1、三软煤层巷道锚杆支护摘要：本文根据注浆加固原理和锚杆支护围岩强度强化理论,提出三软煤层巷道锚杆支护机理,介绍锚杆支护、小孔径预应力锚索加强支护技术和注浆加固技术,并将上述技术成功地应用到工程实践中。关键词:三软煤巷;锚杆支护;注浆加固;锚索1 概述三软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、变形量大,在服务期间需
2、多次翻修,巷道维护极为困难。随着采深增加,这类巷道的维护问题将越来越突出,因此,寻求一种有效的支护方法具有重要意义。2 煤层巷道围岩变形破坏机理分析煤系地层是在一定的沉积环境下形成的,由于原始沉积环境和沉积动力作用的差异变化,围岩的厚度在侧向、横向和垂向上变化较大,有的甚至变薄尖灭,因此可以说软岩的沉积特性决定了软岩的物质组成、结构构造及其工程力学性状。研究区巷道围岩岩性主要由中、细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩和煤组成。(1)砂岩类。中、细粒砂岩矿物成分以石英长石为主,钙质胶结,中厚层状,具不规则波状层理及斜层理,硬度较大,节理裂隙不发育,厚310。粉砂岩矿物成分以石英长石为主,含大量暗色矿
3、物,钙、泥质胶结,中厚层状,分选性差,节理裂隙不太发育,厚36。(2)泥质岩类。宏观地质特征表现为:泥质岩在地质剖面上主要出现在1、2煤的顶、底板等2个层位,其空间分布较稳定,单层厚度13,其质地细腻,具有明显的滑感,破劈理发育。干燥的岩石致密坚硬,断口呈粗糙的贝壳状,垂直节理裂隙发育。通过10个泥质岩类的射线衍射和差热分析结果表明,泥岩的矿物成分以高岭石为主,含有少的伊利石和地开石,其含量在6.5%左右,有微量的蒙脱石,其含量在0.2%1.5%之间,除此之外,还含有少量的石英颗粒,与泥质岩类伴生的粘土矿物为黄铁矿、有机质和石英。通过扫描电镜分析()可知泥岩的微结构特征。受滑动面影响的泥岩:沿
4、剪切带一侧的片状矿物(高岭石、伊利石、云母)定向排列,在剪切面上有擦痕和擦沟以及沿剪切面上分布的高岭石包裹体,高岭石颗粒结晶程度较高,但破劈理发育,沿着破劈理面有细小的高岭石片呈定向分布,由于剪胀效应,高岭石片边缘有翘起现象,在劈理间定向程度较差。未受滑动面影响的泥岩,结晶良好的卷刃状的伊利石与少量细分散的高石紧密胶结在一起形成聚合体。从试验结果可以看出,中粒砂岩、细粒砂岩、砂岩、砂质泥岩和泥岩的强度较高,围岩的工程地质条件较好,从岩石本身来说,并不属于软弱岩层。经分析，得出巷道变形破坏机制：(1)地应力较高、岩体内残余应力较大是主要原因。井田经受过多期构造运动,且受过岩浆岩体的大规模侵入,这
5、种新叠加的应力场对岩体影响很大,形成了很高的热残余应力,尤其是当煤系地层高温逐渐降低,岩体塑性减弱而刚性恢复的情况性下,岩体内残余应力更为突出,当巷道开挖后,围岩表现强烈的收敛变形。(2)层滑构造的存在是直接原因。由于层滑构造的作用使岩体含有大量的裂隙面,在开放的湿应力场下岩体遇水强度迅速降低。由于特殊的构造背景而形成的大量层间剪切带,它们厚度较小,呈鳞片状,含大量的微劈理,易软化、泥化,成为良好的剪切滑移面,很小的变形将导致围岩整体强度的降低。(3)岩体流变特性是造成多次返修的根本原因。由于井田周围被大型火成岩体包围,使构造应力的作用受到限制,构造变形不是十分强烈,岩层表现为弹塑性变形。经过
6、长时期的作用,由于构造运动的变迁,在外力移去后,虽然岩体变形逐渐恢复,但有相当一部分应力储存在岩层中而不能迅速释放。当巷道开挖后,岩体强烈的表现为流变特性,持续释放原来储存的应变能,并且其释放速度又十分缓慢,在巷道变形稳定后仍能以一定速度蠕变,其长期强度很低,现行的支护结构不适应围岩的大变形是必然的。3三软煤层巷道支护原理3.1 高强锚杆支护强化巷道围岩强度根据锚杆支护围岩强度强化理论,高强锚杆具有较大的抗剪强度、提高围岩力学参数、有效控制顶板离层等特点,以及高水速凝材料注浆提高围岩强度和锚杆锚固力这一原理,提出了三软煤层巷道锚注联合支护方案,显著改善了该类巷道的维护学参数,包括锚固体破坏前后
7、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。锚杆支护使围岩由双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。1=0.4+15.89m3+2Ctan(45+/2)*1=0.4+26.4m3+2Ctan(45+*/2)式中:1锚固体极限强度,MPa;*1锚固体残余强度,MPa;m3锚杆提供的支护强度,MPa;C、锚固体达到极限强度的内聚力(MPa)、内摩擦角();C*、*锚固体残余强度的内聚力(MPa)、内摩擦角()。由式1、2可见,1、*1随着C、C*、m3的
