深部高应力影响变形巷道加固技术

Reinforcement Technology of Deformed Roadway Impacted by Deep High Stress

Zhu Benjie；Wei Yuhong

（Xuzhou Coal Mining Group Sanhejian Coal Mine，Xuzhou 221613，China）

摘要： 采用预应力锚索加固支护深部高应力影响变形巷道与螺纹钢等强锚杆支护体系相比较，两帮位移速度和顶底板移近速度均明显降低，顶板离层量远小于离层临界值，说明巷道围岩已基本趋于稳定，支护方式完全可行，经济效益十分明显。

Abstract: Prestressed cable reinforcement is used to support deformed roadway impacted by deep high stress. Compared with rock bolting support system like screw-thread steel, both displacement velocity and advancing velocity of roof and floor are obviously decreased, and the size of roof is far less than critical value. The result showed that surrounding rocks are basically stable, the supporting method is completely feasible, and the economic benefit is very obvious.

关键词： 深部煤巷 锚网支护 锚索加固 经济效益

Key words: deep coal roadway；wire mesh support；cabling reinforcement；economic benefits

中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）29-0039-02

1概述

三河尖煤矿南翼采区－980区域受深部地应力、多巷道交叉、工作面超前支撑压力共同作用，围岩活动剧烈，巷道变形明显。其中巷道失修最严重的地点是南二采区7煤回风上山下段，该巷道位于南二采区中东部，上限标高－913m水平，下限标高－980m水平，巷道倾角12°－16°。施工于2005年5月至7月，煤巷全长265.1m，矩形断面13.52m2。直接顶为泥岩，厚度3m；老顶中砂岩，厚度3m；底板砂泥岩，厚度26m，具置如图1EF段。

巷道原支护方式为锚梁网联合支护，采用Φ20mm×2000mm的左旋无纵筋螺纹钢等强锚杆、Φ16mm圆钢钢带、菱形金属网联合支护，金属网网孔50mm×50mm，8#铁丝编织。锚杆间排距750mm×700mm。外覆喷混凝土厚度100mm，强度等级要求不小于C18。

1.1 巷道变形与初期维护南二主系统先后受72201、72202、72204工作面超前支撑压力的交替影响。从微震系统的监测结果看，南翼深部工作面，特别是目前正在回采的72204工作面最初的100m，直接顶是超过10m厚的中砂岩，难以断裂垮落，造成老塘大面积悬顶。工作面超前支撑压力较大，老顶断裂下沉过程中释放的最大动压能量超过1.0E*105J，属中等偏强的冲击信号，直接对工作面及其巷道的破坏明显。而在南二主系统区域发生的所有可分析震动信号均小于1.0E*103J，为弱冲击信号。震动的深度区间一般在煤层顶底板上下各200m范围之内，直接对巷道的破坏不大，但深部软岩持续的蠕动变形，已对巷道产生破坏，再加上工作面回采频繁传递的弱冲击信号的扰动，使得巷道变形加剧。由于受区域采动和深部地压影响，巷道应力显现十分明显，围岩一度出现力学状态失衡的迹象。具体表现在：动压频繁煤炮多、顶板离层、锚杆断裂、底鼓、两帮收敛等情况。且顶板离层已超过临界值，底鼓严重，影响采区通风断面和安全生产，矿投入力量采取卧底、锚网加固等措施进行巷道修复，但巷道变形速度未能得到有效控制。具体支护方式是：采用Φ20mm×2000mm的左旋无纵筋螺纹钢等强锚杆、Φ16mm圆钢钢带、菱形金属网联合支护，锚杆间排距800mm×700mm。

1.2 维护不成功的原因分析南二采区7煤回风上山巷道直接顶与直接底均为软岩，单轴抗压强度小于25MPa,比该处的煤体还软，巷道受压后，其底板没有支护，容易率先变形。巷道直接顶泥岩厚度3m，受压变形后，其整体效果不好，疏松离层。采用围岩固化理论，进行锚杆加固，显然达不到要求。根据悬吊理论，3m厚的直接顶，采用2m长的锚杆，根本起不到支护效果。

1.3 巷道保护及修复技术研究从保护主系统的角度考虑，采区及所属工作面的布置显然没有大的问题。比如，当72204工作面剩余长度约260m时，就已开始频繁影响南二主系统及对过的72203外面，最远波及到13－3＃钻孔，但由于震动能量小，对已掘巷道影响也较小。因此在区域采掘安排上，应主要把握各工作面的停采线位置，确保工作面的超前压力不直接深度影响系统巷道。其二，重点研究系统巷道的支护参数，确保软岩在一次支护条件下，蠕动变形及受外压失去弹性后，对其补强加固要在可控范围，即二次支护及时、强度满足要求、具体地点要参照围岩剖面选择支护参数。关于对支护参数的要求。对于巷道顶板的支护，应采用锚索加固，布置Φ15.24mm高强度锚索加强支护，确保锚固端在围岩松动圈以外，对于两底角应打设底角锚杆支护，重点防底鼓。在南二采区7煤回风上山巷道修护施工中，应用了预应力锚索补强加固支护技术，取得了良好的支护效果和经济效益。

