梁家煤矿软岩巷道支护的探讨与实践.pdf

绰 易 迨 荔 道互 兰 塑 墨 兰 苎 篷 垄 TD3 5 3 ／ ／ ，i 年 梁家煤矿软岩巷道支护的 探讨 与 实 践 龙口矿务局粱家煤矿滕锦生王元玉 -一 __一 1 p 3 3．5 - 摘要分析了粱家矿巷道破坏机理与几种支护形式的支护机理及支护实践， 总结出了 粱家矿在不同软岩工程分类中应采用的支护形式。 关键词软岩巷道支护形式 破坏机理支护机理锚喷支护 锚注支护锚 粱支护底臌 1 矿井地质概况 梁家矿煤系地层主要由泥岩． 含油泥岩、 粘土岩、 炭质泥岩、 砂岩、 泥岩和泥灰岩互层、 煤和油页岩组成， 大都属于泥质岩类。 岩石成 岩时间较短， 胶结程度差， 亲水性强， 为新生 代第三纪软岩 其特点是粘土矿物以蒙脱石 为主， 岩石强度低， 松软破碎， 粘结力和内磨 擦角小， 膨胀性矿物含量高． 膨胀性明显， 自 然含水率和吸水性较高， 崩解性强， 风化耐久 性差， 在工程力作用下， 易产生显著的塑性变 性和流变。 井田内以断裂构造为主， 正断层较 为发育， 受挤压构造力作用， 断层大多为东西 走向。梁家矿井属高应力状态复合型的软岩 矿井 2 巷道破坏机理 建矿期间， 施工巷道层位较好， 无动压和 支承压力的影响， 施工后巷道稳定。 随着旖工 巷道的增加和动压的增大， 软岩的特征得以 充分表现， 特别是初期来压剧烈， 加上岩层的 流变性表现充分， 采用常规的锚喷支护无法 适应软岩的变形特点， 造成巷道支护的相继 破坏， 特别是采动压力对采区巷道和几条上 山的冲击， 致使巷道相继遭到破坏， 返修率急 剧增大。巷道破坏形式为顶板沉降、 两帮内 挤、 底臌 ， 并且彼此关联。 2 ． 1 巷道变形特点 1 围岩 。‘ 般呈现蠕变变形三阶段的规 律， 有明显的时间效应， 变形速率随巷道开挖 时间延长而逐渐变缓。 2 受重力场和应力场的作用， 围岩的垂 直变形量大于水平变形量。 3 围岩的变形基本在 3 0 天内完成， 而 前 1 0 天变形量最大， 在无动压影响条件下， 围岩变形基本稳定时间一般为 4 O 天； 而在动 压影响下的变形呈持久性。 2 ． 2 巷道破坏原因 1 岩性因素。 梁家矿煤系地层本身稳定 性和承载能力较低 。 2 应力因素。随着巷道的开挖， 巷道顶 板岩层由于重力作用和应力重新分布集中， 出现断裂、 离层和变形， 会产生上覆岩层应力 和构造应力 ； 裂 隙节理发育的松散岩石克服 摩擦或精动会产生松散岩层应力； 围岩变形 受到支护的抑制会产生变形压力； 岩层中含 有大量的蒙脱石、 高岭石， 当风化吸水后， 其 膨胀率可达一倍以上， 随扩容会产生膨胀应 力 。 3 自 然因素。主要指风、 水两个自然因 维普资讯 l 2 山东煤炭科技 1 9 9 7 年第2 期 素的影响。以蒙脱石为主体的各类泥质岩的 最大特点是具有不可逆的成岩联结。 保持天 然湿度的未采动的泥质岩往往并不崩解， 此 时即使侵水也不易发生膨胀 泥质岩工程性 质的强烈恶化是在脱水干燥后再次侵水的反 复作用下发生的 掘进后。 若不及时封闭岩层 中的静压水、 裂隙水以及施工用水， 由f 通风 作用， 围岩表面风干脱水， 使泥质岩原始结构 干缩破坏 ， 此后 ， 若相对湿度再度增大， 特别 是排水不及时， 造成混质岩二次侵水， 强大的 毛细水渗入风干泥质微小鳞片的内部形成的 楔劈作用， 使其重新组合． 平衡． 便产生强烈 的崩解或膨胀． 剧烈时自身体积可膨胀一倍 到几倍。因此井下通风对围岩干湿交替的破 坏作用不容忽视 【 4 施工围素 爆破方式、 炮眼布置、 装药 量等控制不好， 会造成围岩松动范围的增大， 降低围岩的自 承能力， 直接影响支护结构和 巷道的稳定； 还会造成巷道成型不好 ， 出现应 力集中点； 施工用水管理不好， 或在扒装机扒 矸时破坏底板， 会导致底板膨胀变形发生底 臌 锚杆失散、 金属网与围岩不密贴等都将影 响巷道的稳定。 5 支护因素。 支护形式直接影响巷道的 稳定性， 这是我们所要研究的主要方向之一。 针对软岩的特性 。 应先以柔性支护顺应卸压 和流变． 再选择最佳时间以刚性支护保证永 久支护和围岩的完整性． 