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1、碎裂结构巷道顶板锚网索梁支护实践碎裂结构巷道顶板锚网索梁支护实践杨建辉叶建( 浙江科技学院土木工程学系，杭州3 1 0 0 1 2 )摘要巷道顶扳为碎裂结构岩体，本文调查了此类岩体的工程地质特征，舟绍了巷遗砸扳和两帮的破环形式。并简要分析了破坏原因。综合考虑锚杆兜吊和锚索悬吊两种作用设计了锚杆支护参数，巷道稳定性观测表明试验取得成功。一、前言正确认识巷道顶板岩体结构特点是确定支护型式和支护参数的基础。结构面和结构体是岩体的两种结构单元，它们的排列、组合方式称为岩体结构。岩体变形机理、破坏机理和力学性质主要受岩体结构的控制。施加锚杆支护的目的是控制岩体不发生过大的变形和破坏，提高岩体的稳定性。因
2、此无论是研究锚杆支护围岩的稳定性和锚杆支护机理还是选择合理的支护型式和支护参数都必须对围岩结构首先有一个正确认识。对顶板岩体结构调查和研究不够深入，选择的支护型式和参数不合理，是导致顶板冒落、支护失败的主要原因。碎裂结构是不稳定顶板常见结构类型，它的工程地质特点有三方面：一是除层面发育外。还发育有多组结构面，结构面间贯通性好，将岩体切割得相当破碎；二是此类顶板整体强度低，开挖后顶板自稳能力差，自稳时问为几个小时，下沉量大，易出现冒顶破坏；三是该类顶板多出现于受强烈构造运动并产生严重变形或破裂的岩体中，巷道沿大落差断层布置时常出现此类顶板，这是断层附近顶板易冒落的一个原因。二、试验巷道工程地质特
3、征1 3 2 7 2 工作面位于某矿一2 4 0 水平南翼采区上部，北以F 1 0 断层为界。南临村庄保护煤柱东、西部未采掘。工作面走向长4 5 0 m 倾斜长7 0 - - 1 4 0 m ，平均1 1 5 m 总掘进煤巷长度为1 3 5 0 m 。煤层平均倾角1 6 。，煤厚3 6 - - 5 0 m ，平均4 0 m 。地面标高2 8 53 0 6 m ，煤层底板标高一1 6 0 一- 2 0 0 m 。埋深4 2 0 5 0 0 m 。地层呈一单斜构造，其走向S N N 2 0 。W ，倾角在8 。2 3 之间。直接顶为厚度6 0 m 左右的粉砂岩，单轴抗压强度为4 1 M P a ：
4、老顶为厚度8 0 m 的中粒砂岩，单轴抗压强度为5 5 M P a ；直接底为6 0 m 厚的粉砂岩，单轴抗压强度为4 5 3 M P a 。I 顶板顶板层面极为发育，根据冒落剖面看层面间距一般小于1 0 0 m m ；节理面密集发育，主要发育2 组节理，1 组与巷道走向接近，1 组与巷道走向大角度相交。节理面为闭合接触，巷道顶板表面处节理面极为光滑。呈银灰色，在节理面倾角较小时。易沿节理面发生滑动。顶板破坏型式为冒落。冒落高度2 3 m ，自稳时问为数小时。在工字钢支护段顶梁被压弯，挠度达1 5 0 m m 以上，个别顶梁出现扭转破坏。顶板冒落呈拱形，冒落岩石多呈块状，少量为柱状，见图1 所
5、示。极少有板状岩块和巨石。块状岩石边长多在1 0 0 m m 左右；柱状岩石长1 4 3土力学及岩土工程新进展浙江宁波2 0 0 4同句圃IJJJlIII图1 结构体形状图2 顶板潜在的冒落拱边约2 0 0 - - 3 0 0 r a m ，短边长度在1 0 0 - 1 5 0 m m 左右。从顶板内层理、节理发育情况和冒落后岩石形状可见，顶板为碎裂结构岩体。工字钢支护下顶板冒落破坏的原因：一是巷道断面形状与顶板岩体结构类型不匹配，碎裂结构顶板在白重型应力场作用下的稳定形状为拱形( 见图2 所示) ，当巷道开挖成矩形时，顶板自由面为平面。在不施加支护或支护不当时必然要冒落成一拱形而稳定下来；二
