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1、复合顶板回采巷道锚、梁、网+锚索联合支护技术穆海洋 毕业武 蒲文龙【黑龙江科技学院安全工程学院，黑龙江 哈尔滨 150027】摘 要 结合东海煤矿锚杆支护发展现状，针对东海矿21综采面倾斜长壁工作面具体地质条件，介绍了复合顶板回采巷道锚、梁、网+锚索联合支护的试验情况。根据巷道支护难点，提出了支护技术方案，确定了锚、梁、网+锚索联合支护技术参数；根据现场工业实验证明该巷道采用锚、梁、网+锚索联合支护技术，既改善了巷道围岩的变形，又保证了工作面正常回采。关键词 回采巷道 复合顶板 锚、梁、网+锚索联合支护-1 问题提出锚杆支护从1955年开始在煤矿巷道中使用，经过多年的研究、改进和工程实践，已成
2、为我国煤矿巷道的主要支护形式之一，其主要特点是支护费用少，劳动强度小，实现巷道大断面较易等。随着锚、梁、网组合使用，进一步扩大了锚杆支护的应用范围。1979年锚杆支护巷道542km ，占全部巷道的36.3% ；1996年增加到897.18km，占全部巷道的57.34%。其中，岩巷、半煤岩巷、煤巷均得到应用，采用锚杆支护的范围正在扩大。锚杆支护在煤巷的扩大应用，必将促进煤炭工业的进一步发展。如今在地压小，断层破碎带少的煤矿，基本实现全锚化12。东海煤矿21综采面回采巷是复合顶板巷道，支护极其困难。该矿以往采用传统的工字钢架棚支护，当开采顶部煤层时，由于回采产生的巨大压力，往往会发生严重的支护变形
3、、破坏，很容易造成冒顶，需经常进行维修；在工作面前需拆棚、回掘等，工序复杂而危险。组合锚杆支护作为一种主动支护形式，有利于工作面端头的支护和安全回采。2 工程地质背景21综采面为倾斜长壁工作面，位于-592m水平东一采区，工作面回采巷长1685m，轨道巷长1600m，切眼长240m，倾角25。巷道均沿8煤顶板掘进，煤厚在2.53.45m之间，平均厚度为3.0m。巷道顶板相变较大，多数区段顶板为灰黑色泥岩、砂质泥岩，伪顶为炭质泥岩，厚度为0.10.3m，局部区段顶板为灰色或灰白色细、中粒砂岩基本顶，8煤顶板为典型的复合层状顶板，8煤顶、底板岩性如图l所示。图1 8煤岩性柱状图3 复合顶板特点与破
4、坏机理3.1 复合顶板特点所谓复合顶板，其本质就是离层型顶板，即上覆于煤层由多层厚度较小，层理、节理和裂隙发育、强度低的软弱煤岩层相间构成，各岩层之间黏结力较弱甚至无黏结力，与上部岩层胶结性差的一层直接顶。一般经采动影响，复合顶板因岩石强度低分层薄，其挠度比上部岩层大而向下弯曲，且上、下岩层胶结性差，附着力低，因而容易离层，在巷道发生局部冒顶的事故中，复合型的破碎顶板占相当大的比例34。3.2 巷道顶板破坏机理3.2.1 巷道顶板破坏的一般过程顶板受压变形岩石局部屈服变形节理弱面发生破坏顶板较低层位发生弯曲变形(伴有局部岩块脱落)岩层发生拉伸或局部剪切破坏巷道顶板变形破坏。3.2.2 塑性破坏
5、机理 巷道围岩在高地应力作用下，发生应力扩容变形而破坏。 巷道围岩中含有膨胀性软岩，吸水发生膨胀变形而使围岩发生破坏。 锚固平衡拱内岩石由弹性体转变为破坏松动体，使锚杆丧失加强锚固平衡拱的约束离层和抗剪切两个基本作用，导致围岩破坏。 巷道开挖后，巷道围岩是先由压应力引起的挤压破坏，随着挤压破坏向围岩深处发展，引起岩石裂隙扩张和体积膨胀，造成巷道周边岩层弯曲，而产生弯曲拉应力，导致顶板岩层破坏。3.2.3 结构破坏机理 巷道开挖后，岩层抗水平应力的截面减少，在水平应力作用下煤层沿水平层理面向巷道挤入，致使巷道帮顶受水平应力作用而破坏。 围岩中节理构造面的存在对围岩的承载能力及其稳定性影响很大，尤
