B090302 软岩巷道锚杆支护与传统支护联合应用技术

1、软岩巷道锚杆支护与传统支护联合应用技术初月明 杨风成 邵泽伟龙口矿业集团洼里煤矿，山东 龙口265714摘要 通过对洼里煤矿地质条件的分析，总结了以往巷道支护经验教训，根据锚杆支护与传统支护的特点，提出了相应的支护对策，并在现场成功应用。提出了对软岩巷道支护发展的思路。关键词 软岩巷道 锚杆支护 传统支护 联合 应用-1 地层概况洼里煤矿煤系地层主要由钙质泥岩、炭质页岩、灰绿色泥岩、泥灰岩、砂岩、粘土岩、油页岩和煤组成。主要可采煤层有煤1和煤2。其岩层的成岩时间短，变质程度差，胶结性也差；岩石强度低，结构松散，自稳性差，承载能力小；岩石中含有大量的蒙脱石，节理发育，易风化、潮解，吸湿泥化，膨胀

2、性强，易发生蠕变，在应力作用下易产生显著的塑性变形和流变。十二采区下部地层为新生界下第三系地层，煤系地层内赋存可采煤层两层，即煤1、煤2。煤系地层上部为第四系冲积层，厚度1235.27m，平均厚度25.27m，由砂质粘土、砂层组成，底部含砾石，富水性强，为工农业用水主要水源。其中采区西部第四系内分布有玄武岩，厚度2.79.2m，平均厚度6.4m。煤1直接顶板为含油泥岩，厚4.5m，岩性软弱，易冒落；煤1直接底板为次油页岩，厚1.65m，属强膨胀型岩层，易膨胀底鼓。煤2直接顶板为砂质页岩及砂岩，厚4.6m，含较丰富的承压孔隙水；煤2直接底板为粘土岩及中粗砂岩，粘土岩易膨胀泥化，砂岩富水性强。区内

3、断裂构造发育，属于典型的“三软”煤系地层。2 原来支护形式-250水平的原来的支护形式为料石砌碹支护和棚拱、喷支护。在砌碹支护中，分为几个不同的巷道断面，主要有D2.4m、D2.6m、D2.8m、D3.2m和D3.6m五种，D2.6m、 D2.8m、D3.2m在准备巷道中使用，一次支护比较成功。但在十二采区下部的回风下山和轨道下山穿层施工时，单纯的砌碹支护则满足不了安全生产的需要。（1）十二采区下部回风下山巷道由于受该段膨胀岩层的影响，内挤严重，巷道净断面由最初施工的2.68m，缩小到2.22.3m，碹骨在撤除前受膨胀岩层内挤的影响，已经发生了变形，给施工带来了难度，直接影响了工程质量，不得不

4、对内挤较重的巷道进行返修，并喷浆进行加固。（2）十二采区下部轨道下山在施工前，虽然决定采取扩大荒断面的方式进行施工，以保证该巷道的设计断面，巷宽在原有基础上扩大400mm（每边扩大200mm），并采取壁后不充填矸石的方式进行施工，给膨胀岩层一定的膨胀空间，该种方式虽然保证了当时巷道不发生变化，但是巷道施工近10天以后又发生了明显的变化，随着岩层的下降趋势，巷道逐渐发生变化，出现了内挤、变形、破碎的现象，巷道局部净宽由最初的3.68m缩小到3.5m左右，对该段巷道不得不又进行了挂网、喷浆进行加固。由此可见，砌碹巷道可缩性差，一旦出现破坏，必须全部返修。这是因为料石砌碹支护属刚性支护，柔性不足，脆

5、性有余，隔水性差，致使强大的地压及膨胀压力到来时，碹体无法通过断面的收缩来缓冲、释放压力，最终造成料石碹受剪切破坏。经实践证实，在-250水平，简单的锚、喷支护已不能满足支护要求，受动压影响时全圆料石碹受力相对均匀、巷道变形较轻，是-250水平采用最多的支护形式，架棚、反底拱、喷浆支护巷道在不受构造应力作用的情况下，支护还成功，但在回采期间变形相对较重，在-250水平只能有选择地使用。而在标高更深的十二采区下部的准备巷道，单纯砌碹支护和棚拱、喷支护远远满足不了准备巷道的生产需要，需要进行支护改进，提高支护强度。3 现在支护形式3.1 支护形式沿煤1施工，采用圆形断面料石砌碹，碹后根据标高的不同

6、布置不同数量的锚杆，在锚杆（麻花树脂锚杆）和碹体间预留可缩层，壁后充填混凝土。3.1.1 十二采区皮带下山2008年1月份，该巷道进行穿层施工，在施工前，鉴于其他两条巷道在该层位施工的经验教训，决定继续扩大荒断面，巷宽在原有基础上扩大800mm（每边扩大400mm），并在膨胀岩层区域安设直径14mm、长2000mm的树脂锚杆，每碹安设16根，按间排距为700700（mm）布置在膨胀岩层中，长度48m；使用规格为25020050（mm）的木托盘和规格为150150（mm）的铁托盘。膨胀岩层位于碹体地坪以上时，对碹体壁后充填炉渣，将炉渣均匀的分布到碹体后面，填充时要满而不实；膨胀岩层位于碹体地坪以