6、是采用工字钢支架维护巷道时，顶梁与顶板问总是存在空隙的，这为巷道顶板冒落成拱形提供了外部条件，同时工字钢支架属“外部”支护，不能改善顶板内部结构面的性质，如层面、节理面的抗拉抗剪性能等，顶板性质未能得到改善。2 两帮及迎头两帮煤体较硬，值在2 以上。煤体层理、节理极为发育，掘进放炮崩落煤体为粉状，块度较小。两帮煤体出现了板裂化现象，板厚8 0 - l O O m m 。迎头煤体也出现了板裂化现象。形成与自由面平行裂纹。巷道开挖后，两帮及迎头煤体承受二次应力作用，煤体浅处形成与自由面平行的细小裂纹，该裂纹不断扩展最终形成一组与自由面平行的巨型裂纹，将煤体分割成为一组平行板由于板比较薄易发生折断破
7、坏，引起煤体片帮其形成过程见图3 所示。圈3 煤体片帮形成过程板裂化现象产生的主要条件之一是煤体应力状态。理论研究表明，只有当煤体承受的竖直方向应力较高时才能形成板裂化现象。由于迎头和两帮相互垂直，两者同时形成板裂结构，这表明该地区地应力场为自重型应力场，即以竖直方向地应力为主，但也不排除构造应力的影响。1 4 4碎裂结构巷道顶板锚网索粱支护实践三、支护参数设计根据本工作面的回采需要。煤帮和顶、底板预留变形量1 0 0 r a m 支护锚杆外露1 0 0 r a m 运输巷掘进跨度为4 2 m 、中高为2 8 m ，呈斜矩形断面。据顶板工程地质条件，2 3 m 内直接顶易冒落。一般锚杆处于冒落
8、范围以内，只用锚杆支护顶板难以保证稳定。锚索长度较大，可锚固于老顶上实现将支护荷载传递至深部稳定岩层的目的。顶板表面铺金属网和梯子梁可改善岩层的完整性和韧性，控制锚杆之间岩石块体的冒落。因此顶板采用锚网索梁联合支护。两帮布置的锚杆与板裂化裂缝垂直，可阻碍裂缝的形成和扩展，控制板裂化现象的发生、发展，维护两帮稳定。1 顶板支护参数设计( 1 ) 锚索长度选用锚索为低松弛级十1 5 3 ，强度级别为1 8 6 0 M P a 的钢绞线。钢绞线由7 根帖的钢丝组成，屈服荷载为2 2 1 5 k N ，破坏荷载为2 6 0 7 k N 。锚索长度由下式计算：z = z l + 1 2 + z 3( 1
9、 )式中，f 1 为锚索外露长度，取0 3 m ；1 2 为锚索自由段长度，根据地质条件，顶板直接顶厚度为6 0 m ，老顶作为锚索的锚固点，锚索自由段长度按6 0 m 计算；z 3 锚索锚周长度，根据国内外成功经验取1 5 m 。代人上式计算得f = 7 8 m ，取锚索长度为8 0 m 。根据锚索锚固长度，每根锚索配备1 个C K 2 3 3 5 、和5 个7 - 2 3 3 5 树脂药卷，托板为4 0 0 m m x 4 0 0 m m 的钢板。( 2 ) 锚杆长度I 。角锚杆要向外倾斜，与水平面夹k 、，。根据理论研究，a = 6 0 。7 0 。时，角锚杆作用效果最佳，因此取a =
10、6 0 。锚杆长度按下式计算：f 百15+t( 2 )式中，z 为锚杆长度；s 为巷道跨度，为4 2 m ；t 为锚杆外露长度，取为0 1 m 。代人上式得：z = 丢4 2 + o 1 = 2 ，2 ( m )取锚杆长度为2 4 m 。( 3 ) 锚杆间排距锚杆间排距用下式计算：4 = b = ( 1 2 1 3 ) ( 3 )式中，a ，b 为锚杆间排距；l 为锚杆长度。计算得口= b = 0 8 - - 1 2 m ，取0 8 m 。( 4 ) 锚杆直径潜在冒落区岩石重量由锚杆和锚索共同承担，因此锚杆直径与锚索间排距有关。按每排布置2 根锚索考虑到锚杆的布置，取锚索排距为2 4 m 锚索
