16号槽钢梁联合支护，支护参数如表2所示。

表2 巷道原有支护参数

对此种支护形式下的巷道变形规律监测表明，巷道的顶板变形主要集中在0～4m范围内，帮部变形主要集中在0～3m范围内，且变形主要发生在掘进期间和受工作面采动影响期间。在掘进期间，顶板下沉量为230mm，两帮移近量为438mm;在工作面回采期间，顶板下沉量为564mm，两帮移近量则达到1080mm。可见在原有支护形式下，巷道的变形量极大，并多次出现锚索被拉断等支护失效现象，巷道破坏严重，巷道在服务期间需要经常扩修，严重影响了煤矿的正常安全生产。

3.2 新支护方案

对此类巷道的支护，应能保证支护材料锚固到巷道深部稳定围岩，由巷道变形规律监测可知，顶板4m以外围岩为稳定围岩区域，帮部3m以外为稳定围岩区域，故所采用的顶板长锚杆长度应大于4m，帮部长锚杆长度应大于3m;顶板应采用长短锚杆协调支护，帮部全部采用长锚杆进行支护，具体的巷道支护参数如下:

(1)顶板支护参数采用顶板长锚杆+普通螺纹钢锚杆+金属网+钢筋梯联合支护。普通螺纹钢锚杆规格为φ20mm×2400mm，顶板长锚杆规格为 φ20mm×5000mm，锚杆间排距 800mm×1000mm，锚固长度1200mm，锚杆托盘 δ10mm×150mm×150mm，与钢筋梯配合使用，钢筋梯长度为4160mm配合3160mm使用。金属网片使用φ5.6mm钢筋焊制，金属网片网幅 1000mm×1900mm，网片搭接100mm，每格用14号铅丝绑扎。

(2)帮部支护参数两帮全部采用帮部长锚杆，配合W型钢带与金属网进行支护。帮部长锚杆规格为φ20mm×3700mm，锚杆间排距900mm×1000mm，锚固长度900mm，锚杆托盘为W型钢带，与规格为δ10mm×150mm×150mm托盘配合使用，金属网与顶板金属网相同。巷道支护断面如图4所示。

图4 巷道支护断面

3.3 支护效果

3.3.1 巷道支护效果监测

对支护效果的监测分为两方面，一是采用十字布点法对巷道顶板下沉量和两帮的移近量进行监测，二是对新支护方案中的顶板长锚杆进行工作阻力监测。在试验巷道分别布置5个测站进行监测，巷道变形监测表明，顶板及两帮变形主要发生在前30d内，故对巷道变形只进行了60d的连续监测，监测结果如图5所示。

图5 新支护方案巷道变形监测结果

由监测结果可知，采用新支护方案后，在掘进期间，顶板平均下沉量为207mm，两帮平均移近量为368mm;在回采期间，顶板平均下沉量为515mm，两帮平均移近量为835mm;相比原支护方案，在掘进期间顶板及两帮围岩变形量分别减少23mm和70mm，在回采期间顶板及两帮变形量分别减少49mm和245mm，虽减少量有限，但经现场观测表明，巷道破坏程度明显减弱，长锚杆由于其自身较好的延伸性能能很好地适应巷道围岩的大变形。长锚杆工作阻力监测表明，在巷道掘进和回采期间，工作阻力在160～177kN的长锚杆比例可达85%以上，平均工作阻力约为170kN，且未发生破断现象，可见长锚杆在顶板支护的全过程均保持了较好的工作状态，在释放围岩变形压力的同时保持了高强的支护阻力，围岩控制效果较好。

3.3.2 帮部扩帮效果

巷道表面位移监测表明，即使采用长锚杆支护，在工作面回采期间，两帮移近量也较大，达到800mm以上，若采用普通锚杆支护，巷道必然要补打锚杆，此时帮部长锚杆的优势再次凸显，相比普通锚杆，长锚杆特有的长螺纹段能保证其在扩帮时重新利用。具体扩帮形式分为2种:当扩帮尺寸较小时，长螺纹段在扩帮后外露尺寸不大，不需切割长螺纹段，只需将螺母重新拧紧即可;当扩帮尺寸较大时，长螺纹段在扩帮后外露尺寸较大，需要将螺母拧紧后切割掉外露的长螺纹段。