会收到事半功倍的 效果 6 时间因素。流变是软岩主要特性， 围 岩变形有明显的时间教应， 表现为初始变形 速率大， 变形趋向稳定后仍以一定速率流变， 且持续时间很长。所以巷道开挖后要求坎时 封闭支护． 在围岩弹塑性变形阶段就使围岩 作用在支护结构上的荷载和支护结构对围岩 作用的支护应力相适应， 避免围岩松动范围 的扩大。 因此必须确定合理的支护时间． 特别 是二次支护时间。 7 扰动因素。软岩对扰动十分敏感． 有 明显的空间效应 ， 其一表现为采掘工作面的 位置对其力学状态 的影响 其二表现为巷道 所在深度的影响 所 震动、 相邻巷道施工和 工作面采动对支护都会造成破坏。 3 几种支护形式的支护机理 3 ． 1 锚喷炙护机理 软岩条件下锚喷支护的依据是挤压加固 拱理论。 即通过锚杆的锚固作用． 锚网喷体与 松动岩体共同形成一定厚度的拱形压缩带， 抵抗碎胀变形。确保围岩形成一个完整的具 有强大承载能力的组合拱． 用以承载并防止 其自 身的变形． 维护巷道稳定。 锚喷支护是将锚杆喷体和围岩组成一个 整体， 利用和发挥围岩自身的支撑作用， 利用 围岩的自身强度来主动地支撑围岩． 而其它 的支护形式都是支护材料被动地承压， 难以 承受“ 三软” 地层的巨大压力， 锚喷支护显示 出了广泛的适用性和独有的优越性。锚喷支 护在我矿取得成功， 实现了我矿巷道支护由 被动式支护到主动式支护的飞跃， 并确定了 锚喷支护的核心和领导地位。 3 ． 2 锚注支护机理 注浆加固技术即锚注支护就是在巷道开 挖后围岩变形尚未稳定时。 利用浆液充填和 固结被破坏了的或者是原有的裂隙面， 提高 围岩的整体强度， 充分发挥岩体的承载能力． 参与巷道围岩应力的平衡过程。 注浆锚杆集注浆与锚固为一体． 利用注 浆管兼傲锚杆． 对于节理裂隙发育的围岩． 注 浆可以改变围岩的松散结构， 提高内聚力和 内摩擦角． 封闭裂隙。 阻止风水的侵蚀． 从而 提高围岩整体强度， 有利于巷道支护i 注浆加 固还可为锚杆提供可靠的着力基础 ， 使锚杆 对松碎围岩的锚固力得以充分发挥． 原承载 能力较低的端锚锚杆变成全长锚固， 使锚固 力大幅度提高。我们对掘进施工用的水泥药 卷端锚锚杆注浆前后进行了拉拔试验． 注浆 前锚固力为 1 ～3 t f ． 注浆后可达 4 ～6 t f 。 维普资讯 1 9 9 7 年第2 期 山东煤炭科技 3 另外， 对沿空送巷及靖风严重、 易发火的巷 道， 采用这种支护体系由于浆液和喷层封 闭 了全部裂隙． 故还有防灭火的作用。 3 ． 3 锚粱支护机理 经过观测分忻， 我们发现在果区巷道巾． 围岩的变形主要发生在岩体的破胀和挤压流 动期间， 解决这一问题的关键在于及时加大 对巷道顶板的控制力度 利用加长加粗的树脂锚 固锚杆， 通过锚 梁共同承受抵抗顶板压力。因为 锚杆的锚固 端伸入到深部较稳定的岩层中， 在保证其 自 身不移动和脱落的前提下 ， 锚粱可对松动 圈 根据实测， 我矿一般不超过2 m 范围内的岩 体形成挤压加固拱作用， 形成约 2 m厚度的 的拱形压缩带， 充分利用围岩的自身强度来 承载顶板岩层压力， 保持顶板的隐 定 同时． 肩部锚杆客观上起着减轻两墙应力使其转移 到拱形压缩带的作用， 大大缓解和改善了两 墙的受力状态。 锚注支护属恒阻让压， 支护有较大的初 撑力， 围岩始终在恒定的支护阻力下变形． 导 致围岩压力不断减少． 直到国岩压力等于支 护阻力而稳定。 锚粱支护属增阻让压． 支护初撑力不大， 随着顶板岩层的变形挤压， 支护阻力不断增 大， 顶板压力却逐渐减少． 直到两着平衡而使 顶板稳定 采取锚注和锚梁联合支护的特点是抗让 结合． 承载能力大， 整体强度高． 适应性强， 稳 定性好。 4 底臌的机理和防治 4 ． 1 底臌的影响西素 引起巷道底臌的因素很多， 其中影响撮 太的有底板岩层性质和围岩应力。 水理作用 及支护强度低等。 在实际中， 底臌是这些因素 相互影响、 共同作用的结果。 底板岩层首先在 偏应力的作用下扩容后． 引起软岩孔隙率、 含 水率的恶劣变化 ， 水更容易地进入岩体 勺部， 造成岩层更大程度地膨胀和软化； 扩容也造 成了底板强度的大幅度降低． 导致底板破坏 范围的不断扩大． 