淺析復(fù)合頂板極軟煤層巷道錨注支護(hù)技術(shù)

肖雙雙,張 繼,楊永東

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

淺析復(fù)合頂板極軟煤層巷道錨注支護(hù)技術(shù)

肖雙雙①,張 繼,楊永東

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

根據(jù)復(fù)合頂板極軟煤層巷道的特點(diǎn),運(yùn)用注漿及錨桿支護(hù)控制巷道圍巖穩(wěn)定、加強(qiáng)頂板支護(hù)強(qiáng)度、充分利用圍巖自身承載能力的支護(hù)原理,分析錨桿支護(hù)與注漿加固組成的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

復(fù)合頂板;錨桿支護(hù);錨注支護(hù);聯(lián)合支護(hù)

復(fù)合頂板松軟煤層巷道采用傳統(tǒng)支護(hù)方式,如工字鋼支架、U型鋼可縮支架支護(hù)時(shí),巷道兩幫及頂?shù)装逡平看?支架損壞嚴(yán)重,造成前掘后修的現(xiàn)象,嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。而簡(jiǎn)單的錨桿支護(hù)由于單根錨桿錨固力低、錨桿之間較少采用托梁、鋼帶等連接件、金屬網(wǎng)和噴射混凝土設(shè)計(jì)不太合理、施工質(zhì)量較差等原因,使支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)強(qiáng)度不夠,并且隨著時(shí)間的推移,錨桿支護(hù)的巷道頂板先是局部失穩(wěn),最后大面積失穩(wěn),巷道要進(jìn)行二次支護(hù),而且在回采過(guò)程中要多次修護(hù),給煤礦造成大量人力、物力、財(cái)力的損失。根據(jù)錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論,高強(qiáng)錨桿具有有效控制頂板離層、較大的抗剪強(qiáng)度、提高圍巖力學(xué)參數(shù)等特點(diǎn),高水速凝材料注漿可以提高圍巖強(qiáng)度和錨桿錨固力這一原理,采取復(fù)合頂板極軟煤層回采巷道錨注聯(lián)合支護(hù)方案,可以顯著改善巷道的維護(hù)狀況。

1 錨固支護(hù)原理

根據(jù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論可知:巷道錨桿支護(hù)使錨桿和錨固區(qū)域的巖體相互作用形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu),從而提高錨固體力學(xué)參數(shù)(E、C、φ),改善被錨固巖體的力學(xué)性能,提高圍巖的承載能力,減少巷道周?chē)扑閰^(qū)、塑性區(qū)的范圍和巷道的表面位移,控制圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)的發(fā)展,從而有利于保持巷道圍巖的穩(wěn)定。而錨桿支護(hù)的錨固力在很大程度上取決于所錨巖體的力學(xué)性能,軟巖巷道可錨性差是造成錨桿錨固力低和失效的重要原因。利用錨桿兼做注漿管,實(shí)現(xiàn)錨注一體化,是軟巖巷道支護(hù)的一個(gè)新途徑。對(duì)于節(jié)理裂隙發(fā)育的巖體,注漿可以改變圍巖的松軟結(jié)構(gòu),提高黏接力和內(nèi)摩擦角,封閉裂隙,顯著提高巖體強(qiáng)度。前蘇聯(lián)的研究資料表明,注漿后砂巖強(qiáng)度增加50%～70%,粉砂巖和泥質(zhì)巖增加2～4倍,巖體中巖石強(qiáng)度的增大使支護(hù)載荷減小2/3～4/5。當(dāng)注漿錨桿錨固后,由于預(yù)緊力的作用,頂板巖層在垂直層面方向受到擠壓,使得傾斜錨桿對(duì)圍巖產(chǎn)生壓應(yīng)力,從而在圍巖錨固厚度范圍內(nèi)形成穩(wěn)定壓縮帶,即擠壓加固巖梁,擠壓加固巖梁產(chǎn)生變形時(shí),圍巖頂壓在拉桿上而使拉桿的拉應(yīng)力增加,相應(yīng)圍巖層中環(huán)向擠壓力亦隨之增加,有利于阻止圍巖變形,使圍巖保持穩(wěn)定。注漿加固為錨桿提供可靠的著力基礎(chǔ),使錨桿對(duì)松軟圍巖的錨固作用得以發(fā)揮,進(jìn)一步提高巖體強(qiáng)度。但注漿只能在圍巖的一定深處進(jìn)行,需要與錨桿支護(hù)共同維持巷道周邊圍巖的穩(wěn)定。因此,采取錨桿與注漿相結(jié)合的方法,使錨桿和注漿在各自適用的范圍內(nèi)得到充分發(fā)揮,可提高對(duì)軟巖的支護(hù)效果。

2 錨桿支護(hù)、注漿加固技術(shù)

1)頂板支護(hù)。復(fù)合頂板穩(wěn)定性差,易產(chǎn)生離層、冒落,可采用樹(shù)脂全長(zhǎng)錨固高強(qiáng)錨桿支護(hù)系統(tǒng)強(qiáng)化頂板。樹(shù)脂錨固實(shí)現(xiàn)了機(jī)械攪拌,安全可靠、錨固力易于保證。高強(qiáng)錨桿全長(zhǎng)錨固在錨桿長(zhǎng)度范圍內(nèi)巖層任一點(diǎn)產(chǎn)生較小的變形、離層時(shí),桿體對(duì)圍巖產(chǎn)生較大的約束力,阻止巖層離層,因而頂板巖層強(qiáng)度和剛度顯著提高,減少頂板下沉量;同時(shí)錨桿中部受力大、兩端受力小,避免了端錨支護(hù)錨桿兩端受力較大,錨固端圍巖受集中力作用易破壞、錨桿螺紋段易拉斷失效。錨桿在層狀巖層中,對(duì)圍巖所起的加固作用十分明顯。錨桿所提供的抗拉與抗剪力以及錨桿的預(yù)緊力,可以使層狀巖層的層面摩擦阻力增加,限制分層相互錯(cuò)動(dòng)和離層,從而加固圍巖,提高巖體的整體強(qiáng)度,巷道頂板安全性能得到提高。

