“三软”大跨度煤层巷道锚杆支护技术研究.pdf

8 锚杆支护 2 0 0 1 年第 3 期 “ 三软”大跨度煤层巷道 锚杆 支 护技 术研 究 柏 建彪侯朝炯 中国矿 业大学 采矿 袁 摘要运用锚籽支护 围岩强度 强化理论和注浆加 固原理，提出 “ 三软”大跨度煤层巷道围 岩控制机理，研究了合理 的注浆、锚杆支护和小孔径预应力锚 索加强支护技术 ，并介绍一个 工程 实 仇 关键词 “ 三戟” 固岩媒巷高强锚杆注浆 1 前言 “ 三软 ” 大跨 度煤 层巷道 围岩属 于差异性 很大的非均质层状赋存，表现为围岩难以形 成承载结构 ，强烈的两帮移近、片帮及围岩 不均匀的整体下沉。顶板 、两帮变形相互作 用 、相互影响，一方变形失稳 ，必然导致另 一 方失稳 。形成恶性循环 该类回采巷道采 用传统支护方式如工字钢支架、U 型钢可缩 支架支护时不仅在掘进影响期间围岩变形剧 烈 ，而且 在掘后 较长 时间 内难 以趋 于稳定且 变形量大 。在服务期间需多次翻修 ，巷道维 护极为困难。随着采深增加，这类巷道的维 护同题将越来越突出，因此 ，寻求一种有效 的支护方法具有 重要意 义 。 根据锚杆支护围岩强度强化理论 ，高强 锚杆有着具有较大的抗剪强度 、能提高围岩 力学参数 、有效控制顶板离层等特点 ，以及 高水逮凝材料注浆提高围岩强度和锚杆锚固 力这一原理，提出了 “ 三软”大跨度煤层巷 道锚注联合支护方案，实施后显著改善了该 类巷道的维护状况 。 2 “ 三软”大跨度煤层巷道支护原理 2 ． 1 高强锚杆支护强化巷道围岩强度 研究表明，锚杆支护可有效提高锚固体 的力学参数， 包括锚固体破坏前后的 C 、 ， 尤 其对岩体 内摩擦角 有显著提高 ，而 内聚力 C的提高幅度不大 ，锚固区域内岩体的峰值 强度、 峰后强度和残余强度均能得到强化。 锚 杆支护使围岩 由二向或单向应力状态转变为 三向应力状态 ， 从而提高围岩的承载能力 ， 改 善巷道的维护状况。锚 固体的强度可按下式 计算 一 0 ． 4 1 5 ． 8 9 2 C t a n 4 5 。 ／ 2 一 0 ． 4 2 6 ． 4 2 C。 t a n 4 5 。 ／ 2 二式中 锚固体极限强度 ，Me a ； 锚固体残余强度 ，Me a ； 锚杆提供 的支护强度 ， Me a ； c 锚固体达到极限强度的内聚 力 ，MP a ； 一 锚固体达到极 限强度的内摩 擦角 。 ； 锚固体 残余 强度 的 内聚力 ， M ea； 锚固体残余强度的内摩擦角 。 。 由二公式可见， d 1 、 随着 C、 、 C 、 、 的增加而提高 ，尤其是 的提高对 围岩 强度提高影响更为显著。 因此采用高预紧力、 高强锚杆可显著提高锚固区围岩的强度、承 载能 力 2 ． 2 加 固两帮保持 围岩稳定 一 般 “ 三软”煤层巷道两帮煤体强度小 于顶底板岩层强度 ，是巷道围岩承载结构中 的薄弱部位 ，最易破坏而丧失支撑能力 两 维普资讯 2 0 0 1 年第 3 斯 锚杆支护 帮变形对顶板稳定有较大影响．煤帮强烈相 对移近 、破坏 ，形 成大 范 围的破 裂 区、塑性 区 ．失去 了对 顶板的支 撑 ，扩大 巷道 顶板跨 度而引起顶板离层破坏 ．顶板岩层承载能力 降低、 甚至垮落 因而控制两帮煤体变形、 破 坏是对顶板 的有效支撑 。煤 层巷道 开掘后 两 帮为应力集 中部位 ，围岩塑性区首先在两帮 发展。 提高两帮支护强度和煤体残余强度 ． 