左旋高强锚杆及笼型锚索在深部煤巷中的应用

左旋高强锚杆及笼型锚索在深部煤巷中的应用摘要：为解决平煤股份十矿埋深800米以下巷道支护困难，巷道破坏严重，顶板压力大、围岩易破裂，松动圈扩大，掘进过程中巷道两帮移近和底鼓等支护难题。通过采用左旋高强锚杆及笼型锚索特性进行应用，发现通过合理的布局支护方式可以提高巷道支护强度，延长巷道的服务年限，减少巷道的后期维修量和返修量。关键词：高强锚杆；深井煤巷；支护中图分类号：TD353+.6文献标识码：A文章编号：1673-0992（2011）04-0108-021己15-24080机巷概况平煤股份十矿己15-24080采面机巷，设计长度1952米，地面标高+190～+280米，巷道标高-560～-660米，巷道埋深750～940m，梯形断面巷道中高3.0m，宽4.2m,顶板倾角10°～25°，平均17°。掘进过程中基本不受采面采动压力影响，煤层硬度f=1-3，与上部己14煤层间距12～15m；直接顶为深灰泥岩，厚1.2～2.0m，老顶为砂质泥岩，厚10～13m岩石抗压强度22－45MPa，层理一般，其上为0.5m厚的己14煤，再上为灰白色砂岩，厚18m,岩石硬度f＝6-10；底板上部为黑色泥岩，厚1.5~5m,其下为1.5m厚的己16煤。该巷道原采用普通高强锚杆+钢绞线支护，部分围岩破碎段采用U29金属拱形棚子补强支护。随着工作面向前推进，一般2~3个月后，巷道下帮顶板出现压断锚杆、切顶现象，需重新维修支护。2左旋高强锚杆及笼型锚索的特性煤矿锚网、锚索支护作为一种主动支护方式，要达到理想的支护效果，在技术细节上需要进一步的优化。如锚杆的结构、锚杆组件、锚杆施工安装机具和锚杆与锚索的耦合问题等等。2.1左旋高强锚杆组件与配置有效的锚杆组件与合理的组件配置是整套锚杆发挥最佳性能的前提与关键，经过井下现场大量的应用与观测后表明，有效的锚杆组件可以确保锚杆提供最大的预紧力，最大的锚固强度和最佳的支护效果，下面对左旋锚杆中的组件分析：①塑料减阻垫圈：塑料减阻垫圈采用尼龙复合材料制作而成，其安装位置在锚杆承载钢制垫圈与阻尼螺中间，重要的一点是减阻垫圈在锚杆安装过程中熔化并在一定预紧力的条件下被挤出，能够在螺母预紧的时候产生一层塑料液体膜，极大的减少螺母的安装阻力，提高锚杆的安装应力比。②阻尼螺母：在锚杆配件中，阻尼螺母是重要的组成部分，阻尼螺母选择的好坏直接关系到锚杆的扭矩应力比的高低，关系到锚杆预紧力的大小，也影响着巷道的支护效果。③锚杆托盘材质、强度与外形：现有煤矿使用的锚杆托盘种类繁多，材质不一，有铸造托盘和冲压托盘两大类，从实际使用效果来看，冲压托盘的强度与韧性较铸造托盘好很多，同时冲压托盘更轻便，但决定一个托盘合适与否的原则是控制面积与承载力。面积过小的托盘起不到有效控制围岩的作用，同时托盘的承载力则是决定锚杆承载强度的关键因素，在托盘与锚杆杆体配套时，托盘的承载力不应小于杆体的破断强度。现状托盘的外形主要有方形和圆形两种，方形托盘主要为球形托盘，圆形托盘有蝶形和原扳两种。同等尺寸条件下，方形托盘的控制面积要大于圆形托盘，托盘强度也更高。在实验室中，经过测试球形托盘的承载力表现很好，其使用效果也很好。