松軟破碎頂板煤巷支護(hù)技術(shù)研究

【摘要】針對(duì)松軟破碎頂板煤巷開(kāi)挖后，由于頂板巖體不連
續(xù)導(dǎo)致錨桿與錨索的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)作用范圍減小，錨桿支護(hù)對(duì)頂板位
移的控制作用大大降低，因其頂板下沉量大，大面積冒頂易于發(fā)
生等問(wèn)題。本論文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試，分析巷道布置與地應(yīng)力
場(chǎng)的關(guān)系，并通過(guò)研究錨桿支護(hù)理論，弄清錨桿、錨索與圍巖之
間的相互作用關(guān)系。全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固錨桿的載荷傳遞各方面因素
的影響。確保一次支護(hù)效果，降低或杜絕二次修巷費(fèi)用。最終通
過(guò)現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)證明該支護(hù)方案的可行性。
【關(guān)鍵詞】錨桿支護(hù)；地質(zhì)力學(xué)測(cè)試；礦壓監(jiān)測(cè)；現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

1 研究背景
產(chǎn)能過(guò)剩、環(huán)境污染等等不利因素導(dǎo)致煤炭需求疲軟，煤炭
企業(yè)利潤(rùn)大幅下滑，甚至很多企業(yè)出現(xiàn)虧損的局面。面對(duì)此困境，
尋找在安全生產(chǎn)的前提下革新技術(shù)節(jié)約成本對(duì)煤炭企業(yè)來(lái)說(shuō)顯得
尤為重要。巷道圍巖管理是煤礦永遠(yuǎn)面臨的問(wèn)題；現(xiàn)階段，地質(zhì)
條件的復(fù)雜性、生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大化、開(kāi)采水平深度化等等是導(dǎo)致
巷道圍巖支護(hù)困難的主要因素，無(wú)時(shí)不刻影響著煤礦的安全管理
與高效產(chǎn)出。
巷道圍巖支護(hù)是井工開(kāi)采技術(shù)的關(guān)鍵。具體的巷道支護(hù)與
圍巖控制技術(shù)是依據(jù)具體的巷道工程地質(zhì)條件，采用科學(xué)合理
的設(shè)計(jì)方法，以及不斷的工程實(shí)踐而建立起來(lái)的。關(guān)系到具體
的支護(hù)技術(shù)的最核心的因素是工程地質(zhì)條件。各類地質(zhì)構(gòu)造如
褶曲、斷層等，以及埋深、巖層力學(xué)性質(zhì)與地下水大大削弱了
巷道支護(hù)穩(wěn)定性。以松軟破碎巖層為頂板的巷道控制依然是現(xiàn)
階段難點(diǎn)之一。
上孔煤業(yè)有限公司位于陽(yáng)城縣城東部約5km 處，八甲口至潤(rùn)
城一帶，行政隸屬陽(yáng)城縣八甲口鎮(zhèn)及潤(rùn)城鎮(zhèn)管轄，井田東西寬
5.5km，南北長(zhǎng)3.5km，面積為11.6417km2。Ⅸ一盤區(qū)軌道上山是
第一條掘進(jìn)上山實(shí)體煤巷巷道，掘進(jìn)過(guò)后受各方面因素影響巷道
內(nèi)多處出現(xiàn)了片幫離層現(xiàn)象，多處最大變形量在500mm 及以上，
巷道底臌量更是超過(guò)了400mm，嚴(yán)重的影響了上孔煤業(yè)掘進(jìn)施工。
為了有效上山群巷道圍巖控制難題，對(duì)Ⅸ一盤區(qū)上山群的支護(hù)技
術(shù)進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)出適合的支護(hù)方式及支護(hù)方案。在對(duì)松軟破碎
頂板煤巷進(jìn)行支護(hù)時(shí)，需要考慮以下重要因素：
1、構(gòu)造應(yīng)力較大。巷道周圍斷層發(fā)育，構(gòu)造復(fù)雜多變，構(gòu)造
應(yīng)力較大，主應(yīng)力方向發(fā)生改變。
2、頂板破碎。頂板為遇水易崩解，強(qiáng)度低，節(jié)理裂隙發(fā)育的
泥巖頂板。
3、圍巖應(yīng)力不對(duì)稱。巷道頂板變形破壞不對(duì)稱表明巷道圍巖
