软岩巷道锚喷竹条网联合支护技术研究.pdf

文章编号 1 0 0 3 5 9 2 3 2 0 0 3 0 1 0 0 4 4 一O 3 软岩巷道锚喷竹条 网联合支护技术研究 李树清“ ， 王卫军 ， 冯涛 ， 潘长 良 1 ．中南大学 资源与安全工程学院 ， 湖南 长 沙 4 1 0 0 8 3 ； 2 ，湘潭工学院， 湖南 湘潭 4 1 1 2 0 1 摘要 应 用软 岩巷道 支护理论 ， 分析 了梅 田矿 务局 六矿原支护方案失败 的原 因， 提 出了锚喷竹 条网联 合 支护方案 ， 在工 程实践中研究 了这一支护技术使用过程 中的有 关问题 ， 取得 了良好 的支 护效果。 关键 词 软岩巷道； 联合 支护 ； 锚喷 中图分类号 T D3 5 3 ． 6 文献标识码 A 软岩巷道围岩控制是长期 以来困扰煤矿生产 的难题之一 ， 国内外许多专家 、 学者就此进行 了大 量的研究 ， 提出了一些控制效果 良好的支护方法 ， 如锚喷网注联合支护、 锚注支护等 。 然而， 由于成本 高昂等原因， 这些支护方法在 中小煤矿很难推广。 本文针对这一问题 ， 在分析梅田矿务局六矿软岩支 护工程实践 的基础上 ， 应用软岩支 护理论[ 1 ] ， 提 出了锚喷竹条网联合支护方案。 1 工程背景 试验巷道北十采区回风石门位于梅 田矿务局 六矿红 星井1 5 0 m 水平， 埋深 2 6 0 m， 水平布置 在 1 3煤 顶板、 1 2煤底板 中， 全长 4 0 1 T l ， 跨度 2 ． 4 m， 断面形状为直墙半 圆拱 ， 断面面积 5 ． 2 0 m ， 服 务年限 2 ． 5 a 。 巷道 围岩为砂质泥岩和粉砂岩 ， 岩性 松散 ， 易风化剥落 ， 层理发育。 围岩的矿物成份为高 岭石 3 5 左右， 伊利石 1 O 左右 ， 石英 4 5 左右 ， 绿泥石和菱铁矿 1 O ％左右。砂质泥岩力学参数为 抗压强度 2 2 ． 4 MP a ， 抗拉强度 0 ． 8 2 MP a ， 内磨擦 力 0 ． 7 9 2 MP a ， 内磨擦角 3 1 。 。 巷道所在地质构造区 内有 F 。 。 断层和背斜构造 ， 构造应力较大。 该巷道原采用普通爆破法掘进 、 砌墙架钢梁支 护。巷道掘进期间片帮掉块频繁， 使用期间变形严 重 ， 侧墙鼓出开裂 ， 顶板压裂。 2 支护结构的确定及支护机理 经分析原支护方案失败的原因在于 1 施工 工艺不合理 。原方案采用普通爆破法掘进 ， 造成巷 道成型差 ， 超挖量大 。 当采用砌墙架钢梁支护时 ， 由 于支护体 壁后充填不实 ， 巷道 围岩得 不到及时支 护， 原本松散破碎的岩石即发生松动 冒落。冒落下 来的岩石重量都 由支架承受 。 开始时支架支承的岩 石量小， 随着时间的推移 ， 冒落岩石越来越多 ， 支架 支承的岩石量也越来越多。 当岩石量达到一定程度 时， 支架顶部将屈服破坏 ， 巷道顶板随之下沉。同 时， 由于巷道顶部 围岩松动范 围加大 ， 作用在巷道 顶部围岩的一部分应力将转移到巷道两侧围岩 ， 巷 道两侧应力集中系数随之加大 ， 这加速了两侧岩体 不稳定蠕变的发展 ， 造成巷道两侧支护体 的破坏。 另外 ， 普通爆破法对 围岩的震动破坏大 ， 造成 围岩 裂隙发展与松动范围加大 ， 大大降低了围岩的强度 和 自承能力 ， 加速 了支护体的破坏。 2 支护形式 不当。砌墙架钢梁支护是一种刚性 支护形式 ， 在充 填及时的情况下能保护围岩的强度 ， 但不能满足围 岩变形的要求。 3 保护 围岩强度和完整性 不力。 