球形托盘(Q345)的测试结果：150×150×8mm负差(7.5mm)——23T以上15×150×10mm负差(9.5mm)——28T以上2.2左旋高强锚杆锚的优点：①该锚杆预应力大。左旋高强锚杆锚加工过程多了压圆、滚丝两个工艺，由于该锚杆螺纹是国标螺纹，螺纹螺距2.5—3.0mm，螺纹自销效果好，可以施加高预应力。通过特制的阻尼螺母，很容易达到设计的预应力，120型气动锚杆钻机即可实现4吨的预应力。②锚杆锚固力高。因该锚杆杆体设计的螺纹方向为左旋方向和锚杆的搅拌树脂方向(右旋)相反，在搅拌树脂的过程中会对树脂产生一个轴向挤压力。通过现场锚杆拉拔试验，表明同样杆体直径和同样树脂的情况下，左旋细丝预应力锚杆的锚固力比普通高强全螺纹钢锚锚杆、锚固力可提高20%以上。③杆体的有效断面大，锚杆的强度高。实验室试验表明，同直径同材质的左旋滚丝预应力锚杆的破断力比右旋等强锚杆和带肋螺纹钢锚杆的破断力高出20%以上。④特殊部件的有效组合。左旋细丝预应力锚杆因采用了合理的阻尼螺母，另外采用了减阻特制高分子塑料垫圈，使锚杆的扭矩应力比大大提高。⑤左旋高强锚杆的强度。为了取得各种类型杆体的屈服强度与抗拉强度的可靠锚固剂，我们在实验室内进行了大量的左旋高强锚杆的拉拔试验，结果如表所示：右旋等强锚杆杆体强度⑥扭矩测试：在实际实验室测试中，扭矩与应力的关系如下表所示，其中为了让试验结果更接近实际应用结果，所以使滚丝锚杆配减阻垫圈、钢垫，右旋全螺纹等强锚杆配钢垫圈与实应用的配置一致。扭矩压力测试表经过多次实验室测量，在静力状态下，Φ20右旋等强锚杆在达到9MPa预紧力时，需要扭矩值为300Nm,在455Nm时继续施加扭矩很困难，杆体产生扭动且退丝明显，滚丝锚杆在达到9MPa预紧力时，需要扭矩值力160Nm。2.3左旋高强锚杆锚固力分析同样材质同样直径的Q335—Φ20螺纹钢杆体，实测左旋的抗拉强度比右旋的高出20%左右。左旋螺纹钢锚杆杆体的螺纹方向(左旋)与锚杆的搅拌锚固剂方向(右旋)相反，在搅拌锚固剂的过程中会产生对锚固剂向孔内挤压力，在试验时锚固剂基本不溢出。而右旋全螺纹等强锚杆杆体的螺纹方向(右旋)和锚杆的搅拌锚固剂方向(右旋)旋向相同，在搅拌的过程中会导致锚固剂向孔外输送，在试验时锚固剂溢出明显。同直径、同材料、同树脂的左、右旋螺纹钢锚杆锚固力试验：Q335—Φ20左旋螺纹钢锚杆杆体Q335—Φ20右旋等强锚杆杆体钢管内径Φ28㎜长度400㎜锚固剂K2335搅拌时间30S搅拌完毕30分钟后拉拔结果：Q335—Φ20左旋螺纹钢锚杆杆体锚固力：140KNQ335—Φ20右旋等强锚杆杆体锚固力：108KN按Φ20杆体试验结果，同样条件下，左旋螺纹钢杆体比右旋螺纹钢杆体锚固力高出25%以上。2.4笼型锚索形式与结构目前国内所使用的普通锚索都是简单的一条钢绞线，其缺点有：①锚索直径主要为15.24㎜和17.8㎜两种规格，而钻孔直径是28㎜，锚索、树脂和钻孔之间很难达到理想的配合，影响锚索的锚固力；②锚索表面光滑，影响锚固力，相同锚固长度的情况下，光面锚索的锚固力小于螺纹钢的锚固力；③锚索长度大，安装时很可能靠到孔壁一侧，造成锚索一侧有树脂，另一侧无树脂的现象，这会大大的影响锚索的抗拔强度。