應(yīng)力具有不均勻性，所以表現(xiàn)出了巷道出現(xiàn)不對(duì)稱變形，給巷道
正常維護(hù)帶來(lái)了巨大困難。
2 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試
在上孔煤業(yè)Ⅸ一盤區(qū)設(shè)置測(cè)點(diǎn)，分別進(jìn)行巷道地應(yīng)力測(cè)試、
圍巖強(qiáng)度測(cè)試及圍巖結(jié)構(gòu)觀測(cè)，通過(guò)測(cè)試結(jié)果并結(jié)合上孔煤業(yè)Ⅸ
一盤區(qū)9#煤層底板等高線圖分析得出Ⅸ一盤區(qū)上山群正處于軸線
方向?yàn)镹E—SW 方向的向斜及軸線方向?yàn)镹E—SW 方向的背斜交匯
形成的倒轉(zhuǎn)褶曲中。造成Ⅸ一盤區(qū)上山群地應(yīng)力異常，地應(yīng)力大
小及方向變化比較大，巖性同樣也變化比較大。上孔煤業(yè)Ⅸ一盤
區(qū)9#煤直接頂板以泥質(zhì)砂巖和砂質(zhì)泥巖為主，老頂為致密堅(jiān)硬的
砂巖；砂巖平均強(qiáng)度為123.42MPa，泥質(zhì)砂巖平均強(qiáng)度41～81MPa
之間。但9#煤體整體完整性較差。
3 全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固強(qiáng)力錨桿支護(hù)機(jī)理研究
錨桿支護(hù)機(jī)理分析
在施加較高預(yù)應(yīng)力的時(shí)候，實(shí)施全長(zhǎng)錨固，有利于提高錨桿
支護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度，其要點(diǎn)如下：
對(duì)于全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固錨桿，能夠及時(shí)抑制圍巖離層，同時(shí)又
提高了支護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度和剛度，可發(fā)揮主動(dòng)支護(hù)作用；在錨固范
圍內(nèi)形成次生承載結(jié)構(gòu)，改善圍巖深部的應(yīng)力分布狀態(tài)，另外，
確定錨桿預(yù)應(yīng)力是關(guān)鍵，還要盡量避免二次支護(hù)和巷道維修。
4 全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固
（1）全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固錨桿軸向載荷作用下載荷分布
全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固施加預(yù)緊扭矩階段，錨桿軸向受力基本與端
部錨固相同；工作階段，當(dāng)預(yù)緊力能夠阻止巷道圍巖離層變形時(shí)，
錨桿軸向受力仍基本與端部錨固相同；當(dāng)預(yù)緊力不能夠阻止巷道
圍巖離層變形時(shí)，巖層發(fā)生離層錯(cuò)動(dòng)的影響，錨桿軸向受力基本
與傳統(tǒng)全長(zhǎng)錨固相同，錨桿的軸向拉伸載荷在離層的位置處于最
大值，并隨著距離的增加而減少，這種載荷通過(guò)錨固劑與圍巖傳
遞，由于這種載荷傳遞在錨固劑中產(chǎn)生剪應(yīng)力，并沿錨桿的全長(zhǎng)
發(fā)生變化。
當(dāng)錨桿的軸向載荷超過(guò)錨桿的最大強(qiáng)度或錨固劑中的剪應(yīng)力
超過(guò)了圍巖接觸面的強(qiáng)度都會(huì)導(dǎo)致錨桿的失效，在大多數(shù)情況下，
正確安裝的全長(zhǎng)錨固錨桿在較堅(jiān)硬巖層條件下通常是在第一種狀
態(tài)下失效，在軟弱的巖層條件下則表現(xiàn)為第二種破壞形式。
（2）全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固錨桿在剪切作用下的載荷分布
全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固錨桿由于其對(duì)圍巖變形的敏感性，一方面能
夠有效的控制節(jié)理裂隙的滑動(dòng)，增強(qiáng)節(jié)理的剪切剛度，另一方面
在圍巖發(fā)生離層錯(cuò)動(dòng)的情況下，錨桿可以抵抗小范圍圍巖離層錯(cuò)
動(dòng)，從而保持圍巖的完整性，充分發(fā)揮圍巖的天然承載能力。然
