专题-煤矿软岩巷道锚网索耦合支护技术研究.doc

1、专 题 部 分煤矿软岩巷道锚网索耦合支护技术研究摘要：本文介绍了软岩巷道支护理论和技术的发展及研究现状，分析了软岩巷道的破坏机理、变形影响因素及支护原理。单纯的依靠某一种支护理论或某一种支护形式很难满足工程需要，因而介绍了锚网索耦合支护，阐述了耦合支护的概念、支护原理及支护原则，并通过工程实例来说明软岩巷道锚网索耦合支护的实现。关键词：软岩；巷道支护；耦合支护1 绪论煤炭资源自工业革命以来一直是工业发展的基本推动力，煤炭的开采随着经济的发展逐渐成为一门专业学科。在开采过程中，如何维护巷道的稳定性成为采矿工程乃至岩土工程急需解决的问题。多年来，巷道的支护手段和支护方法有了长足的发展。从被动的棚子

2、支护到主动的锚杆支护，针对不同的地质条件和实际工程条件，它们有不同的使用范围。同时，在支护的发展过程中，支护理论有了比较完备的发展。锚杆支护是一种比较先进的支护方式，它可以适用于不同的地质条件，而且劳动强度低、经济效益好，但是对于地应力较大、岩层较软的巷道，单纯只用锚杆是不能达到巷道的稳定性的要求的。锚杆和锚索联合支护就能很好的维护软岩高应力巷道。在锚网索联合支护过程中，往往由于其中一种因素失效而导致整个支护结构失去作用，或者矿山压力只是作用于其中一种构件，其他构件不起作用，不能使联合支护达到完全耦合，充分发挥他们的共同作用。在以往的支护过程中，为了达到巷道的稳定性，单纯的从增加锚杆和锚索的强

3、度和刚度上着手，没有考虑支护结构和围岩的相互作用，不能充分挖掘锚杆和锚索支护潜力，尽管在经济上增加了投入，但是支护效果不明显。充分发挥联合支护的耦合作用不但能良好的维护巷道的稳定性，而且可以为煤矿经济带来更大的效益，在煤矿安全生产、高产、高效中具有重要意义。1.1中国煤矿软岩巷道工程的现状及特点1.1.1中国煤矿软岩巷道工程的现状(1) 地理分布范围广中国煤矿煤系地层中，具有软岩的矿井分布十分广泛。北起黑龙江、内蒙古南到广东、广西，东起山东、浙江，西到新疆、青海，具有软岩的矿井遍布全国各主要产煤省区，近半数的矿务局存在软岩矿井，有的矿务局甚至大部分或全部矿井是软岩矿井。据不完全统计，有软岩的矿

4、务局有黑龙江的鹤岗、鸡西，吉林的辽源梅河矿区、通化、舒兰、洋春，辽宁的抚顺、阜新、铁法、沈阳，内蒙古的扎责诺尔、大雁、平庄，河北的开滦、邢台、邯郸、峰峰，山东的龙口、新汉，河南的平顶山、郑州，江苏的徐州、大屯，沥江的长广，安徽的淮南、淮北，江西的萍乡，湖南的涟邵，四川的芜蓉、松藻，贵州的盘江、水城、六枝，云南的田坝、小龙潭、昭通，广东的茂名，广西的那龙、右江，陕西省的铜川、韩城，甘肃的靖远、华亭、阿干，新疆的乌鲁木齐，宁夏的石嘴山，青海的大通，还有相当数虽的地方矿等。随着中国第三纪新生代煤田的开采及老矿井采深的增加，软岩煤矿的数量和分布范围将会继续增加和扩大。(2) 跨越地质年代长中国煤矿软岩

5、的赋存，伴随着煤炭沉积的几个主要成煤时代。白古生代石炭二叠纪，中生代的三叠纪、侏罗纪、白垩纪到新生代的第三纪均有软岩赋存。由于生成地质年代不同，受区域构造影响不同，变质程度与成岩胶结作用不同，中国软岩各具特色，井具有明显的时代痕迹。古生代软岩多分市在中国华北、华东地区。其特征是以海相沉积为主，岩石的组成多以石灰岩、泥岩、砂质泥岩、页岩为主。岩石结构多以块状、层状为主，一般岩石胶结程度软好。黏土矿物以高岭石、伊利石为主，蒙脱石一般较少，也有部分岩层含伊蒙混层，含量多在5%15%，相对膨胀性稍差。受区域地质构造影响和多次构造影响的叠加，浅部及中深部软岩特征不甚明显，深部多数为高应力破碎软岩。中生代