7、下时，恢复正常施工。目前，该段穿层巷道碹体出现过轻微裂缝，但没有出现内挤、破碎等严重情况，保证了巷道断面的设计要求。3.1.2 十二采区下部回风下山十二采区下部回风下山设计断面高为2.6m，料石砌碹。考虑到该巷道设计断面小，相邻的十二采区工作面的标高与其基本相同，因此施工过程中，没有采取特殊措施，只在巷道层位和荒断面上做出要求：沿煤1掘进，巷道荒断面适当放大，每帮至少200mm；-285m以下（十二采区工作面以下）巷道龙门填充100mm的混凝土，保证工程质量。目前该巷道已经施工至标高-305m，停止施工。目前，该巷道没有明显的变化，局部地段碹帽有掉片，但可控制，只进行了挂网、喷浆修补。3.1.

8、3 十二采区轨道下山十二采区轨道下山设计断面高为3.2m，料石砌碹，在该巷道选择上沿煤1施工掘进，采取壁后充填混凝土、放大荒断面、壁后施工锚杆等措施，具体方法为：（1）标高在-280m以上巷道在-280m标高以上巷道采取放大荒断面、壁后充填混凝土的措施，要求荒断面放大后料石与岩层至少充填200mm的空隙，然后再在龙门左右各5行料石间充填100mm的混凝土；逐渐增加到地坪以上充填100mm的混凝土。从已施工段的巷道状态来看，壁后充填段巷道的碹帽、龙门有下沉、变平现象，巷道龙门处有裂缝，说明支护效果不佳。为此，已在现场设点进行定期观测，对巷道的变化情况及时了解，以便及时采取加固措施。（2）标高在-

9、280m以下巷道鉴于标高在-280m以上巷道支护效果不佳的原因，决定标高在-280m以下的巷道壁后施工锚杆，同时放大荒断面，支护参数及要求是：每碹在巷道顶端龙门区域安设6根锚杆，平行布置，锚杆间排距为600700（mm），误差不大于100mm。搁梁后再安设锚杆，中间锚杆安设在搁顶梁中梁的一侧，其余锚杆打设在搁顶梁之间。标高在-300m以下后，增加壁后锚杆的数量，每碹增加4支锚杆，达到每碹10支锚杆；-310m以下进一步增加锚杆数量，锚杆达到每碹16支，目前巷道已经施工到标高-320m，每碹施工锚杆22支，在巷道起拱线位置施工两排锚杆，并且龙门充填混凝土100mm，目前已经施工了500m。锚杆为

10、直径14mm、长1800mm的麻花锚杆，每根锚杆用1卷直径35mm、长400mm的树脂锚固剂卷端头锚固。用金属托盘和木托盘各一个，金属托盘用废旧溜槽加工，规格为1501505（mm）；木托盘的规格为20020050（mm）。锚杆端部必须推到孔底，尾端外露长度不大于50mm。安装锚杆时，要保证锚杆预紧力，使用特制扳手上紧。锚杆安装要牢固，托盘紧贴岩壁不松动，锚杆安装方向垂直巷道圆心。3.1.4 十二采区下部皮带下山十二采区下部皮带下山沿煤1施工，采用的支护方式与十二采区轨道下山一致，且锚杆数量略有增加，自标高-270m以下开始壁后安设6根锚杆，-280m以下增加锚杆数量到8根，-290m以下锚杆

11、数量增加至10根，目前正在按计划进行施工，巷道标高已达到-295m，已经施工了240m。3.2 支护效果从目前已施工段的巷道状态来看，巷道标高已经达到-320m，为洼里煤矿建矿以来的最深层位，巷道仅有局部发生碹帽、龙门局部有下沉、变平现象，巷道龙门处局部有裂缝，说明复合加强支护有效果。3.3 观测数据分析 顶板变形量，经过观测，在巷道施工完13天内顶板变化较大，在十二采区轨道下山的观测数据最大变形量为50mm，即碹体龙门下沉，以后变形量趋于变少。 两帮移近从巷道掘出即发生，在未砌碹前，锚杆木托盘已经受力压缩变形，煤层变化量较小，岩层变化量较大，从观测数据看，碹体墙体部分最大变形量达到80mm，

12、 以后变形量趋于变少。 巷道底板没有变化。3.4 支护机理分析巷道中煤体处于顶底板岩层的夹持之中，由于煤层与顶底板的力学性质有很大的差异，因此，巷道两帮的破坏是由垂直压力造成的，而顶底板破坏是由水平应力造成的。围岩单向应力集中范围越大，煤层越厚，其破坏性越大。加之受深部高应力作用，围岩产生位移，巷道持续变形，稳定性差。巷道开挖后，应力重新分布，在巷道周边23m以外，形成一个极限平衡区域，由于顶板失去了支撑，其重量将转移到巷道的两帮上。如果不进行适当的支护，顶板就会产生较大的变形，甚至垮落。因此，在巷道掘进时，为防止片帮和顶板垮落，就要根据顶板的岩性采取合理的支护方式对巷道进行支护。我们采用碹后