6、其是节理面与最大主应力方向斜交时，岩体最容易沿节理弱面破坏而失稳。 巷道开挖后，围岩受力状态由三轴应力变为单轴压应力状态，由于岩石单轴抗压强度低，致使围岩产生塑性破坏或沿节理弱面破坏、随着锚固岩体的变形、离层和弯曲，巷道中部的锚杆始终受力，若锚杆的长度、刚性越大，会使之受力越大，锚杆受力即可达到强度极限而破坏，则岩层发生破坏。4 复合顶板锚杆支护设计4.1 复合顶板锚杆支护机理复合层状顶板在层状岩层中开拓的巷道与均质的岩层中明显不同，岩层的层面有三种主要性质对开采是很重要的。第一，垂直于岩层层面的抗拉强度低，个别出现明显裂隙的地方甚至为零。第二，是层面的抗剪强度比完整的岩层低。第三，是这类煤层
7、中开掘巷道多不破顶，这三个特性决定了层状岩层对下煤层中开掘巷道产生的特殊力反应。对于层状煤层体中开掘巷道，其支护原则是：第一，充分发挥围岩的自承能力，即完整性，尤其是顶板；第二，是采取措施提高围岩的强度。而满足这两个要求的理想支护就是锚杆支护，这时通过锚杆提供的锚固力和预紧力，各层岩层被组合形成组合梁，一起发生弯曲变形。层状岩层在产生弯曲变形后，很容易产生顺层滑，这时借助于锚杆提供的抗剪力、抗拉力以及由于锚杆作用，而使层面摩擦力增加，使岩层间的滑动得以控制。4.2 复合层状顶板支护特点分析21综采面回采巷道沿8煤顶板掘进，由图1可知8煤顶板多数为复合顶板结构，巷道由外向里伪顶厚度逐渐增大，伪顶
8、破碎极易离层形成网兜。巷道顶板的砂质泥岩上部为含水砂岩层，当顶板有裂隙、构造或锚索孔通达砂岩层时，顶板淋水，造成顶板泥岩膨胀和强度弱化，泥岩的膨胀变形会在锚索上产生巨大的载荷，同时顶板淋水还会使锚杆和锚索发生锈蚀，降低其承载力。另外对于松软的复合顶板，由于弹性模量小，积蓄于顶板岩层内的地层压力将会以形变压力的形式全部或大部分释放出来，矿压显现明显。根据复合顶板巷道支护难点提出如下技术对策： 采用锚、梁、网+锚索联合支护，以加强浅部顶板的建梁与加固作用，保证锚杆和锚索的锚固力在顶板岩层内的连续传播和有效锚固； 为了防止复合顶板离层、破碎而造成顶板冒落，应尽可能提高锚杆和锚索支护的组合性，同时提高
9、背护作用，以提高锚杆和锚索的外锚强度，加强顶板支护的整体性； 根据锚杆、锚索的变形能力匹配需要，合理确定锚杆和锚索的预紧力； 对于顶板砂岩水，采取超前打钻孔探放，或者调整锚、梁、网支护参数，或者采用架棚等有效方式支护，并对矿压显现进行观测，根据观测结果调整优化支护参数。4.3 锚梁网支护参数确定巷道断面设计为宽4.8m、中高3.2m。根据巷道工程地质条件，采用组合梁理论和工程类比法确定21回采巷锚、梁、网+锚索支护参数。顶板锚杆直径20mm、长2500mm，安装深度2400mm，用2卷Z2380型树脂锚固剂卷锚固，锚固长度不小于1000mm，锚杆安装预紧力矩不小于100Nm，锚杆锚固力不小于1