6、软岩在大兴安岭以西、阴山以北均有分布。其特征是：岩石以陆相沉积为主，比古生代岩层成岩时间短，受构造破坏影响相对较小，成岩胶结程度较差。黏土矿物以伊利石和伊蒙混层矿物为主。部分矿区蒙脱石含量较高，司达20%35%，遇水泥化，有膨胀性。岩石结构多为层状、块状、破碎状结构。新生代第三纪软岩分布广泛。吉林、内蒙古、辽宁、山东、广东、广西、万南、新疆均有第三纪软岩存在。岩石成岩时间短，胶结程度差，强度低。黏土矿物以蒙脱石为主。一般含量为15%45%，最高可达70%，岩石亲水性强，有的膨胀性显著，物理化学活性强，风化耐久性差，遇水易解体成软泥。(3) 成因和结构复杂按成岩情况，中国软岩有沉积形成的厚层状、

7、薄层状、间层状、夹层状软岩，有火成岩低温蚀变及火山灰转化和断层泥状的软岩。其膨胀性、胶结性和物化活性各具特色。按岩石的结构状态有软弱型、松散型、破碎型及膨胀型软岩。1.1.2中国煤矿软岩巷道工程的特点和铁路、水电、公路等硐室、隧道工程相比，中国煤矿软岩巷道有如下特点：(1) 围岩软，强度低煤作为一种沉积矿产，与沉积岩共生，而且由于沉积韵律的控制，煤矿顶、底板往往是泥质岩，其强度一般较低。(2) 膨胀性煤矿软岩组分中一般含有大量的膨胀性矿物，岩石强度低，易风干脱水而产生塑性流变，尤易遇水变形、崩解、膨胀。煤矿中的一些泥岩属于此种岩类，是工程中最难处理的一种有代表性的岩体。(3) 深度大，应力水平

8、高铁路、水电、公路等硐室、隧道工程多在浅部开挖，地应力水平较低。然而，煤矿的开采深度目前多在500600 m，超过1000 m的矿井也越来越多。有些矿井在浅部开采时，软岩问题并不明显，但是到了深部以后，在高应力的作用下，软岩的大变形、大地压和难支护的现象明显地显露出来。(4) 无选择性由于煤系地层的赋存条件、沉积环境以及地质构造应力等的影响，煤矿软岩问题不可避免。例如，煤层顶、底板一般是含有大量膨胀性矿物的泥页岩，由于软岩膨胀而产生的变形破坏在所难免，要维持巷道围岩的稳定就必须采取相应的支护对策。另外，矿井开拓超过一定深度后，软岩问题就更加突出。(5) 动荷载作用由于受到施工扰动、放炮震动、煤

9、层开采等动荷载的作用以及相邻巷道施工和支护效果的影响，巷道或硐室围岩的受力状况进一步恶化，加大了支护的难度。(6) 时限性煤矿不同用途的巷道与硐室，其服务年限各不相同。对于开拓巷道，如井底车场、主要大巷等巷道和碉室，将服务干整个矿井，服务年限可以是几十年；采区上、下山等巷道服务于整个采区，服务年限一般为十几年；对于采区顺槽，它只服务于该区段，服务年限一般为1年左右。因此，煤矿软岩巷道有其明显的时限性。1.2巷道支护技术研究现状煤矿巷道支护经历了棚式支护到锚固支护的过程。锚固支护表现为主动支护，相对棚子的被动支护具有明显的优势：可显著提高支护效果、降低成本、减轻工人劳动强度、改善作业环境、保证安

10、全生产、有利于采煤工作面快速推进。1.2.1锚杆支护理论锚杆在锚固支护中起主导作用。由于近年来煤炭开采的强度逐年增大，锚固支护技术在大面积推广使用。实践表明，锚固技术除了以上的明显优势以外，它还能适应于不同的地质条件。在锚固技术推广使用过程中，以锚杆为主体的锚固理论得到了很大的发展。按现有锚杆支护理论，锚杆支护作用主要有悬吊理论、组合梁理论、加固拱理论、构造应力作用理论、提高围岩强度理论等。(1) 悬吊理论悬吊理论认为：锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上，以增强较软弱岩层的稳定性。这种支护理论应用比较广泛，但存在以下明显的局限性： 锚杆受力只有当松散岩层或不稳定岩块完全