2)兩幫錨桿支護(hù)。極軟煤層巷道兩幫的巖體通常破碎區(qū)域比較大,兩幫的相對(duì)移近也比較強(qiáng)烈,超出了錨桿可錨固范圍,這類(lèi)巷道兩幫巖體的內(nèi)聚力很小,因此,在這種巖體內(nèi)形成的錨固體只能承受一定的擠壓和剪切作用,而不能承受明顯的拉應(yīng)力。采掘期間在動(dòng)壓作用下產(chǎn)生大范圍塑性區(qū)、破碎區(qū),在掘后穩(wěn)定期間又發(fā)生速度較大的流變。合理的支護(hù)技術(shù)應(yīng)能提供較大的側(cè)向支護(hù)阻力,控制兩幫塑性區(qū)的發(fā)展、降低塑性區(qū)的流變速度,同時(shí)又能適應(yīng)兩幫的較大變形。采用樹(shù)脂錨固錨桿支護(hù)時(shí),由于煤體與樹(shù)脂錨固劑之間的黏結(jié)強(qiáng)度小,成為煤體、錨固劑、錨桿三者之間的薄弱環(huán)節(jié),采用加長(zhǎng)錨固,增大錨固劑與煤體的接觸面積,可提高兩幫錨桿錨固力。應(yīng)用增強(qiáng)可拉伸錨桿支護(hù)兩幫,實(shí)現(xiàn)高阻讓壓支護(hù),在給兩幫提供較大側(cè)向支護(hù)阻力的同時(shí),允許兩幫有較大變形,從而降低圍巖應(yīng)力,改善支護(hù)受力狀況。

3)兩幫煤體注漿加固。注漿加固可顯著提高巷道圍巖強(qiáng)度。極軟煤層巷道掘進(jìn)以后,淺部圍巖在支承壓力作用下,產(chǎn)生破碎區(qū)和塑性區(qū),以極小的殘余強(qiáng)度參與圍巖穩(wěn)定過(guò)程,而通過(guò)注入高水速凝材料充填破碎圍巖的裂隙,加上注漿材料的黏結(jié)作用,可顯著提高固結(jié)體的強(qiáng)度和剛度,圍巖的破壞由原來(lái)強(qiáng)度較低的弱面、裂隙控制轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓮?qiáng)度較高的固結(jié)體控制。運(yùn)用高水混凝材料對(duì)巷道兩幫塑性區(qū)、破碎區(qū)煤層注漿加固,可顯著提高破碎區(qū)、塑性區(qū)煤體的殘余強(qiáng)度,保持兩幫穩(wěn)定。兩幫煤體注漿加固后,不但提高了煤體強(qiáng)度,而且提高了煤體與樹(shù)脂錨固劑之間的黏結(jié)力,提高錨桿錨固力。

3 結(jié) 論

1)錨桿支護(hù)與注漿加固組成的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)可以充分發(fā)揮兩種支護(hù)的優(yōu)勢(shì),提高圍巖承載能力,顯著改善復(fù)臺(tái)頂板軟煤層巷道的維護(hù)狀況。2)樹(shù)脂全長(zhǎng)錨固高強(qiáng)錨桿支護(hù)系統(tǒng)提高了復(fù)合頂板的強(qiáng)度和剛度、控制了復(fù)合頂板離層,是確保頂板安全的有效措施;采用注漿加固和樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固增強(qiáng)可拉伸錨桿支護(hù)兩幫,提高了板軟煤體的錨桿錨固力和煤體殘余強(qiáng)度,上述支護(hù)技術(shù)有效保持復(fù)合頂板板軟煤層巷道圍巖穩(wěn)定、控制了圍巖變形。3)注漿加固主要是利用漿液固結(jié)因高應(yīng)力造成的新生裂隙或原有的裂隙,來(lái)恢復(fù)或部分恢復(fù)圍巖的強(qiáng)度,發(fā)揮圍巖自身能力,提高錨桿錨固力,發(fā)揮錨桿主動(dòng)支護(hù)的作用。4)由于圍巖整體性和承載能力的提高,將高應(yīng)力傳遞到圍巖深部,通過(guò)兩幫傳遞到巷道底板的壓力較小,不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,從而減小了巷道底鼓。底板的穩(wěn)定有助于兩幫的穩(wěn)定,在底板和兩幫都穩(wěn)定的情況下頂板也易于維護(hù)。

5)為了增加圍巖強(qiáng)度、控制巖層早期變形和破壞、發(fā)揮圍巖自承能力,應(yīng)提高錨桿的預(yù)緊力和及時(shí)支護(hù)。

[1] 柏建彪,侯朝炯.“三軟”大跨度煤層巷道錨桿支護(hù)技術(shù)研究[J].錨桿支護(hù),2001(3):8-11.

[2] 錢(qián)鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2003:256-263.

[3] 王襄禹,柏建彪,高祥.深井軟巖返修巷道綜合支護(hù)技術(shù)研究[J].能源技術(shù)與管理,2004(2):32-34.

[4] 魯建國(guó),鄧廣哲.軟巖巷道錨注支護(hù)技術(shù)研究[J].采礦技術(shù),2006,6(3):326-328.

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

肖雙雙 男 1988年出生 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)在讀本科生 徐州 221008