但是如果在锚索的锚固端增加鸟笼结构，会大大提高锚索的树脂搅拌效果和锚索的锚固力(见图1所示)图1（锚杆示意图）鸟笼具的作用：①对中：鸟笼的大小一般比锚索钻孔小2㎜可以保证锚索在孔中对中，使得树脂在锚索周围均匀分布，从而用较少的树脂锚固剂用量取得最大的拉拔力；②更好的搅拌树脂；③可起到均匀搅拌树脂作用，从而增加锚索的锚固力；④锚固剂—锚索可以有机结合：鸟笼为中空，在树脂搅拌过程中，树脂充满鸟笼，可使树脂和锚索融为一体，从而进一步增加锚索拉拔强度，减少锚固剂用量。3支护形式的选择依据《平煤股份公司煤巷锚杆支护技术规范》的要求，及平顶山煤矿围岩稳定性分类，己组煤层组顶板为中稳定性复合顶板，采取加长锚，锚网+钢带+锚索支护。①顶锚杆：锚梁网索联合支护。顶锚杆采用Φ22×2200mm左旋高强锚杆，要求极限载荷大于200KN，锚杆间排距800×800mm，锚杆孔深度2200+50mm，安装M钢带，锚杆露出托板30～50mm，锚杆与顶板岩层面的夹角大于75度，高强锚杆搅拌30±5秒切断销钉上紧，锚杆托盘必须紧贴岩壁；②锚索：锚索规格∮17.8×7300mm笼型锚索，锚索外露≤300mm，锚索采用“五花”布置，即第一排2根，第二排1根，以此类推。③两帮锚杆：采用Φ20×2200mm等强锚杆，间排距800×800mm，加M型托盘。④片网：顶网采用冷拔丝金属网背顶，规格4200×900mm，压茬搭接100mm。帮网采用冷拔丝金属网背帮，金属网规格3000×900mm。⑤每隔5m打一根∮200mm信号警示柱。支护图见图2图2（巷道断面支护图）4支护效果监测在巷道施工过程中，设置相应的测站。监测巷道顶底板相对移近，两帮相对移近，底鼓等情况，及锚杆载荷、锚杆锚固力等进行观测，是为了给支护参数的优化和工程质量管理提供更好的依据，也是支护结构效果的检验。为此现场分两步对巷道进行全方面的监测。①第一步事中监测。通过锚杆拉拔试验及监督锚杆施工质量，检验锚杆载荷、锚杆锚固力等，监测的目的是验证初次支护的有效作用，修改优化支护参数，避免二次支护。通过监测施工质量，从而避免由于不恰当施工时间给支护带来返修的可能。②第二步事后监测。监测巷道顶底板相对移近，两帮相对移近，底鼓等情况，目的是检验巷道稳定性，整体支护效果，是否达到了预期施工目的。③测站设置巷道位移测站采用“十”字观测：隔20m设置一个测站，在巷道断面的顶、底板和两帮的中部各布置一个1测站。施工后，定期观测巷道收敛状况。顶板离层监测，每隔30m在顶板中部安设一个离层指示仪，观测顶板离层数据。锚杆受力观测，每隔30m安装一个压力枕，观测锚杆受力状况。锚杆和锚索锚固力检测，每300跟锚杆为一组，每组测5根，使用拉拔器检测锚杆安装是否合格。④观测结果，见图3图3（巷道收敛观测图）5结论5.1锚杆对围岩起到主动支护的作用，由于钢材用量少，可大大减少支护材料的运输量，降低了施工人员的劳动强度，创造了良好的安全，职工身心健康提供了保障。5.2采取左旋高强锚杆及笼型锚索支护后巷道在10个月中的变形量控制在20％以内；使巷道的维修周期得到有效延长；保证了通风、行人和运输安全，促进矿井质量达标。5.3通过研究对我矿今后的深部开采巷道支护技术设计提了供技术依据，大量减少我矿巷道后期的失修率，节约了大量的人力、物力和财力投入其他的项目来创造更多的经济效益，巷道状况得到改善同时降低采面通风阻力，实现了安全生产。