11、与稳定岩层脱离的情况下，锚杆的支护阻力等于破碎岩层的重量，而这种条件在巷道中并不多见。 没有考虑锚杆安设后对破碎岩层变形和离层的控制作用。特别是当水平应力比较大时，顶板离层很大。为了减小破碎岩层的离层，保持顶板的稳定性，锚杆工作阻力必须增大。 当锚杆穿过破碎岩层时，锚杆提供的径向和切向约束会不同程度的提高破碎岩层的整体强度，使其具有一定的承载能力，从而减小锚杆受力。总之，悬吊理论在分析过程中不考虑围岩的自承能力，而是将锚固体与原岩体分开，与实际情况有一定差距。悬吊理论只适用于巷道顶板，不适用于巷道帮、底。(2) 组合梁理论组合梁理论认为：如果顶板岩层中存在若干分层，顶板锚杆的作用，一方面是依靠

12、锚杆的锚固力增加各岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象；另一方面，锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度，防止岩层间的水平错动，从而将巷道顶板的锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层（组合梁）。组合梁理论充分考虑了锚杆对离层及滑动的约束作用，原理上对锚杆作用分析的比较全面，但它存在以下缺陷： 组合梁有效厚度很难确定。它涉及到影响锚杆支护的众多因素，目前还没有办法可较可靠的估计有效组合的厚度； 没有考虑水平应力对组合梁强度、稳定性及锚杆荷载的作用。在水平应力较大的巷道中，水平应力是顶板破坏失稳的主要原因。(3) 组合拱理论组合拱理论认为：在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆时

13、，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱，这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载。在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大，如图1所示。图1 锚杆的组合拱作用组合拱理论充分考虑了锚杆支护的整体作用，在软弱煤层中得到广泛应用。但也同样存在一些缺陷： 加固拱厚度涉及的影响因素多，很难准确估计； 加固拱厚度远小于巷道跨度时，加固拱是否发生破坏不仅与其强度有关，更主要取决于加固拱的稳定性，在该理论中没有考虑。(4) 构造应

14、力理论构造应力作用理论即最大水平应力理论由澳大利亚学者盖尔(W.J.Gale)提出。该理论认为矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性，最大水平应力一般为最小水平应力的1.52.5倍。巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响，且有三个特点： 与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小，顶底板的稳定性达到最好； 与最大水平应力呈锐角相交的巷道，其顶底板变形破坏就会偏向巷道的某一帮； 与最大水平应力垂直的巷道，顶底板稳定性最差。在最大水平应力作用下，顶底板岩层易于发生剪切破坏，出现错动与松动而膨胀造成围岩变形，锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于铀向的岩层剪切错动，因此要求

15、锚杆必须具备强度大、刚度大、抗剪阻力大，才能起约束围岩变形的作用。最大水平应力理论，论述巷道围岩水平应力对巷道稳定性的影响以及锚杆支护所起的作用。(5) 提高围岩强度理论主要有以下几点： 锚杆锚固后围岩岩体力学性能得到了改善，锚杆加固后提高岩石强度、弹性模量、粘聚力和内摩擦角； 系统布置锚杆可以提高岩体的物理力学参数，锚固体的粘聚力提高较大，而内摩擦角提高的幅度不大； 锚杆锚固区域围岩具有正交异性，在锚杆沿着试件的轴向时，围岩的弹性模量随着锚杆密度的增加而增大，围岩强度的提高主要是内摩擦角增加，而粘聚力几乎没有变化； 合理的锚杆支护可以有效地改变围岩的应力状态和应力应变特性，且不同弹性模量的带

16、锚岩体所表现的锚固效果是不同的； 锚杆的锚固效果与锚杆密度、长度、型式、锚杆材料的抗剪刚度和强度有关，并从不同角度提出了最佳的锚杆布置方案； 锚固体的变形破坏符合莫尔库仑准则； 锚杆支护在力学上等价于对孔硐周围岩体施加一定量的径向约束力。以上各种锚杆支护理论都是在不同的地质条件下提出来的，它们都从不同的侧面阐述了锚杆支护围岩的作用机理。在实际的支护过程中，一般情况下是几种支护理论共同作用，它们在很多情况下并不矛盾。在锚杆支护理论中，锚杆相对于传统的支护方式最明显的优势体现在它的主动支护上。主动支护的具体方法就是在锚杆影响围岩的情况下，让围岩自身产生承载层，即次生承载层。次生承载层形状以拱形最为理想。以组合拱为