该巷道围岩中含有伊利石和高岭石 ， 这两种粘土性 矿物都具有膨胀性 、 崩解性和流变性 ， 遇水易膨胀、 软化和崩解。 巷道开掘后， 围岩与水作用 ， 其强度降 低 ， 从而导致巷道强烈变形 。而原支护方案对此没 有采取针对性的控制措施。 另外 ， 在放炮后， 原支护 方案没有采取措施及时封闭围岩， 使得节理裂隙受 风化作用而继续发育 ， 围岩强度进一步降低 ， 从而 加剧 了巷道变形破坏 。 基 金项 目 湖南省 自然科学基 金项 目资助 0 1 J J Y2 1 5 4 收稿 日期 z 0 0 2 一O 7 2 1 作者简介 李树清 1 9 6 9 一 ． 男 ， 工 程师 ， 1 9 9 4年毕业 于湘潭 矿业学 院 现湘潭工学院 采矿工程专业 ． 并获学士学位 ， 目前在 中南 大学攻读安全技术工程专业硕士学 位 ， 从 事矿山安全领域 的教学和科研工作 ． 发表论文 5篇。 4 4 2 0 0 3 ． № 1 矿 山压力与顶板 管理 维普资讯 依据软岩巷道支护的原理和原则 ， 汲取原支护 方案失败的教训 ， 确定采用锚喷竹条网联合支护的 支护结构。 锚杆支护的实质是锚杆和锚 固区域的岩体相 互作用而组成锚 固体 ， 形成统一的承载结构 。它可 以提高锚 固体 的力学参数 E、 C、 ， 增强锚 固体 的强度 。 文献[ 3 ] 通过相似材料模拟试验得出了平面 应变情况下 的锚 固体 的极限强度表达式 2 和锚 固 体变形至残余强度时的强度表达式 3 。 l 一 0 ． 4 1 5 ． 8 9 2 C t a n 4 5 。 2 1 l 一 0 ． 4 2 6 ． 4 2 C t a n 4 5 。 ／ 2 2 式中 锚 杆提供的轴 向应 力， 可 由一定条 件下锚杆的容许拉拔力确定 ； 。 ， 与锚 固体 变形 阶段相对 应的强 度 ； C、 C 锚 固体变形 阶段相对应 的 内磨 擦力 ； 锚 固体变形 阶段相对应的 内磨擦 角。 根据 上述 表达式可知 锚杆 一方面提供轴 向 力 ， 增加围压， 改变巷道 围岩的应力状态 ， 另一方面 改善被锚 固岩体的力学性 能， 提高 了锚 固体 的强 度 ， 从而增强 了巷道围岩的稳定性 。喷射混凝土的 目的一是封闭巷道围岩 ， 防止水和空气渗入 围岩 内 部， 减少软岩软化和膨胀 ； 二是作为一种永久支护 ， 增加支 护体强度 ， 从而提高巷道承载结构 的稳定 性 。 此外 ， 喷层还能使竹条 网免受井下空气腐蚀 ， 保 护竹条网的强度。 竹材具有弹性好 ， 耐变形能力强等特点 ， 且有 较大的抗拉强度和一定的抗剪强度。 通过对梅 田地 区的毛竹做抗拉、 抗剪强度 实验 ， 得到的竹材强度 如表 1所示 。 另外 ， 竹材经过防腐处理后 ， 在相当长 的使用年限内能基本上维持其强度。因此 ， 在服务 年限较短 3 ～4 a 的巷道 中， 完全可以使用经过 防 腐处理的竹条作锚喷的骨架材料 。 竹条网与钢筋网 或铁丝网相比具有更好的柔韧性和弹性 ， 增强 了喷 层的让压性能 ， 且降低了巷道支护成本。 表 1 竹材强度实验结果 由此可见 ， 锚喷竹条 网联合支护的支护结构 ， 既能保证支护体有较强的支护力 ， 又能保护 围岩的 强度 ， 还能让 压， 释放 围岩的变形能， 因而是一种有 效的支护方式 。 3 实施步骤及有关参数的确定 3 ． 1 施 工 步骤 1 采用光面爆破技术掘进巷道 ； 2 爆破后立即打上顶部锚杆作为临时支护 ， 喷射混凝土及时封闭围岩 ； 3 扎竹条 网、 装管缝式锚杆 第一次支 护 ， 观测 围岩变形情况 ； 4 喷射混凝土 第二次支护 ； 5 根据需要对个别区段进行复喷 。 