浅析复合顶板极软煤层巷道锚注支护技术

肖双双,张 继,杨永东

(中国矿业大学矿业工程学院)

·技术经验·

浅析复合顶板极软煤层巷道锚注支护技术

肖双双①,张 继,杨永东

(中国矿业大学矿业工程学院)

根据复合顶板极软煤层巷道的特点,运用注浆及锚杆支护控制巷道围岩稳定、加强顶板支护强度、充分利用围岩自身承载能力的支护原理,分析锚杆支护与注浆加固组成的联合支护技术。

复合顶板;锚杆支护;锚注支护;联合支护

复合顶板松软煤层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,巷道两帮及顶底板移近量大,支架损坏严重,造成前掘后修的现象,严重影响安全生产。而简单的锚杆支护由于单根锚杆锚固力低、锚杆之间较少采用托梁、钢带等连接件、金属网和喷射混凝土设计不太合理、施工质量较差等原因,使支护系统的支护强度不够,并且随着时间的推移,锚杆支护的巷道顶板先是局部失稳,最后大面积失稳,巷道要进行二次支护,而且在回采过程中要多次修护,给煤矿造成大量人力、物力、财力的损失。根据锚杆支护围岩强度强化理论,高强锚杆具有有效控制顶板离层、较大的抗剪强度、提高围岩力学参数等特点,高水速凝材料注浆可以提高围岩强度和锚杆锚固力这一原理,采取复合顶板极软煤层回采巷道锚注联合支护方案,可以显著改善巷道的维护状况。

1 锚固支护原理

根据围岩强度强化理论可知:巷道锚杆支护使锚杆和锚固区域的岩体相互作用形成统一的承载结构,从而提高锚固体力学参数(E、C、φ),改善被锚固岩体的力学性能,提高围岩的承载能力,减少巷道周围破碎区、塑性区的范围和巷道的表面位移,控制围岩破碎区、塑性区的发展,从而有利于保持巷道围岩的稳定。而锚杆支护的锚固力在很大程度上取决于所锚岩体的力学性能,软岩巷道可锚性差是造成锚杆锚固力低和失效的重要原因。利用锚杆兼做注浆管,实现锚注一体化,是软岩巷道支护的一个新途径。对于节理裂隙发育的岩体,注浆可以改变围岩的松软结构,提高黏接力和内摩擦角,封闭裂隙,显著提高岩体强度。前苏联的研究资料表明,注浆后砂岩强度增加50%～70%,粉砂岩和泥质岩增加2～4倍,岩体中岩石强度的增大使支护载荷减小2/3～4/5。当注浆锚杆锚固后,由于预紧力的作用,顶板岩层在垂直层面方向受到挤压,使得倾斜锚杆对围岩产生压应力,从而在围岩锚固厚度范围内形成稳定压缩带,即挤压加固岩梁,挤压加固岩梁产生变形时,围岩顶压在拉杆上而使拉杆的拉应力增加,相应围岩层中环向挤压力亦随之增加,有利于阻止围岩变形,使围岩保持稳定。注浆加固为锚杆提供可靠的着力基础,使锚杆对松软围岩的锚固作用得以发挥,进一步提高岩体强度。但注浆只能在围岩的一定深处进行,需要与锚杆支护共同维持巷道周边围岩的稳定。因此,采取锚杆与注浆相结合的方法,使锚杆和注浆在各自适用的范围内得到充分发挥,可提高对软岩的支护效果。

2 锚杆支护、注浆加固技术

1)顶板支护。复合顶板稳定性差,易产生离层、冒落,可采用树脂全长锚固高强锚杆支护系统强化顶板。树脂锚固实现了机械搅拌,安全可靠、锚固力易于保证。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,锚固端围岩受集中力作用易破坏、锚杆螺纹段易拉断失效。锚杆在层状岩层中,对围岩所起的加固作用十分明显。锚杆所提供的抗拉与抗剪力以及锚杆的预紧力,可以使层状岩层的层面摩擦阻力增加,限制分层相互错动和离层,从而加固围岩,提高岩体的整体强度,巷道顶板安全性能得到提高。

2)两帮锚杆支护。极软煤层巷道两帮的岩体通常破碎区域比较大,两帮的相对移近也比较强烈,超出了锚杆可锚固范围,这类巷道两帮岩体的内聚力很小,因此,在这种岩体内形成的锚固体只能承受一定的挤压和剪切作用,而不能承受明显的拉应力。采掘期间在动压作用下产生大范围塑性区、破碎区,在掘后稳定期间又发生速度较大的流变。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,同时又能适应两帮的较大变形。采用树脂锚固锚杆支护时,由于煤体与树脂锚固剂之间的黏结强度小,成为煤体、锚固剂、锚杆三者之间的薄弱环节,采用加长锚固,增大锚固剂与煤体的接触面积,可提高两帮锚杆锚固力。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,从而降低围岩应力,改善支护受力状况。

3)两帮煤体注浆加固。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,产生破碎区和塑性区,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,加上注浆材料的黏结作用,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。运用高水混凝材料对巷道两帮塑性区、破碎区煤层注浆加固,可显著提高破碎区、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黏结力,提高锚杆锚固力。

3 结 论

1)锚杆支护与注浆加固组成的联合支护技术可以充分发挥两种支护的优势,提高围岩承载能力,显著改善复台顶板软煤层巷道的维护状况。2)树脂全长锚固高强锚杆支护系统提高了复合顶板的强度和刚度、控制了复合顶板离层,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,提高了板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复合顶板板软煤层巷道围岩稳定、控制了围岩变形。3)注浆加固主要是利用浆液固结因高应力造成的新生裂隙或原有的裂隙,来恢复或部分恢复围岩的强度,发挥围岩自身能力,提高锚杆锚固力,发挥锚杆主动支护的作用。4)由于围岩整体性和承载能力的提高,将高应力传递到围岩深部,通过两帮传递到巷道底板的压力较小,不会产生应力集中,从而减小了巷道底鼓。底板的稳定有助于两帮的稳定,在底板和两帮都稳定的情况下顶板也易于维护。

5)为了增加围岩强度、控制岩层早期变形和破坏、发挥围岩自承能力,应提高锚杆的预紧力和及时支护。

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Analysis on Blot-inject Support Technology of Complex Roof in Extremely Soft Coal Seam Roadway

Xiao Shuang-shuang,Zhang Ji,Yang Yong-dong

Based on the characteristics of extremely soft seam of coal mine with complex roof,combined supporting technique in bolt and grouting by making use of the principle,analyses the application of control the stability of the surrounding rocks of arched roadways,enhances the supporting strength of roof,makes full use of the carrying capacity of surrounding rocks.

Complex roof;Bolting;Bolt-grouting support;Combined support

TD353.6

A

1672-0652(2010)05-0040-02

2010-03-17

肖双双 男 1988年出生 中国矿业大学在读本科生 徐州 221008