淺析復合頂板極軟煤層巷道錨注支護技術

肖雙雙,張 繼,楊永東

(中國礦業大學礦業工程學院)

·技術經驗·

淺析復合頂板極軟煤層巷道錨注支護技術

肖雙雙①,張 繼,楊永東

(中國礦業大學礦業工程學院)

根據復合頂板極軟煤層巷道的特點,運用注漿及錨桿支護控制巷道圍巖穩定、加強頂板支護強度、充分利用圍巖自身承載能力的支護原理,分析錨桿支護與注漿加固組成的聯合支護技術。

復合頂板;錨桿支護;錨注支護;聯合支護

復合頂板松軟煤層巷道采用傳統支護方式,如工字鋼支架、U型鋼可縮支架支護時,巷道兩幫及頂底板移近量大,支架損壞嚴重,造成前掘后修的現象,嚴重影響安全生產。而簡單的錨桿支護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、金屬網和噴射混凝土設計不太合理、施工質量較差等原因,使支護系統的支護強度不夠,并且隨著時間的推移,錨桿支護的巷道頂板先是局部失穩,最后大面積失穩,巷道要進行二次支護,而且在回采過程中要多次修護,給煤礦造成大量人力、物力、財力的損失。根據錨桿支護圍巖強度強化理論,高強錨桿具有有效控制頂板離層、較大的抗剪強度、提高圍巖力學參數等特點,高水速凝材料注漿可以提高圍巖強度和錨桿錨固力這一原理,采取復合頂板極軟煤層回采巷道錨注聯合支護方案,可以顯著改善巷道的維護狀況。

1 錨固支護原理

根據圍巖強度強化理論可知:巷道錨桿支護使錨桿和錨固區域的巖體相互作用形成統一的承載結構,從而提高錨固體力學參數(E、C、φ),改善被錨固巖體的力學性能,提高圍巖的承載能力,減少巷道周圍破碎區、塑性區的范圍和巷道的表面位移,控制圍巖破碎區、塑性區的發展,從而有利于保持巷道圍巖的穩定。而錨桿支護的錨固力在很大程度上取決于所錨巖體的力學性能,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,實現錨注一體化,是軟巖巷道支護的一個新途徑。對于節理裂隙發育的巖體,注漿可以改變圍巖的松軟結構,提高黏接力和內摩擦角,封閉裂隙,顯著提高巖體強度。前蘇聯的研究資料表明,注漿后砂巖強度增加50%～70%,粉砂巖和泥質巖增加2～4倍,巖體中巖石強度的增大使支護載荷減小2/3～4/5。當注漿錨桿錨固后,由于預緊力的作用,頂板巖層在垂直層面方向受到擠壓,使得傾斜錨桿對圍巖產生壓應力,從而在圍巖錨固厚度范圍內形成穩定壓縮帶,即擠壓加固巖梁,擠壓加固巖梁產生變形時,圍巖頂壓在拉桿上而使拉桿的拉應力增加,相應圍巖層中環向擠壓力亦隨之增加,有利于阻止圍巖變形,使圍巖保持穩定。注漿加固為錨桿提供可靠的著力基礎,使錨桿對松軟圍巖的錨固作用得以發揮,進一步提高巖體強度。但注漿只能在圍巖的一定深處進行,需要與錨桿支護共同維持巷道周邊圍巖的穩定。因此,采取錨桿與注漿相結合的方法,使錨桿和注漿在各自適用的范圍內得到充分發揮,可提高對軟巖的支護效果。

2 錨桿支護、注漿加固技術

1)頂板支護。復合頂板穩定性差,易產生離層、冒落,可采用樹脂全長錨固高強錨桿支護系統強化頂板。樹脂錨固實現了機械攪拌,安全可靠、錨固力易于保證。高強錨桿全長錨固在錨桿長度范圍內巖層任一點產生較小的變形、離層時,桿體對圍巖產生較大的約束力,阻止巖層離層,因而頂板巖層強度和剛度顯著提高,減少頂板下沉量;同時錨桿中部受力大、兩端受力小,避免了端錨支護錨桿兩端受力較大,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,限制分層相互錯動和離層,從而加固圍巖,提高巖體的整體強度,巷道頂板安全性能得到提高。

2)兩幫錨桿支護。極軟煤層巷道兩幫的巖體通常破碎區域比較大,兩幫的相對移近也比較強烈,超出了錨桿可錨固范圍,這類巷道兩幫巖體的內聚力很小,因此,在這種巖體內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力。采掘期間在動壓作用下產生大范圍塑性區、破碎區,在掘后穩定期間又發生速度較大的流變。合理的支護技術應能提供較大的側向支護阻力,控制兩幫塑性區的發展、降低塑性區的流變速度,同時又能適應兩幫的較大變形。采用樹脂錨固錨桿支護時,由于煤體與樹脂錨固劑之間的黏結強度小,成為煤體、錨固劑、錨桿三者之間的薄弱環節,采用加長錨固,增大錨固劑與煤體的接觸面積,可提高兩幫錨桿錨固力。應用增強可拉伸錨桿支護兩幫,實現高阻讓壓支護,在給兩幫提供較大側向支護阻力的同時,允許兩幫有較大變形,從而降低圍巖應力,改善支護受力狀況。

3)兩幫煤體注漿加固。注漿加固可顯著提高巷道圍巖強度。極軟煤層巷道掘進以后,淺部圍巖在支承壓力作用下,產生破碎區和塑性區,以極小的殘余強度參與圍巖穩定過程,而通過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作用,可顯著提高固結體的強度和剛度,圍巖的破壞由原來強度較低的弱面、裂隙控制轉變為由強度較高的固結體控制。運用高水混凝材料對巷道兩幫塑性區、破碎區煤層注漿加固,可顯著提高破碎區、塑性區煤體的殘余強度,保持兩幫穩定。兩幫煤體注漿加固后,不但提高了煤體強度,而且提高了煤體與樹脂錨固劑之間的黏結力,提高錨桿錨固力。

3 結 論

1)錨桿支護與注漿加固組成的聯合支護技術可以充分發揮兩種支護的優勢,提高圍巖承載能力,顯著改善復臺頂板軟煤層巷道的維護狀況。2)樹脂全長錨固高強錨桿支護系統提高了復合頂板的強度和剛度、控制了復合頂板離層,是確保頂板安全的有效措施;采用注漿加固和樹脂加長錨固增強可拉伸錨桿支護兩幫,提高了板軟煤體的錨桿錨固力和煤體殘余強度,上述支護技術有效保持復合頂板板軟煤層巷道圍巖穩定、控制了圍巖變形。3)注漿加固主要是利用漿液固結因高應力造成的新生裂隙或原有的裂隙,來恢復或部分恢復圍巖的強度,發揮圍巖自身能力,提高錨桿錨固力,發揮錨桿主動支護的作用。4)由于圍巖整體性和承載能力的提高,將高應力傳遞到圍巖深部,通過兩幫傳遞到巷道底板的壓力較小,不會產生應力集中,從而減小了巷道底鼓。底板的穩定有助于兩幫的穩定,在底板和兩幫都穩定的情況下頂板也易于維護。

5)為了增加圍巖強度、控制巖層早期變形和破壞、發揮圍巖自承能力,應提高錨桿的預緊力和及時支護。

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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

肖雙雙 男 1988年出生 中國礦業大學在讀本科生 徐州 221008