13、的锚杆支护能够充分利用锚杆的悬吊、组合梁、压缩拱和挤压体的作用，有效地防止了顶板的垮落；预留可缩层是给顶板在施工锚杆后一定的可缩量，在顶板变形的末期，砌碹支护作为第二次支护发挥作用，同时该段可缩时间保证了碹体混凝土的充分凝固，能够发挥砌碹支护的最大作用。4 支护发展思路随着开采深度的增加，矿压显现更加明显。根据矿压资料分析，矿井深部岩体所受侧向应力与埋藏深度不是简单的线性关系，随着深度的增加，侧压系数加大，其所受侧向应力明显加大，矿压显现更为突出。在深部，由于矿山压力明显加大，对巷道的支撑力要求也加大。由于其软岩自身的支护能力较弱，岩石强度低（岩石坚固性系数f值一般为0.051.2），软岩中的

14、巷道开掘后，自稳时间短，围岩应力进入调整阶段，应力调整阶段一般为13个月，在此阶段围岩变形速度快，变形量大，在周围无构造或无采动影响、支护及时并适当时，此阶段的变形量可能很小，表现尚不突出，之后围岩应力进入相对稳定阶段。软岩支护中，应遵循“刚柔相济，抗让结合”的支护原则，即支护中允许巷道有一定的变形量，但必须保证巷道支护有一定的支撑力，以适当控制巷道的变形。4.1改变支护体的状态，提高围岩自稳性要提高围岩强度，充分发挥围岩的自撑能力，可采用全长锚固的锚杆支护配合砌碹支护，也可采用注浆锚杆，以形成围岩的加固承载圈，阻止围岩的塑性流动，保证巷道的稳定。对在压力较大的区域施工，在砌碹支护时，采用放大

15、荒断面150200mm，在碹体壁空间，采用散状固体材料充填，既可保证碹体受力均匀，又可防止围岩压力直接作用在碹体上，起到让压卸载、置换围岩等综合效果，极大地改善了支护体的状态。4.2 释放应力在剧膨胀、高应力围岩的软岩巷道里，在各种支护方法不能奏效的情况下，采用应力充分释放的方法能取得明显的效果。砌碹支护施工过程中，在断层带和压力显现明显区域，常采用二次成巷等措施，二次支护时间选择在围岩变形出现第一个稳定点后进行，允许围岩释放一定的压力，减少对巷道的冲击破坏。4.3加强矿井水的管理软岩巷道支护技术中，现场总结对围岩控制的经验是“治顶先治帮，治帮先治底，治底先治水”。在软岩巷道中，哪怕是少量的水

16、都会使底板泥化，因此对水的处理是保证软弱围岩稳定的基础。在治理工作中，要坚持“无水要防，积水必疏，有水必治，用水必管”的原则。在巷道底部抹灰浆阻隔水对底板的泥化，同时加强排水、用水管理，及时施工集水池、水仓、排水沟等设施，防止巷道积水。4.4 合理选择掘进工艺软岩巷道抗震动性能差，据测量，在回采工作面爆破，其超前影响范围达200m，影响剧烈段达到20 m，每一次放炮可使周围巷道顶板下沉23mm。软岩巷道的变形的影响因素很多，炮震使围岩强度下降量较大。采取的措施有： 采用多打眼、少装药、放小炮的光面爆破工艺，可保证巷道成形，降低爆破对围岩的震动破坏，增加围岩自身承载能力，减少巷道的破坏。特别是过

17、断层过程中，揭露断层后根据顶板情况，如顶板破碎较轻、压力较小，可采用放小炮配合风镐施工，如顶板破碎较重、压力大，一律采用风镐施工，同时由一次成巷改为二次成巷。 采用掘进机掘进，可以大大减轻对围岩的震动破坏。4.5增加支护体结构强度在对软岩巷道支护体结构与强度的设计时，应与加固围岩，提高围岩自承能力相结合，与围岩变形及强度相匹配，采取卸压、让压与加固和支护相结合的方法。对于高应力区，要卸得充分，对于大变形，要让得适度，对于软弱部分，要进行加固，对于围岩整体，要有足够刚度支护住。在架棚支护中，根据矿压显现不同特点和不同的地质条件，通过调整棚距、棚空安设锚杆、增加喷浆厚度等措施，调整支护强度，达到支护要求；对于在过断层期间或过断层后，已施工巷道出现碹体内挤、破碎等矿压显现现象，及时采取加固措施，及时喷浆、安设锚杆、挂网、喷浆、支设工字骨架