可 控制两帮破裂 区 、塑性 区的进一步 发展 ，增 强两帮对顶板 的支撑 ，防止顶板离 层 ，达到 提高围岩整体承载力的 目的。因此 ，“ 三软” 煤层巷道两帮支护强度和煤体残余强度的提 高是该类巷道 围岩控制的另一个关键 。 2 ． 3 高阻 让 压 支 护 控 制 围 岩 变 形 虽然高强锚杆支护提高了围岩 的强度 ， 但即使采用具有很大支护阻力的支护体维护 。 三软 ” 煤 层巷 道 ， 也难 以避 免围岩产 生较大 的变形 ；另外 回采巷道服务 时间短 、对巷道 断面尺寸要求低 ， 允许围岩产生较大变形。 因 此 ， “ 三软” 煤层巷遭的支护在具有较高阻力 的同时必须具有较大的变形性能，使围岩的 变形能量得到释放而让压，防止支护在高支 承压力作用下被破坏 ，导致围岩变形不受控 制而失稳。因此 ，应采用高阻让压支护控制 “ 三软”大跨度巷遭围岩变形。 3 锚杆 支护 、洼 浆加固技 术 3 ．1顶 板 支 护 “ 三软” 煤层巷道顶板稳定性差， 易产生 离层 、冒落 ，应采用树脂全长锚固高强锚杆 支护强化顶板 。高强锚杆全长锚固在锚杆长 度范围内岩层任一点产生较小的变形 、离层 时．杆体对围岩产生较大的约束力 ，阻止岩 层离层， 因而顶板岩层强度和刚度显著提高， 减少顶板下沉量 ；同时锚杆中部受力大 、两 端受力小 ，避免了端头锚固锚杆两端受力较 大 ．锚固端顶板受集中力作用易破坏 、锚杆 螺纹段易拉断失效的弊端 ．使巷道顶板安全 性能得到提高。 3 2 两帮锚杆支护 极软煤 层巷道表 现为强烈 的两帮相对移 近 ，采掘期间在动压作用下产生大范围塑性 区 、破裂 区及掘 后稳定期 间 甚至 不能进 入 稳定状态产生速度较大的流变。合理的支 护技术应能提供较大的侧 向支护阻力 ．控制 两帮塑性区的发展， 降低塑性区的流变速度 ； 同时该支护 又要能适应两帮的较大变形 应 用增强可拉伸锚杆支护两帮，实现高阻让压 支护 ．在给两 帮提 供较大侧 向支护阻 力的同 时 ， 允许两帮有较大变形， 降低 围岩压力 ， 改 善支护受力状况 ，巷道维护状况好 。可拉伸 增强锚杆力学性 能见表 1 。采用树脂锚 固剂 卷加长锚固， 增大锚固剂与煤体的接触面积 ， 提高两帮锚杆锚固力。极软煤体可采用锚 固 长 度 为 6 5 0 1 0 0 0 mm 的加 长锚 固 ，使锚 固 力与锚 杆极 限拉力相 匹配 。 表 1 可拉伸增强锚杆力学性能 直径 螺纹特征 屈服载荷 破断载荷 延伸率 破断位置 ram kN kN 热 处理 4 4 6 9 l 6 7 扦 体 l 4 来处理 3 1 ． 4 4 9 ． 3 3 ． 3 尾部螺纹 热 处理 6 0 8 9 l 8 ． 6 杆体 l 6 来处理 4 4 ． 9 6 6 ． 6 3 ． 3 尾部螺纹 3 ． 3两帮 煤 体 注 浆 加 固 注浆加固可显著提高巷遭 围岩强度。极 软煤 层巷道掘 出以后 ，浅 部 围岩在 支承 压 力 作 用下 产生破裂 区和塑性 区 ，以极 小的残余 强度参与围岩稳定过程 。而通过注入高水速 凝材料充填破碎围岩的裂隙，加上注浆材料 的粘结作用．可显著提高固结体的强度和刚 度，围岩的破坏由原来强度较低的弱面、裂 隙控制转变为由强度较高的固结体控制 。运 用高 水速 凝材料对 巷道 两 帮塑性 区 、破裂 区 煤层注浆加固， 加固圈厚度可达 2 ． 0 ～3 ． 0 m． 固 结体 强度 达 2 ～ 3 MP a ，显 著 提 高 了破 裂 区、 坦性区煤体的残余强度 ， 保持两帮稳定。 