B060306 含水复合顶板沿空顺槽锚梁网+锚索联合支护试验

1、含水复合顶板沿空顺槽锚、梁、网+锚索联合支护试验尹建国 苏多云【淮南矿业（集团）公司潘三煤矿，安徽 淮南 232096】摘 要 分析了含水复合顶板沿空掘巷的受力特点，设计锚、梁、网+锚索联合支护方案。通过现场试验和矿压观测与分析，证明了支护的可行性，为类似条件下的巷道支护提供了可借鉴的经验。关键词 含水 复合顶板 联合支护2001年，潘三矿在13槽综采面沿空巷道进行锚、梁、网+锚索联合支护试验。试验巷道为该矿西一采区13槽1211(3)轨道顺槽。巷道长1250m，埋深517m。该巷道此前1062m采用U型钢架棚支护。联合支护试验巷道长188m，经历了掘进与回采两个时期。掘进与待采期间，巷道支护

2、状况良好。回采期间，巷道压力大，巷道变形严重，但在采取适当的超前加强支护措施后，实现了工作面的安全回采。这次试验为该类巷道今后采用锚、梁、网+锚索联合支护提供了经验。1 试验巷道的地质条件13-1层煤直接顶板为泥岩、煤线和13-2层煤，含大量植物化石碎片，厚3.17m，平均4m；老顶为浅灰灰白色中粒砂岩、粉细砂岩互层，块状、坚硬，厚07.21m，平均，局部垂向裂隙较发育；底板为灰深灰色泥岩，厚度2.80，平均(见图1)。煤层倾角1315°，煤坚固性系数f值为1，煤层厚度3.14.0m。该巷道的地质采矿条件具有以下特点： 巷道直接顶板是由三层软岩夹二层煤组成的复合顶板，复合顶板软岩层的

3、厚度达到以上；巷道倾斜下方与1221(3)综采面采空区相邻，之间仅留3m小煤柱，属窄煤柱沿空巷道；巷道老顶砂岩含水丰富，局部裂隙发育，使老顶之下的泥岩及13-2层煤容易产生较大的膨胀变形；巷道埋深517m，地层压力约13MPa。巷道掘出后，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绝大部分释放出来。 图1 岩性柱状图2 巷道支护分析与支护方案2.1 巷道支护分析根据1211(3)沿空巷道的地质条件，在该巷道中采用锚、梁、网+锚索联合支护存在多种技术困难。 老顶断裂威胁巷道安全老顶距巷道顶部，采场支承压力或整个上覆岩层压力是通过老顶传递到巷道顶板和巷道两侧

4、煤体、煤柱上，用锚杆与锚索加固后的顶板仍难以支承全部压力。实际上，大部分压力是通过老顶传递给巷道两侧的煤体和煤柱。因此，老顶断裂后，采场支承压力将可能直接作用于巷道直接顶。而直接顶实际是处于老顶的保护之下，老顶的断裂往往是以直接顶的断裂为前提的。况且，老顶断裂后，用作巷道支护的锚索、锚杆的着力点将可能破坏，从而造成巷道支护完全失效。老顶断裂后，即使能够形成某种可以承载的岩块结构，但此种结构具有很大的不确定性和不稳定性，且承载能力与断裂前的完整岩层相比大大降低。因此采用锚杆、锚索支护的沿空巷道老顶断裂，将造成巷道支护结构的失效和巷道的整体垮落。为防止巷道老顶的断裂和保持巷道安全，应合理留设煤柱和

5、正确选择锚杆、锚索的布置方式并采取其它技术措施。试验巷道由于原采用U型钢架棚支护，煤柱宽度是事先已确定了的，无法改变。3m宽的窄煤柱将无法支承老顶传递来的强大压力而遭到完全破坏和丧失承载能力。3m宽窄煤柱加上4m宽巷道，相当于采空区边缘向煤体侧移进了7m，而老顶在采空侧悬臂的长度将可能达到10m。老顶与直接顶的累计厚度10m左右，与采空区顶板冒落带的高度非常接近。因此，老顶在巷道煤体侧上方断裂的可能性很大。老顶的断裂无疑会给巷道支护和安全造成极大威胁。 现用锚杆、锚索不适应顶板岩层的膨胀变形根据地质资料，巷道老顶砂岩含水，且与煤系地层之上的第四系下部含水层有一定的联系。与试验巷道相邻的1221

6、(3)工作面切眼及运输巷在掘进过程中相继出水，最大出水量为29m3/h，一般为15m3/h左右。已掘进完工半年多的1211(3)工作面上顺槽顶板一直淋水不断。后来的掘进施工亦证实，试验巷道的顶板淋水直至工作面回采一直没有停止。巷道的揭露，加上锚索孔钻进到老顶砂岩层，造成顶板岩层活动，砂岩层含水将透过直接顶而进入巷道。直接顶的泥岩遇水产生膨胀变形，自由膨胀率将达到20%以上。现用的锚索及锚杆基本属于不可伸长的刚性结构体，不能适应直接顶泥岩的膨胀变形。锚杆与锚索不仅要承受强大的岩层形变压力，而且还要承受岩层遇水膨胀后所产生的巨大的膨胀压力，在这两种压力的双重作用下将被拉断。此外，由于安装的锚杆与锚