2预应力锚索支护施工工艺及特点

2.1 钻孔钻孔采用锚杆钻机，连接B19或B22钻杆Φ28mm旋转式钻头，在钻孔时保持钻机底部不挪动，以免钻孔轴线不在一直线上。

2.2 锚固将1根CK-Z2370型和1根Z2380型树脂锚固剂送入孔内，且CK-Z2370型锚固剂快速端朝向眼底，用钢绞线轻轻将树脂锚固剂送入孔底，用搅拌连接器将钢绞线和钻机连接起来，开动钻机，边搅拌边推进，搅拌推进时间30s，同时将钢绞线送入孔底，钻机停转不回落，等待2min，回落钻机，卸下搅拌连接器，完成锚索的内锚固。

2.3 配套张拉机具小孔径锚索采用锚杆钻机就可方便地进行钻孔作业，树脂锚固剂锚固约1h后，再装托盘、索具，并使它们紧贴顶板，挂上张拉千斤顶进行张拉，达到设计预紧力100kN～120kN，停止张拉，卸下千斤顶。

根据工作面每次安装锚索量大、要求安装时间短的特点，采用了重量为12kg、张拉行程为150mm的张拉器。当油泵的输出油压达到30MPa时，张拉器可产生100kN的张拉力，钢绞线的外露长度不小于150mm时即可进行张拉，钢绞线的最终外露长度不大于250mm。

3监控测量参数及仪表

3.1 巷道围岩变形量：采用活动测尺进行十字布点法测量。

3.2 巷道顶板离层量：采用巷道顶板离层仪(双基点)观测。离层指示仪安设在巷道中部，每100m安装一个。双基点离层指示仪的深基点固定在锚杆上方较稳定的岩层内（深6m），浅基点固定深度与锚杆端部位置深度相同（深2m），顶板离层临界值为100mm。

4锚索支护设计方法

锚索支护参数确定：预应力锚索加固支护设计方法采用工程类比法和理论分析法，借助矿井类似条件下的实践经验并进行了支护参数设计。

4．1 经验设计法①长度（L），根据围岩弱化高度确定。②间排距（D），按D≤2/3L，加固带厚度H=0.6L。③设计载荷（N1），根据承载要求分配或以预应力控制，N1≤0．95PtkA。

4．2 支护参数设计法按广义悬吊作用进行锚索加固设计，保证锚索有能力承担承载范围内潜在冒落岩层的重量。巷道基本参数如表1所示。

①计算巷道顶板潜在冒落拱高度：H=B/Ksf式中：B-巷道宽度，4．4m。Ks-顶板岩性系数，取0．45；f-直接顶普氏系数，取4．0。计算得H=2．44m。②潜在冒落拱面积为：S=4/3×4.4/2×H=7．16m2。③巷道每米长度范围内潜在冒落岩石重量：G=S×1×ρ=7．16×1．9×1=13.6t。④锚索破断载荷Nt，由式Nt=A×η×Ptk，式中：A-预应力锚索的截面积，mm2；η-锚具效率系数，取0．9～0．95；Ptk-锚索强度标准值，1860MPa。计算得Nt=230kN。⑤双锚索所能承担的冒落长度为：L1=2Nt/G=3．38m。⑥锚索密度D：由L1=3．38m，锚杆排距700mm，取D=2．8m，即每4排锚杆间布置2根锚索。⑦锚索锚固长度La：根据实践经验，选用1根CK-Z2370和1根Z2380树脂药卷做锚固剂，采用Φ28mm钻头打眼，则实际锚固长度为：La=1438mm。⑧确定锚索长度L：L=0.75B+La+Lb式中:Lb -锚索外露长度，一般为0．3m，则：L=5.02m。考虑巷道顶板离层后的平整度，故确定锚索长度为5.2m。

5锚索加固支护效果

在预应力锚索加固前后进行对比观测，观测数据见表2。

采用锚索加固支护与全螺纹钢等强锚杆支护体系相比较，两帮位移速度和顶底板移近速度均大幅度降低，顶板离层量仅为6mm，远小于临界值100mm，说明巷道围岩已基本趋于稳定，支护方式完全可行。

6预应力锚索加固支护经济效益

全锚梁网修护巷道支护每排支护费用321.61元，即每米支护费用459.4元。而采用预应力补强加固支护，一套锚索单价119元，每米巷道支护费用85元。比全螺纹钢等强锚杆支护系统减少巷道维修费374.4元/m，见表3。