10、20kN，锚杆间排距为840800（mm）；用12#槽钢作梁，配合M5钢带；金属网用l2#镀锌铁丝机械编制，网孔小于5050（mm）。顶板锚索钻孔直径均为27mm，锚索为18mm、长6300mm的钢绞线，锚索安装深度6000mm，用3卷Z2380型树脂锚固剂，锚固长度1800mm，锚索安装预紧力不小于50kN，锚索锚固力200kN，锚索间排距为1600800（mm）。两帮锚杆直径18mm、长1800mm，安装深度1700mm，用1卷Z2380型树脂锚固剂卷锚固，锚杆安装预紧力矩不小于60Nm，锚杆锚固力不小于50kN，锚杆间排距为850800（mm）；钢带为3mm钢板条，金属网用l2#镀锌铁丝
11、机械编制，网孔小于5050（mm）。21综采面回采巷道支护形式如图2所示。图2 21综采面回采巷道支护示意图5 支护效果分析根据上述支护设计方案进行现场工业性实验，具体监测方案如下：沿实验巷道走向每隔30m布置一条测线，监测范围120m，在每条监测线内，分别安设顶板离层仪1个、锚杆测力计3个，巷道顶板及上、下帮各布置1个巷道围岩表面变形基点，本试验在实验顺槽锚杆支护段设置了多个观测断面，分别对巷道表面位移、顶板离层、锚杆锚固力等情况进行了连续观测，观测时间长达110天，由观测结果可分析巷道围岩变形规律与锚杆支护效果。围岩变形包括顶板下沉、两帮移近等，观测结果如图34所示。图3 巷道顶底板、两帮
12、移近量曲线 图4 巷道顶底板、两帮移近速度曲线根据监测数据，工作面回采期间巷道表面变形量观测结果如下：回采期间巷道由于受超前采动支承压力影响，巷道围岩变形较掘进期间明显剧烈。回采期间巷道顶底板累计移近量为420mm，两帮累计移近量为350mm，在此期间巷道顶底板和两帮最大变形速度分别达到22mm/d、18.5mm/d。巷道受工作面超前支承压力影响范围为4060m，剧烈影响范围为1525m。观测结果表明，回采期间巷道变形量和变形速度比掘进期间大，这主要受工作面采动影响所致。总之，巷道顶、底板和两帮的相对移近量及移近速度都很小。6 结 论 巷道从掘进到回采历时1年多时间，巷道未发生冒顶、片帮事故，
13、巷道顶板没有出现离层、破碎、下垂及网兜现象，顶板锚杆和锚索基本上无损坏，巷道围岩稳定。回采期间，巷道安全、畅通，工作面上出口断面积始终保持在8m以上，无需任何维修，完全可以满足生产、使用要求。 通过对试验巷道的矿压观测，初步掌握了复合顶板锚、梁、网+锚索联合支护巷道的矿压显现规律。试验巷道的矿压观测结果表明，该巷道围岩变形主要发生在回采期间，因此为了减小巷道变形量，回采期间，应采取超前加强支护措施，并扩大超前支护的范围，以期减轻回采期间的巷道变形量。试验表明，在东海矿北区回采巷道中，采用由锚杆、锚索与槽钢组合而成的锚、梁、网+锚索联合支护形式是合理的，所选用的主要技术参数是安全的。试验研究的锚、梁、网+锚索联合支护形式及其主要技术参数可在类似地质条件的巷道中推广应用。参考文献1 康红普，林健.我国巷道围岩地质力学测试技术新发展J.煤炭科学技术.2001.2 刘长友，曹胜根，等.采场支架围岩关系及其监测控制M.中国矿业大学出版社.2003.3 刘长友，曹胜根，等.采场直接顶特性研究J.矿山压力与顶板管理.1999.4 陈炎光，钱鸣高.中国煤矿采场围岩控制M.煤炭工业出版社.1994.第一作者简介 穆海洋，男，1985年出生，黑龙江省齐齐哈尔市人。现就读于黑龙江科技学院安全工程学院。（收稿日期：2008-11-28；责任编辑：黄翔）