7、索长期经受顶板水的浸渍而严重锈蚀，其破断强度将被严重削弱。 巷道围岩的破碎使其可锚性降低锚杆支护是通过加固围岩提高其自承载强度来实现的，其前提是巷道围岩必须具有可锚性。锚杆支护强度的高低不仅取决于锚杆的布置方式与布置密度，而且取决于围岩潜在的可加固或可提高的强度。围岩潜在的可加固或可提高的强度越高，才有可能更高地提高锚杆的支护强度。锚杆支护强度只能小于、最多等于围岩潜在的可提高的强度。一旦围岩可锚性降低或丧失，锚杆的支护强度也必然会随之降低或丧失。试验巷道的围岩破碎包括顶板破碎和巷帮煤柱破碎。煤层与泥岩组成的复合顶板岩层裂隙发育、松软破碎，加上顶板水的长时间渗透，使其软化、更加破碎。3m窄煤柱

8、在顶板压力作用下会完全破碎甚至坍塌。在这样的围岩条件下，采用普通的锚杆支护，支护效果大幅降低，甚至可能完全丧失。2.2 巷道支护方案沿空巷道断面形状为斜梯形，净宽4000mm、中高2800mm，断面积为10.4m2。根据沿空巷道联合支护的设计原则及巷道地质特点，1211(3)沿空巷道联合支护设计应采取以下主要技术对策：用槽钢梁与锚杆、锚索组合成整体斜拉结构。 即使顶板岩层在巷道上方或巷道煤体侧上方沿倾向断裂，仍能保证巷道支护安全；在锚杆、锚索外露端加装木垫板，部分释放顶板岩层的形变压力，吸收顶板泥岩遇水膨胀时所产生的膨胀压力，实现主动让压支护；采用锚杆与锚索联合支护以加强对浅部顶板的加固作用，

9、保证锚固力在顶板岩层内的连续传递和有效锚固；加强巷帮支护。采用钢带作为巷帮锚杆连接件，且钢带沿巷道长度方向铺设，以保证巷帮护表结构在煤柱、煤帮压缩变形过程中始终紧贴煤帮，始终支护有效；采用高强度的顶板背护材料。一方面为锚、梁、网支护提供可靠条件，另一方面防止复合顶板破碎受压后下垂过大，减小顶板下沉量。支护结构由三部分组成：其一，顶板支护结构金属网+槽钢梁+锚杆+锚索。每排都由两根锚索、四根锚杆、一根槽钢梁及一片金属网组成。每两排锚杆(锚索)为一组，其中一排靠上帮的锚索与水平面成70°夹角，另一排靠上帮的锚杆与水平面成70°夹角，其余位置的锚杆、锚索均垂直于顶板布置。安装时，

10、金属网紧贴顶板铺设，槽钢梁沿巷道横向架设并压紧金属网，锚杆和锚索穿过槽钢梁锚入顶板。巷道顶板两肩窝处的锚杆分别距帮部150mm。金属网搭接长度为100mm，相邻金属网用12#铁丝扎牢，扎扣间距150mm。其二，工作面侧巷帮支护结构金属网+钢带+锚杆。工作面侧帮每三排锚杆为一组，每组由12根锚杆、4根钢带及3片金属网组成。安装时，金属网紧贴煤帮铺设，4根钢带沿巷道纵向等距架设并压紧金属网，锚杆穿过钢带锚入巷帮煤体内。上、下部纵向钢带分别距顶板、底板350mm，钢带与钢带之间距离为800mm。其三，煤柱侧巷帮支护结构金属网+钢带+锚杆。小煤柱侧帮支护与工作面侧帮支护基本相同，其区别在于，每组安装9

11、根锚杆、3根钢带，钢带与钢带之间距离由800mm改为700mm。锚杆直径为20mm、长2500mm，锚索用直径为、长6200mm的钢绞线制作，槽钢梁用长3800mm的12#槽钢制作，巷帮钢带用1600×200×3（mm）的扁钢制作。3 矿压观测结果与分析试验期间对巷道矿压显现进行了观测。 巷道围岩变形量 图2为巷道表面相对移近量及移近速度历时曲线。在支护试验期间，巷道顶底板累计移近量为15601750mm，两帮累计移近量为13801455mm。其中，掘进影响期间巷道顶底板累计移近量为570640mm、两帮累计移近量为410500mm，分别约占总移近量的3241%和 2836