7结论

7.1 采用锚梁网支护体系修复受动压和深部地应力影响的巷道不能有效地控制围岩的位移变形，而且支护成本高。

7.2 在深部煤巷中采用预应力锚索补强加固支护是成功的，可有效地控制巷帮和顶底板的位移，使巷道围岩基本趋于稳定，支护方式完全可行。由于在管板高温下工作，有必要对检验高温下的力学性能。试验是在MTS-880材料试验机上进行（见表2）。材料的力学性能符合标准[1]。

3管板的宏观和显微组织分析

3.1 管板的宏观分析由图2可见：管板断口平整，颜色灰暗，没有明显的塑性变形，属于脆性断裂。裂纹起源于沟槽处，呈树枝状向外发散，尾部极为尖锐，瞬断区的宏观断口平整，外观比较清晰。裂纹宏观形貌具有应力腐蚀裂纹的典型形貌特征。

3.2 管板的宏观和显微组织分析从图3中可看出，管板材料的金相组织为铁素体+珠光体。铁素体+珠光体呈带状分层交替分布，这种组织称为带状组织，带状组织级别为3级，而正常的带状组织应小于2级，图3表明管板的带状组织超标[2]。高温下的钢材晶粒度为6级，晶粒大小正常，分布不均匀。管板的夹杂物含有铝硅酸盐的夹杂物和氧化物夹杂物，其中铝硅酸盐呈细小球状均匀分散分布，等级为2级，氧化物夹杂物呈粗大颗粒状，均匀分布等级为4级；两者夹杂物等级之和为6级，标准材料的夹杂物等级为不大于5.5级。所以，此材料的夹杂物等级超标[3]。

4断口及腐蚀产物分析

4.1 断口分析将管板进行处理处理，制成扫描电镜试样，使用7500型扫描电镜对试样进行扫描观察，图4为断口的微观形态，微观形态呈放射状由中心向四周发射，它的平面是断裂单元，撕裂岭由平面之间最后连接的部分通过塑性变形方式撕裂而成，该处呈现一定的弧度，在裂纹扩展区，裂缝起源于晶粒内部的非金属夹杂物或硬质点，断口微观形貌如河流花样一般从小中心向四周扩展，形态短而弯曲，支流较少，且扩展连续。具有准解理断裂面的典型特征。从图5中可看出，管板微观裂纹形貌为树枝状分枝，裂纹尾部十分尖锐，裂纹多以穿过晶界为主，伴随着少量的沿晶，是典型的应力腐蚀裂纹形貌，也就是说断裂更接近应力腐蚀断裂。为进一步验证应力腐蚀断裂的推断须进一步分析断口处的腐蚀介质。

4.2 腐蚀介质分析将管桥中裂纹部分沿裂纹打开，采用能谱仪对断口的腐蚀物进行分析。图6为断口腐蚀物能谱分析结果。从图中可以看出，腐蚀物中主要含有Fe、Al、C、S、Si、O、Cu。其中Fe、Cu主要来源于钢材本身。C和S来源于油品中，O、Si、Al来自硅铝酸盐裂化催化剂。说明管板开裂后，管程中的油品进入到裂纹当中，对裂纹尖端会产生较大的腐蚀作用[4]。

5应力腐蚀的机理

当管板在应力作用下，金属表面的缺陷处或夹杂物形成微裂纹源，裂纹非常窄小，孔隙内外溶液不容易对流和扩散，形成所谓“闭塞区”，在局部区域内，一方面金属原子变成离子进人溶液，另一方面电子和溶液中的氧结合形成氢氧根离子。在闭塞区，氧迅速被消耗，得不到补充，最后只能进行阳极反应。孔隙内金属离子水解产生氢离子，使PH值下降。由于裂纹内金属离子和氢离子增多，为了维持电中性，裂纹外的硫阴离子移至缝内，形成腐蚀性酸，使裂纹内腐蚀以自催化方式继续进行。

6结论

6.1 经锻造后，管板内存在带状组织夹杂物等缺陷，且夹杂物等级超标。

6.2 由于温差应力、制造应力、工作应力、残余应力下造成管板内有很大的应力。

6.3 通过对管板断口的宏观和微观分析可知，该断口为应力腐蚀断口。

6.4 通过对腐蚀产物分析表明管板出现裂纹时，管程中的油品进入到裂纹当中进一步加速了腐蚀的发生。

参考文献：

[1]刘丙会.油浆蒸汽发生器管板失效分析石油化工设备技术，2007，28，（1）：57-61.

[2]上海交通大学《金相分析》编写组编.金相分析[M].北京：国防工业出版1982，4.

[3]袁黎明.油浆蒸汽发生器管板开裂原因分析及防治措施[J].石油化工设备技术，2005，26，（2）：12-15.

[4]郭文浩，张国福，宋天民等.蜡油蒸汽发生器管板开裂原因分析炼油技术与工程2007，36，（5）:27-29.