而圍巖離層錯(cuò)動(dòng)的情況下會(huì)對(duì)錨桿產(chǎn)生較大的剪切載荷，部分錨
桿會(huì)發(fā)生剪切大變形，也容易使桿體部分發(fā)生屈服破壞，從而導(dǎo)
致整個(gè)桿體的失效。
（3）全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固錨桿載荷傳遞影響因素
全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固錨桿通過(guò)錨固劑、托板等構(gòu)件與圍巖發(fā)生載
荷傳遞，錨桿的載荷傳遞主要受到桿體形狀、錨固劑的力學(xué)性質(zhì)、
錨固劑攪拌時(shí)間、錨固劑錨固環(huán)厚度、鉆孔粗糙度、圍巖強(qiáng)度、
圍巖結(jié)構(gòu)面以及托板等構(gòu)件影響。
5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及結(jié)論
通過(guò)鉆孔窺視圖得出：Ⅸ一盤區(qū)軌道上山頂板巖性變化較大，
構(gòu)造復(fù)雜，多處大的離層，錨桿支護(hù)范圍內(nèi)的巖石變形沒(méi)有得到
有效控制影響頂板的整體性和強(qiáng)度。根據(jù)此情況，確定巷道采用
頂板預(yù)應(yīng)力全長(zhǎng)錨固強(qiáng)力錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng)和36U 型三心拱
棚聯(lián)合支護(hù)方式：（1）頂板支護(hù)：錨桿排距900mm，間距900mm，
頂每排布置6 根錨桿、錨索長(zhǎng)度6300mm，每?jī)膳佩^桿打設(shè)2 根錨
索，錨索排距為1800mm；上幫支護(hù)：每排5 根錨桿，錨桿排距900mm，
間距900mm。每幫每?jī)膳佩^桿打設(shè)5 根錨索，采用五花布置，下部
錨索距離底板垂直距離780mm 布置，間距1800mm，排距900mm；
下幫支護(hù)：錨桿排距900mm，每排每幫4 根錨桿，間距900mm。錨
索形長(zhǎng)度4300mm，每幫每?jī)膳佩^桿打設(shè)3 根錨索，采用三花布置，
下部錨索距離底板垂直距離780mm 布置，間距1800mm，排距900mm。
現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)得出：巷道兩幫移近量最大為80mm 和90mm，頂
板最大下沉量為31mm 和20mm。巷道掘進(jìn)至40m 左右位置后，巷道
變形趨于穩(wěn)定，總體來(lái)說(shuō)，軌道上山表面位移量很小。礦壓監(jiān)測(cè)
結(jié)果表明支護(hù)方案成功。
6 結(jié)論
論文針對(duì)上孔煤業(yè)9#煤層進(jìn)行了地應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，對(duì)錨桿、托板、
錨固劑、鋼帶及金屬網(wǎng)等錨桿配件的作用進(jìn)行了分析，井下巷道
采用全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固強(qiáng)力錨桿支護(hù)技術(shù)支護(hù)后，經(jīng)研究得到了以
下結(jié)論：
（1）Ⅸ一盤區(qū)上山群巖性變化比較大，地應(yīng)力異常，地應(yīng)力
大小及方向變化比較大，巷道支護(hù)比較困難。
（2）上孔煤業(yè)Ⅸ一盤區(qū)9#煤直接頂板以泥巖為主，老頂砂巖
平均強(qiáng)度為123.42Mpa，9#煤體整體完整性較差。
（3）針對(duì)松軟破碎圍巖巷道，提出強(qiáng)力一次支護(hù)理論，有效
減少了巷道維修工程量。
（4）全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固強(qiáng)力錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng)有效的減小
了巷道變形。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了它的科學(xué)性、合理性。并且
礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果也表明試驗(yàn)成功。