11、距相邻煤帮1 2 m 。锚杆直径按兜吊作用设计由下式计算【2 J ：1 4 5土力学覆岩土工程新进展浙江宁波2 0 0 4d 型掣岳! | ；丑( 4 ) Ti t “ L oJ 5 I n 式中 安全系数，取= 1 7 ；a 角锚杆倾角，a = 6 0 ；7 不稳定岩层平均容重，取2 5 k N m 3 ； d 锚杆的屈服强度，选用2 0 M n S i 螺纹钢锚杆。 口 为3 5 0 M P a ；G 。锚索承担不稳定岩层重量，G 。= 2 2 2 1 5 0 8 2 4 一- 1 4 8 k N ； 不稳定岩层厚度，根据地质调查取为巷道冒落高度3 m 。将各值代人上式得：d 戋2 x 1
12、 7 x ( 2 5 x 3 x 4 2 x 0 8 - 1 4 8 ) ：1 9 2 ( m m ) 31 43 5 0，s i n 6 0。选用2 0 的螺纹钢锚杆。每根锚杆配备1 卷C K 2 3 3 5 型和2 卷Z 2 3 3 5 型树脂药卷锚固荆2 0铸钢托盘。2 帮锚杆参数根据经验帮锚杆选用直径1 8 m m 、长度2 0 m 的A 3 钢锚杆，锚杆排距与顶板一致，为0 8 m ，下帮锚杆间距为0 8 m ，上帮锚杆间距为0 8 5 m 。每根锚杆配备2 卷K 2 8 3 5 型树脂锚固剂，并配备3 0 0 m m X3 0 0 m m 4 0 m m 木托板和十1 2 0铸钢托
13、盘各一个。巷道支护参数见图4 所示。攀1 2 I t丝! !球业2 J图42 0 01 6 0 曼n o 彗8 04 00四、巷道稳定性观测图5巷道施工后及时安装测站，测量巷道表面围岩位移。距切眼3 0 m 的测站测得围岩位移随 掘出时问发展规律如图5 所示，掘出8 6 d 时开始回采。由图5 可见，断面掘出3 0 d 左右围岩位移趋向于稳定，距工作面1 5 m 时( 9 2 d ) 测量断面开始承受回采动压的影响。顶板在开挖影响期内最大移动速率为8 5r a m d ，动压期问最大移动速率为2 5m m d 。试验巷道没有发生冒顶、片帮事故，保持了稳定，变形后的断面满足生产需要，试验取得成功
14、。1 4 6碎裂结构巷道顶板锚网索梁支护实践五、结论( 1 ) 碎裂结构顶板工程地质特征分三个方面：第一，顶板一般发育有多组结构面，同组结构面间距较小，受结构面切割，岩体显得破碎；第二，顶板自稳时问只有数小时，支护不及时顶板会冒落成拱型，顶板稳定性差巷道多是、V 类不稳定巷道；第三，碎裂岩体赋存地区多是经历过剧烈构造变动的地区，断层落差大或密集分布，在此类地区布置回采工作面时要注意碎裂结构顶板的存在。( 2 ) 碎裂结构顶板适宜的支护型式是锚一网一索一梁联合支护。锚杆的组合作用可有效控制浅部岩层的离层和扩容，锚索将碎裂岩体与深处稳定岩体联系起来，网和梁是重要的护表材料，可控制锚杆之间的支护薄弱部位，改善表面完整性，是锚杆和锚索有效发挥支护作用的技术条件。设计锚杆和锚索支护参数时，要综台考虑角锚杆的兜吊作用和锚索的悬吊作用，两者共同承担不稳定岩体的重量。( 3 ) 巷道稳定性观测表明，围岩经受住了静压和动压的考验，试验取得成功。支护成本下降3 1 5 3 元m ，改善了安全生产条件，省去了回采替棚工序，提高了回采速度和生产效率。参考文献 1 扬建辉，王景春取拉杆支架角锚杆倾角优化东北煤炭技术，1 9 9 9 ，( 5 ) 2 】杨建辉，杨万斌，武梅良煤巷板裂结构顶板锚杆一种设计方法及应用，煤炭科学技术，2 0 0 0 ，2 s ( 1 0 )1 4 7