使巷道两帮位移量增加， 底 板岩层的弯矩增大． 位移量也增大 述冈素 括 作1 日 ． 就会目 I 发底板剧烈臌起 ， 4 ． 2 底臌 的防治 底臌的防治包括两个方面． 首先是预防． 其次是治理。为了保持底板岩层及整个巷道 围岩的稳定 ， 我们应该以预防为主． 以治理为 辅。 在巷道产生底暾之前 ， 就积极地采取措施 以阻止和延缓底臌的发生或减少底臌的位移 量 而当巷道产生底臌后， 则应采取措施控制 底臌。 1 底板防治水 及时排掉底板积水． 及 时封闭， 避免底板岩层被水软化。 2 底板稳定。 尽量选择较稳定的底板岩 层． 施工中尤其是放底炮和耙岩时． 要保护底 板不受破坏。 3 支护总体加固。 不能忽视对底板及两 墙角的支护 通过施打底角和底板锚杆或封 闭式支护 如 U型钢底梁和料石砌碹反底 拱 等措施． 提高底板的强度和稳定性。同时 要将底板与顶板的破坏相关联． 发现局部破 坏 ， 应及时处理 。 以便形成一个完整的支护体 系。 5 软岩支护实践 5 ． 1 选择台理的支护形武知支护参数 合理的断面形状， 应能改善围岩应力分 布状态． 减少应力集中， 特别是不让围岩出现 拉应力。松软岩层巷道应采取接近压应力轴 比的马蹄形或圆形 设计的断面应留允许围 岩变形 L O 0 2 0 0 m m的余量。 因软岩流变性明显． 巷道围岩变形持续 较长时间， 因此支护不能太早， 以允许有适量 变形， 城少支架上的压力， 但从加固第一张拉 域考虑 ． 则支护又是越早、 越及时越好． 解决 这一矛盾的唯一办法是分次支护。即在巷道 开挖、 围岩暴露后立即实施第一次支护 ， 及时 维普资讯 1 4 山东煤炭科技 1 9 9 7 年第2 期 封闭围岩． 约束攻拉域的变形， 以保持围岩固 有强度， 以后再在围岩变形速率明显下降时 进行二次支护。一次支护公认的是以锚网喷 支护为最好， 二次支护则是根据现场具体情 况选择。 5 ． 2 改善围岩力学性质， 克分发挥围岩的自 承能力 改善围岩力学性质的主要措施是提高岩 石力学指标， 包括挤压弹度、 弹性模量、 粘聚 力、 内磨擦角等． 为了达到这些目的， 可采用 封闭暴露围岩、 施打锚杆、 向岩体内注浆以及 支架壁后充填等方法。 5 ． 3 选择合适 的夏护体 选择合适的支护体的刚度和安设时间， 使支护特性曲线与围岩变形相适应。 5 ． 4 选择合适的两次支护时间 在软岩岩层中采用一次成巷部分封闭围 岩和构筑永久支护的施工工艺， 往往收不到 应有的效果 ， 应采用先“ 柔 后“ 刚” 的二次支 护 。 5 ． 5 加强对巷道底板的支护 加强底板管理是提高软岩巷道稳定性的 关键 。 5 ． 6 控制巷道围岩的超挖 爆破施工不但会使围岩受到震动， 还会 造成围岩超挖， 后者对围岩的应力影响很大， 使围岩应力状况恶化， 对巷道围岩的稳定性 十分不利。 5 ． 7 实行设计、 施工、 监测相结合的方法 根据施工过程中的监控量测， 来及时调 整支护参数 5 ． 8 巷道布置优化 在利于生产， 维护费用低的前提下， 尽量 使巷道的方向与构造应力的方向保持一致， 避免有较大角度的相交， 以最大限度地摆脱 构造应力对巷道支护造成的影响。 表 1 为总结出的梁家矿软岩工程分类及 其支护形式的选择 。 表1 粱采矿款岩工程分类殛其支护形武的选择 岩层类别 代表 岩石特征 支护形式 顶及底板处理 及稳定性 岩石 层理发育． 韧性大 I 类 稳定 油 2 单轴抗压强度较大 简单的锚喷支护甚至两 墙可以不挂金属网。 遇水不软化膨胀 单轴抗压强度较小 锚喷支护， 顶部煤层破 尽量{ 丹 顶板施工， 不要 口 类 较稳定 煤 碎， 可挂双层金属网， 两 破底， 底板可以设计庙 遇水不软化膨胀 帮可采用锚注支护。 拱或打底板锚杆。 泥砂岩 粘土质弱胶结 料石砌碹 I 类 不稳定 强度低， 遇水泥化 梯形工字钢 设置底拱 或砂岩 支架或u型钢 施工时应防治水 松散易冒 可缩式支架 单轴抗压强度量小 含大 锚粱联合 很不 含油 量蒙脱石， 遇水崩解泥 设置底拱全 Ⅳ 类 或锚喷 砌碹 封闭式结构 稳定 泥岩 化， 迅速膨胀， 具有流变 联合支护 性 维普资讯