两帮煤体注浆加固后 不但提高了煤体强度 ， 而且提高 了煤体与树脂锚 固剂之间 的粘结 力 ，加长了锚杆的锚固长度，提高锚杆锚 固 维普资讯 l 0 锚杆 支护 2 0 0 1年 第 3期 力。极软煤体注浆加固后锚杆锚固力般可 提高 1 0 k N以上。 因此， 注浆加固控制极软煤 层巷道围岩变形、保持围岩稳定效果显著。 4 工程实例 4 ． 1 地 质 条 件 某矿煤层单轴抗压强度 1 ． 5 ～2 ． 0 MP a ； 直接顶为泥岩或砂质泥岩， 单轴抗压强度 1 5 ～ 3 0 MP a ； 底板为砂页岩 ， 遇水具有膨胀性 ， 试块单轴抗压强度为 3 1 ． 5 MP a 。 开切眼埋深 4 0 0 4 5 0 m，断面宽高为 5 ． 0 X2 ． 6 m 。 4 ． 2开 切眼支护方囊及 参数 顶板用树脂全长锚 固高强螺纹钢锚杆支 护 。 锚杆直径 2 2 m m、 长 2 4 0 0 mm，间排距均 为 8 0 0 ra m。配合金属 网和 w 钢带作铺助支 护。 考虑开切眼宽度达 5 m， 且顶板岩层强度 小，采用小孔径顶应力锚索加强支护。锚索 直 径 1 5 ． 2 4 ram、长 9 ． 0 m。锚 索 孔 直 径 2 8 mm，采用树脂锚 固剂卷锚固，锚固长度 1 0 0 0 mm。在切眼中部布置 1 根锚索，间距 5 m。两帮用 Q 2 3 5圆钢可拉伸增强锚杆 支 护 ，树脂锚 固剂卷加长锚 固，锚 固长度 为 6 6 0 mm。锚杆直径 1 6 mm、 长 1 8 0 0 mm，间距 7 0 0 mm、 排距 8 0 0 mm。 采用双抗塑料网和纵 横双向布置的钢筋梯子粱护帮。 圉 1 锚杆布置冒 4 ． 3注 浆加 固 两帮用 Z K D高水速凝材料作固化剂， 水 灰比为 1 ． 5 1 。 在两帮中部各布置一个直径 4 2 mm、深 2 4 0 0 m m 的注浆孔，注浆孔排距 3 ． 2 m。 注浆终压 1 ． 0 MP a ， 每孔注浆量 5 O ～ 1 0 0 I 。水灰 比为 1 ． 5l时 Z KD高 水速 凝材 料的力学性能见表 2 。顶板采用聚胺脂作固 化剂。在顶板中部布置一个直径 4 2 m m、深 2 4 0 0 m m 的注浆孔。注浆孔 向工作面推进方 向倾斜并与铅垂线夹 角为 3 0 。 ，排距 3 ． 2 m。 注浆 终压 1 ． 0 MP a 。 表 2 Z KD高木速凝材料的力学性能 韧凝时问 单轴抗压强度 MP a 水 灰 比 rai n 2 h J 2 4 h 3 d 7 d 1 ． 5 】 5 4 4 8 l 9．1 4 l 1 ． 8 1 2 ．5 4 ． 4 巷道 维护 效果 开切眼采用上述方案支护后围岩变形情 况 见 图 2 。 由图 2可见 ，巷 道掘进影 响期 l 0 天左右，巷道掘出第 9 天运用高水速凝材料 对两帮煤体注浆加固，巷道顶底板 、两帮相 对移近速度分别由第 9 天的 7 m m／ d 、 l Z m m／ d降至 第 1 0 1 2天 的 3 ． 7 mm／ d 、5 ． 3 mm／ d， 并且快速减小， 稳定在 1 ． 5 mm／ d左右 。 注浆 前两帮锚杆拉拔力一般在 5 0 k N左右 ，而注 浆 3天后达到 6 0 k N以上 。 锚杆支护和锚索、 注浆加 固加强支护控制巷道 围岩变形效果 好 。从掘进到综采支架安装期间 ，巷道顶底 板、两帮相对移近量分别为 2 0 4 2 4 6 mm、 2 3 4 3 1 2 mm。