矿井深部开采巷道支护技术实践
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【摘要】介绍了某矿区为适应深部开采的需要，开发或引进了一系列支护新技术、新设备、新工艺。文章分析了等强锚杆支护存在的缺点，提出了采用高强锚杆、高预紧力注浆锚索、厚钢带及与之相配套的其他配构件，同时注意选择合适的巷道断面形状。这一系列措施在支护中起到了良好的效果，对相似生产条件下的巷道支护具有很好的借鉴意义。
【关键词】深部开采；等强锚杆；高强度锚杆；高预紧力注浆锚索；厚钢带；断面形状
引言
某矿区平均开采深度已达到了1 100 m以上，其中部分矿已达1400m左右，是我国开采深度最大的矿区之一。该矿区不仅采深大，而且地质构造复杂、矿井灾害性现象多，使开采支护极为困难。在这种条件下，矿区不断加强支护改革及资金投入，开发应用支护新设备、新材料、新技术，并大力推广锚杆支护。在该矿区，锚杆的种类从木锚杆发展成现在各式各样的金属锚杆；锚杆支护形式由单一的锚杆支护发展到现在的锚网带及锚索等多种方式联合支护，岩巷采用了锚网喷二次支护形式；锚杆支护应用范围从稳定岩层发展到了松软破碎岩层工程，由全岩巷道发展到了采区煤巷，从静压巷道发展到动压巷道。
但随着开采深度的增加，取得的研究成果对现场的指导作用仍存在局限性，特别是对深部支护缺乏指导性，出现前掘后修、巷道维修量增大等问题。从2007年以来，该矿区加强与科研院校合作，不断加强深部巷道支护研究，取得了较好的支护效果。
1 以前深部锚杆支护存在的问题
该矿区以前使用的锚杆绝大部分为20gmsi全螺纹右旋等强锚杆，杆体直径以φ20、φ18mm为主，长度以1800mm、2000 mm、2200mm、2500mm为主。其中φ20mm直径的锚杆破断力在156kN，这种全螺纹等强锚杆对顶板及煤帮的适应性强，特别是围岩破碎，出现局部凸凹不平时，可顺利实现贴帮贴顶。同时在巷修时，将锚杆截断后，仍可上托盘螺母护帮，而且锚杆的加工也比较方便。由于这些优点，使得全螺纹等强锚杆得到大面积推广。但这种锚杆同时也存在严重的缺陷，主要表现在以下几点：
1.1全螺纹等强锚杆的螺距较大，虽然上螺母速度快，但锚杆的预紧力偏小。根据现场实测，扭矩为300 N·m时，预紧力仅为10kN左右，预紧力偏低，极易导致对围岩的加固效果差，特别是强度低的层状复合顶板，致使岩层出现破碎现象，加大了支护难度。
1.2从煤层巷道两帮煤体的变形情况看，除锚杆预紧力不够外，锚杆间煤体鼓出现象普遍存在，说明护帮构件面积不够。
1.3从巷道支护情况看，各矿均出现不同程度的锚杆被拉断或剪断的现象，说明锚杆强度偏低。
1.4等强锚杆螺母为铸造件，由于铸造精度不够，经常造成锚杆出现“退帽”现象；另外在炮掘施工巷道，由于放炮震动，普遍发生锚杆螺帽被震松的现象，严重影响支护效果。
从以上几点可以看出，等强锚杆很难适应高应力、大变形的巷道支护需要，特别是岩层强度较低的复合顶条件下巷道支护的需要，单纯靠加密支护参数也难以解决。
2 深部支护新技术的研究与应用
2.1采用高预紧力注浆锚索
新矿集团泰安清大机械开发公司研制的高强度预应力注浆锚索，由预应力锚头、支撑骨架、搅拌头、中空注浆管等部分组成，最小直径32mm，最大直径36mm，长6～8m，预应力可达250kN，破断载荷600kN，并配有专门特制的高强注浆托盘。该产品适用于深部大断面交岔点、硐室等巷道的永久支护，具有预应力高、承载力大、防腐蚀等特点。
2.2推广应用美国捷马让压锚杆
引进了美国捷马让压锚杆，该锚杆在高强锚杆的基础上，增加了让压环，让压环的强度可根据巷道矿压及变形情况调整。
2.3开发应用高强锚杆及锚固剂
随着开采深度的增加，即使岩石抗压强度再高，在超深井的高应力作用下，也已经进入软岩岩性状态，岩石的蠕变速度、蠕变时间都在增大。为适应深部巷道支护的需要，研制了KMG600型无纵肋左旋螺纹钢高强锚杆及新型树脂锚固剂，无纵肋螺纹钢锚杆采用高强度优质钢材，杆体屈服强度达到635MPa，抗拉强度达到840MPa，采用滚压工艺制造，强度比全螺纹等强锚杆提高了30%以上。其设计结构合理，非常适用于地应力大的深井巷道的支护。将其与新型锚固剂配套，具有安装可靠、锚固效果好、预紧力高等特点。高强锚杆的结构如图1所示。
2.4使用厚钢带
针对深部支护W及M钢带易引起撕裂现象，开发了适应深部支护的GRT-M5、GRT-M6型厚钢带，厚钢带的强度比普通钢带提高50%以上，与高强锚杆配套使用，大大提高了支护的整体性及围岩控制效果，避免了钢带撕裂、锚杆失效的问题。
2.5改变巷道断面形状
有关文献证明，选择稳定的断面形状是提高巷道支护效果的重要手段之一。一般认为圆形巷道四周受力均匀，能够适应于软岩或高地应力的条件。通过在一些矿井进行试验和观察，发现圆弧拱巷道的支护能有效地控制地应力对巷道的破坏，并且能解决大倾角煤层上帮高、支护施工困难等问题。
3 支护效果
该矿区通过加强深部支护研究，使深部巷道支护得到了有效控制。2006年上半年矿区在V类围岩煤巷（半煤巷）和埋深超过800 m的开拓准备巷道全面推广高预应力锚杆，共试验推广应用高强锚杆巷道14 910m，计168 980套。锚杆安装扭矩达到600N·m以上，预紧力达到80kN以上。通过深部巷道支护研究工作，逐渐减少了前掘后修现象，特别在深部应力集中区和围岩松软区支护效果显著，巷道失修率由2005年底的3.05%降低到2006年上半年的2.41%，降低了0.64%。潘西矿一740 m后六轨道上山在同一条件下，下段先采用普通锚杆锚网喷二次支护的形式掘进100m左右后，再采用高强锚杆喷锚网喷盖网后再滞后喷浆的方式支护。采用普通锚杆支护的那段上山顶板下沉量128mm，底鼓量215mm，两帮移近量179mm，现场表现为喷体开裂，围岩离层量大，有失稳冒顶的危险，不得不停止掘进采用高强锚杆扩修。而采用高强锚杆支护段顶板下沉量仅为30mm，底鼓量为177mm，两帮移近量为96mm，喷体及围岩控制完好。说明采用提高安装预紧力、提高巷道锚杆支护强度、采用厚钢带等方法控制深部煤岩巷道围岩变形是可行的。