3 ． 2有 关参 数 的确定 1 喷射混凝土厚度 初喷混凝土厚度取 5 ～1 0 mm。复喷混凝土厚 度按冲切破坏理论进行计算。 为保证喷层不被危石 冲切破坏， 喷层 H 应满足 日 ≥ KP／ 0 ． 7 5 S RL 式中P 危石重量 ， k N； ＆复喷混凝土的设计抗拉强度 ， k N； 危石与喷层接触面的周边长度 ， m； K 冲切强度计算安全系数 ， K一2 ～3 。 对于试验巷道 ， K 取 2 ． 5 ， P、 S根据现场考察 分别取 1 ． 5 t 和 2 m， R 取 8 0 k N／ m。 。 根据上式求 得 H≥ 0 ． 0 3 1 12 1 。 另外 ， 从柔性支护角度 出发 ， 复喷混凝土的最 大厚度应不超过 H／ R 。 1 ／ 1 5 ， 即柔性控制的最大 喷射混凝土厚度为 H 。 一 0 ．0 6 67 R0 式中风巷道半径 ， 非圆形巷道半径取跨度的 一 半 。 对于试验巷道 ， 风 为 1 ． 2 m， 由上式求得 H一 一 0． 0 80 m 。 综上 ， 可 以确定复喷混凝土的厚度为 4 0 ～8 0 mm， 一般取 6 0 mm。 2 锚杆主要参数 ① 锚杆种类 管缝式锚杆适应性强 ， 在服务 年限不长的软弱破碎岩体和动压巷道均可使用。 因 该试验巷道 围岩破碎松散 ， 且服务年限仅为 2 ． 5 a ， 故确定采用直径为 3 8 mm 的管缝式锚杆。 ② 锚杆长度及间排距锚杆支护理论与实践 表明 ， 锚杆长度应大于巷道围岩的松弛区厚度。松 驰 区厚度可使用仪 器 如多点位移计 、 声波测试仪 等 测量 围岩松动 圈获得 ， 或者 应用 卡斯特 纳方 程 近似估算。而锚杆的长度并非越长越好 ， 一方 矿 山压 力与顶板管理2 0 0 3 ． № 1 4 5 维普资讯 面 ， 锚 杆长度太大不经济 ， 另一方面 ， 锚 杆长度太 大 ， 如超过塑性变形区厚度 ， 还会约束围岩的变形 ， 不利于让压 。根据该矿同类工程的经验 ， 结合卡斯 特纳方程近似估算的结果， 确定该试验巷道的锚杆 支护参数为 锚杆长度 1 ． 4 i n ， 间排距均为 0 ． 6 ～0 ． 7 i n。 3 二次支护时间 二次支护时间根据关键部位理论I s ] 进行确定。 所谓关键部位 ， 是指巷道 围岩 、 支护体统一承载结 构首先破坏的部位。它的变形特征表现为 围岩变 形继续 发展 ， 导致支护 体产生鳞状 、 片状剥落 、 开 裂 ， 围岩离层、 松动 ， 进而巷道失稳。软岩巷道最佳 二次支护时段如图 1 所示。 其具体方法是通过观察 关键部位的变形状态来确定 。当变形状态进入 A 区， 支护体多产生鳞状剥落； 变形状 态进入 B区， 伴随着产生片状剥落 ； 变形状态进入 C区， 将产生 块状崩落和结构失稳。 最佳二次支护时段就是产生 鳞状、 片状剥落的时间， 即 A 区和 B区。掌握最佳 支护时段 以后 ， 再根据施 工的具体要求 ， 确定二次 支护 时间 。 根据现场观测 ， 巷道掘进后约 1 0 0 d开始出现 鳞状剥落 ， 约 1 0 8 d开始出现 片状剥落 ， 所以， 确定 二次支护一般滞后 1 0 5 d进行 。 P 图 1 最佳 二次组合支护时段 曲线 4 竹条网参数 竹条宽度 为 2 0 ～3 0 mm， 厚度为 8 ～1 0 mm。 加工竹条时 ， 应尽量减少 竹条 内的竹节， 尽量 以竹 节作竹条的端部。