而相邻 的另一个开切眼地质 条件与之相似，采用工字钢支护 ，在掘进和 综采支架安装期间两帮片帮严重、大面积 冒 顶 ，极难维护 。因此采用树脂全长锚固高强 锚杆支护和锚索、注浆加固加强支护控制了 “ 三软” 大跨度煤层巷道围岩变形 ， 保护巷道 围岩稳定，改善了巷道维护状况。 mO 一 Ⅲ ’ 蕾I 蔷 ∞ 8 H 。 H 维普资讯 2 0 0 1 年第 3 期 锚杆支护 5 结论 1 “ 三软” 大跨度煤层巷道顶板和两帮 变形相互影响、相互作用，其中任意一方失 稳 ，必然导致巷道围岩整体失稳，二者的支 护控制同等重要 2 树脂全长 锚固高强锚杆 支护 系统 强 化了顶板强度 ，控制了顶板离层，是确保顶 板安全的有效措施 采用注浆加固和树脂加 长锚固增强可拉伸锚杆支护两帮，提高了极 软煤体的锚杆锚 固力和煤体残余强度 。上述 支护技术有效保持 “ 三软”大跨度煤层巷道 围岩稳定。 参考文献 1 侯朝炯 ， 郭励生， 勾攀峰 ．煤巷锚杆 支护 ．徐州 中国矿业大学出版社 ， 1 9 9 9 ． 1 1 2 ～ 1 6 2 侯朝炯 ， 何亚男， 李晓等 ．加固帮角、 控制底臌的研究 ． 煤炭学报， 1 9 9 5 3 2 2 9 ～ 2 3 5 3 侯朝炯 ， 何亚男 ．杆体可拉伸锚杆 ． 岩石力学与工程学报 ，1 9 9 7 6 5 4 4 5 4 9 第一作者简介柏建彪男 ，1 9 6 6年出生． 1 9 8 9年毕业于中国矿业大学， 博士 毕业后 留校工作 ，主要从事巷道矿压理论与围岩控 制技术的研究和教学工作。发表 “ 巷道顶板 锚杆支护机理的极限载荷分析” 、“ 练放沿空 掘巷围岩控制机理及支护技术研究” 等论文。 邮政编码 2 2 1 0 0 8 收祷 日期2 0 0 O 一0 8 2 9 ；责任编辑 周正行 上接第 7页 关 、阉新路 ，取得 了巷道支护改革的丰硕成果 。我们深知 ，科学技术的发展是 由必然王国向 自由王国的进程。何况 ，我省煤矿推广使用的锚杆支护技术与国内外先进水平相 比仍相差很 远 ，今后任务更加艰巨 ，要继续努力学 习、实践和探索。 第一作者简介包尚贤男 ， 1 9 4 4 年出生。1 9 6 8 年毕业于山东矿业学院采矿系 。 多年主管煤 矿生产技术工作，曾主管江西煤矿推广使用单体液压支柱和煤巷锚杆支护技术 。现任江西煤 矿安全监察局局长 ，教授级高级工程师。已发表论文数十篇 。邮政编码3 3 0 0 4 6 收稿 日期2 0 0 1 0 8 0 1 f责任编辑用正行 上接目录页 纯的锚杆支护包括锚、网、喷支护已经不能满足井巷支护的要求，而需要与其他支护形式组 台成为联台支护形式才能胜任。因此 ，各种支护形式在煤矿井巷都不同程度地得到广泛应用 和发展。为了适应支护改革 势的发展，促进各种井巷支护技术的推广应用，中国煤炭工业 协会煤矿支护专业委 员会决定 ， 锚杆支护杂志从 2 0 0 1 年第四期起更名为 煤矿支护 ，同 时进行 改版 ，相应 调 整、增设 拦 目，扩 大报道 内容 杂志封 面改 为彩 色。页码暂不 变。 煤矿支护将全面反映我 国煤矿各种支护技术的发展。希望从事井巷支护研究、设计、 施 工和管理、设备制造以夏教学的 同志们 热情支持 煤矿支护杂志的诞生 ，使 煤矿支 护杂志真正成为从事井巷支护教学、科研、工程施工技术人 员学术交流的百花园。 煤炭工业锚晴支护情报中心站 锚 杆 支 护编辑 部 维普资讯