12、%。围岩稳定期间巷道顶底板累计移近量为188218mm、两帮累计移近量为162207mm，分别约占总移近量的12%和1214%。回采期间巷道顶底板累计移近量为732962mm、两帮累计移近量为 718838mm，分别约占总移近量的4755%和5257%。此外，在掘进后的头两个月内，巷道围岩变形显著，顶底板移近速度平均达到9.8mm/d，两帮移近速度平均达到9.3mm/d。在回采期间，巷道围岩变形剧烈，变形速度显著增大，顶底板和两帮最大变形速度分别达到5181mm/d和4376mm/d。图2 巷道围岩移近量及移近速度曲线3.2 锚杆载荷观测 图3为巷道顶板锚杆工作载荷历时曲线，图4为巷帮锚杆工作

13、载荷。从图中可以看出，巷道顶板锚杆受力差异较大。顶57锚杆的最大载荷达到130kN，而顶41锚杆和顶97锚杆的载荷只有6080kN。巷帮锚杆受力比较均匀，其载荷一般5060kN。无论是顶板锚杆还是巷帮锚杆，其承载过程都包含上升、下降，稳定这三个阶段。图3 巷道顶板锚杆工作载荷历时曲线图4 巷帮锚杆工作载荷历时曲线3.3 围岩深部位移观测图5为巷道围岩稳定后顶板围岩深部位移量与钻孔深度关系曲线。顶板围岩深部位移是由巷道表面向深处逐渐发展的，位移量随深度逐渐衰减，但衰减的程度各测点不一样。位移量显著衰减的深度一般为1m。这表明在距巷道顶板表面1m的范围内可能有离层发生。此外,各测站顶板围岩的下沉量

14、也一般为150250 mm。造成顶板下沉量的差异可能主要是顶板淋水所致。图6为巷道围岩稳定后巷帮围岩深部位移量与钻孔深度关系曲线。巷道两帮围岩深部位移量一般为200250mm。其中,煤柱侧帮的变形量明显大于工作面侧帮的变形量，平均要大15%20%。另外, 工作面侧帮的变形量在2.5m深处显著减小,而煤柱侧的变形量虽然随深度的增加有所减小,但却呈缓慢态势。 图5 顶板深部位移量钻孔深度关系曲线图6 巷帮深部位移量钻孔深度关系曲线矿压观测表明，一年多的观测时间内，巷道顶底板累计移近量为15601750mm，两帮累计移近量为13801455mm，巷道顶底板累计移近量平均要比两帮累计移近量大200mm

15、左右；巷道受掘进影响期间（一般为2个月）巷道顶底板移近速度平均达到9.8mm/d、两帮移近速度平均达到9.3mm/d，而在围岩稳定期间巷道顶底板及两帮移近速度一般为1mm/d；巷道受工作面超前支承压力影响范围为110m、受超前支承压力剧烈影响范围为25m，在超前支承压力剧烈影响范围内巷道顶底板最大移近速度达到81mm/d、两帮移近速度最大达到76mm/d；巷道淋水段顶板下沉量和顶板离层范围均比较大，巷道围岩稳定后淋水段顶板下沉量平均达到200mm左右、离层高度达到3m深处，而在非淋水段顶板下沉量小于150mm、顶板离层高度仅1m左右。4 结 论潘三矿1211(3)轨道运输顺槽压力大，顶板松软破

16、碎、长期淋水、护巷煤柱窄。在这种复杂的地质条件下进行沿空巷道的锚、梁、网+锚索联合支护试验取得了成功。试验结果表明： 在含水复合顶板沿空巷道中采用这种联合支护，在技术上是可行的。在回采期间，通过采取适当的超前加强支护措施，巷道的支护状况完全可以满足使用要求。与U型钢架棚支护相比，联合支护有利于巷道维护，有利于加快采煤工作面的推进速度。试验中采用的槽钢与锚索、锚杆组成的斜拉整体支护结构有利于防止顶板垮落和保证巷道安全。高强度、高密度的护顶背帮及锚杆、锚索外露端加装木垫板有利于提高锚杆、锚索的支护效果及其整体性，有利于减轻围岩的破碎变形。主动让压支护技术措施能够适应顶板岩层遇水膨胀变形的特性。含水

17、复合顶板沿空巷道联合支护试验的成功为该矿在类似条件巷道中用锚杆、锚索支护取代U型钢架棚支架支护提供了经验，对该矿扩大锚杆支护范围具有重要意义。但是，由于巷道的地质条件异常复杂，试验中也还存在一些技术问题，有待在今后的试验中进一步研究解决：由于顶板高形变压力的释放、顶板泥岩遇水膨胀产生的较大形变压力和膨胀压力以及使用的锚杆与锚索不可伸长，使得锚杆、锚索的承载特性与顶板岩层的变形特性不相适应，造成锚杆、锚索被拉断。因此，今后在此类巷道的支护中，应研制和采用可伸长锚杆与锚索，实现合理的主动让压支护，使锚杆、锚索的承载特性与围岩的变形特性相适应，避免或减少锚杆与锚索的损坏，改善巷道的维护状况。损坏的锚索中有一部分是被剪切破