铺设竹条网时 ， 竹条沿环向和走 向两 种 方 式 布 置 ， 竹 节错 开， 网孔 为 2 0 02 0 0 mm。环向布置的竹条约 5 ～6 i n长 ， 整条沿巷道正 断面紧贴巷道围岩成拱布置 。 走向布置的竹条约 4 ～5 m长 ， 沿巷道走 向与环向竹条隔孔穿插交织成 网。所有竹条的绿面均朝巷道空间， 白面均紧贴岩 壁 。 竹条 网铺设好 以后 ， 再分别在巷道的顶部 、 两帮 用 6 ． 5 l n m 的钢筋将 它压住 ， 钢筋与巷道锚 杆用 钢丝连接。最后 ， 用 1 8 的小铁丝将竹条与钢筋交 接处以及走 向竹条与环向竹条 的交接处扎好 。 ．4 6． 2 0 0 3 ． N 2- 1 矿 山压力与|璜板 量耀 4 支护效果 该巷道 1 9 9 9年 9月开挖 ，2 0 0 0年 1月完工， 服务年限 2 ． 5 a ， 2 0 0 2年 6月报废 。服务期内整个 巷道 支护效果 良好 ， 只有一处约 5 i n左右巷道因 锚杆安装质量问题翻修一次。 围岩变形观测 时间为 1 a ， 观测结果如图 2所 示 ， 巷道两帮最终移近量为 1 4 1 mm， 顶板下沉量 为 1 5 8 mm， 变形大部分发生在二次支 护以前， 即 1 0 5 d以前。最大变形速度为帮 4 ． 5 mm／ d ， 拱顶下 沉速度 5 ． 2 mm／ d ， 1 0 5 d以后 ， 由于二次支护的作 用， 变形速度显著下降 ， 在 0 ． 1 2 mm／ d以下 ， 1 8 0 d 以后降到 0 ． 0 2 4 mm／ d ， 巷道变形趋于稳定。 6 5 g 4 s 2 1 2 4 0 g 2 0 0 1 6 0 1 2 0 8 0 4 0 0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 8 0 2 4 0 3 0 0 3 6 0 t ／ d 图 2 巷道变形一 时间曲线 5 结论 软岩巷道的锚 喷竹条网联 合支护是南方小煤 矿比较实用的支护方案 。在支护的原理方面 ， 它与 普通的锚喷网联合支护类似 ， 具有锚喷 网联合支护 的特点。但它与普通的锚喷网联合支护相 比， 又有 其优点。 采用锚喷竹条 网联合支护 ， 取材方便 ， 巷道 掘进和支护施工简单 ， 投资少 ， 完全适应小煤矿生 产规模小的特点。 参考文献 [ 1 ] 陈炎光 ， 陆士 良． 中国煤矿 巷道 围岩控 制I- M] ． 徐 州 中国 矿 业大学 出版社 ， 1 9 9 4 ． 3 2 7 3 3 6 ． [ 2 ] 何满潮 ， 邹正盛 ， 邹友峰． 欹告巷道 工程概 论 [ M] ． 徐州 中国 矿业大学 出版社 ， 1 9 9 3 ． 9 9 1 0 3 ． [ 3 ] 侯朝炯 ， 郭 励生 ， 勾 攀峰 ， 等． 煤 巷锚 杆 支护 I- M] ． 徐 州 中国 矿业大学 出版社 ， 1 9 9 9 ． 2 2 2 4 ． [ 4 ] 王卫军． 软岩巷道 支护参数优 化与工程 实践 [ J ] ． 岩石力学 与 工程学报 ， 2 0 0 0 ， 1 9 5 6 4 7 6 5 0 ． [ 5 ] 王俊 臣， 何满潮． 关键 部位二 次组合支 护技术 及其 应 用[ J ] ． 煤炭科学技术 ， 1 9 9 9 ， 2 7 1 0 1 3 ． [ 6 ] 李世 平． 岩石 力学 简明教程 [ M] ． 徐 州 中 国矿 业大学 出版 社 ， 1 9 8 6 ． 1 1 7 1 1 8 ． 维普资讯