8、增加而提高,尤其是m3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。3.2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、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。对于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,
9、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。因此三软煤层巷道提高两帮支护强度和煤体残余强度是控制该类巷道围岩的另一个关键。3.3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,三软煤层巷道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,导致围岩变形无控制而失稳。因此,应采用高阻让压支护控制三软巷道围岩变形。3.4 强化顶板保证安全三软煤巷顶板
10、为层状松软岩层,层厚不稳定且富含水平层理等弱面,顶板易产生不协调变形并导致离层冒漏,因此支护必须首先保证安全可靠,应强化顶板,促使顶板下位岩层形成整体结构,并尽量限制其相对变形。4 锚杆支护、注浆加固技术4.1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,避免了端锚支护锚杆两端受力较大,锚固端顶板受集中力作用易破坏、锚杆螺纹段易拉断失效,巷道顶板安全性能得到提高。
11、4.2 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)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。采用树脂药卷加长锚固,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6501000mm的加长锚固时,使锚固力与锚杆极限拉力相匹配。4.3 两帮煤体注
12、浆加固注浆加固可显著提高巷道围岩强度。极软煤层巷道掘进以后,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2.03.0m,固结体强度达23MPa,显著提高了破裂区、塑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,提高锚杆锚固力。极软煤体注浆加固
13、后锚杆锚固力一般可提高10kN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。4.4 底角加强锚杆底板软弱煤岩体表现为强烈持续底鼓,抑制底鼓量主要通过加强帮角支护,在帮顶锚杆扇形布置的基础上,在两排锚杆之间两底角处再加打一根锚杆,以强化底角结构,锚杆型式及锚固方式与两帮相同。工程实例5.1试验巷道基本地质概况西山煤电集团东曲矿五采区2号煤，煤层结构简单，较稳定，煤厚在0.901.55m之间，平均厚度为1.30m，煤层倾角为13，平均为2，煤质为焦煤。顶板变化较小，伪顶为灰质泥岩，厚度0.500.90m，巷道掘进时不保留伪顶；直接顶为中砂岩，厚度1.302.80m，上部为1号
14、煤；老顶为细粒砂岩，局部为中粗砂岩，厚度4.007.00m。根据地质资料，五采区2号煤按普氏岩石分类属于类（中硬岩层，普氏系数f=4，极限抗压强度40MPa，内摩擦角7558，松散系数为2.0）。按围岩稳定性分类属于类（中等稳定围岩）。综合柱状图见图1图1 2煤层赋存综合柱状图5.2巷道断面及支护形式选择 5.2.1巷道断面形状及尺寸的确定根据煤层赋存情况和满足安全生产需要确定巷道断面形状选用倒梯形(其优点是能够承受较大的侧压，稳定两帮)。轨道巷上宽4.7m，下宽4.5m，高2.5m；皮带巷上宽5.4m，下宽5.2m，高2.5m。5.2.2围岩压力分析依据地质资料，根据松散介质力学方法计算地压
15、。轨道顺槽地压计算： 顶压：qd=2ard a+htg(45-Qc/2)/tgQd 则qd=22.352.22.35+2.5tg(4545/2)/tg7558 =8.96(MPa)式中：qd巷道顶压，(MPa)；a巷道掘进断面跨度之半，取4.7/2=2.35m；rd巷道顶板围岩容重，取2.2t/m3；h巷道高度，取2.5m；qc巷道两帮煤的内摩擦角，取45；Qd巷道围岩内摩擦角(类岩石，取值7558)侧压：qc=1/2rch(h2h0)tg2(45Qc/2)自然平衡拱：h0=rdahtg(45Qc/2) /(rctgQd) =2.22.352.5tg(4545/2)/(1.4tg7558)=1.36m则，侧压qc=1/21.42.5（2.521.36）tg2(4545/2)=1.57 MPa式中：qc侧压rd巷道顶板围岩容重，取2.2t/m3；rc巷道两帮围岩容重；h巷道掘进高度，取2.5m；h0自然平衡拱换算高度；Qc巷道两帮煤的内摩擦角，取45； 皮带顺槽地压计算： 顶压：qd=2ardahtg(45
