厚煤層全煤巷道錨桿支護(hù)探討與應(yīng)用

1、厚煤層全煤巷道錨桿支護(hù)探討與應(yīng)用【摘要】全煤巷道頂板和兩幫的變形破壞特征及錨桿支護(hù)作用機(jī)理，針對頂板受水平應(yīng)力作用變形破壞之后，由于自重和上覆煤層擴(kuò)容脹力導(dǎo)致破碎垮落，兩幫主要受壓剪作用剪脹破壞，提出了支護(hù)設(shè)計原則、支護(hù)方式?！娟P(guān)鍵詞】 全煤巷道錨桿支護(hù) abstract full coal roadway roof and two walls deformationcharacteristics and mechanism of bolt support, under the roofhorizontal stress after the deformation failure, due t

2、o theself weight and the overlying coal capacity expansion forceresult in broken roof caving, two for main pressure sheardilatancy damage, supporting the proposed design principle,support support mode. key words full coal roadway bolting中圖分類號：td3 文獻(xiàn)表識：a文章編號：一、地質(zhì)技術(shù)條件試驗工作面地面標(biāo)高為70.8米，工作面標(biāo)高為376425米。煤層總厚

3、度為7.48米，煤層傾角為10º；有一層夾矸，其厚度變化較大，在南二上下延左二塊厚度為1.34.0米，走向約為1200米，巖性為黑灰色粉砂巖；工作面走向長1260米，傾斜長190米。該區(qū)域的北部為一寬緩的向斜構(gòu)造，距離南四石門17煤層上山約600米為向斜軸，最低點標(biāo)高為-425米左右：預(yù)計對掘進(jìn)有影響的斷層有6條，多為正斷層，在斷層附近煤巖層裂隙發(fā)育。設(shè)計托煤頂施工，其煤層頂、底板情況柱狀示意表所示，巷道圍巖分類為類。表：煤層頂、底板情況柱狀示意該項目評估為：巖體容重按25kn/m3，則420米位置0.5mpa，則 1/1.8 mpa，可以看出該工作面區(qū)域存在較大的水平應(yīng)力。

4、二、厚煤層巷道頂、幫煤體變形破壞特征1、巷道頂板的變形失穩(wěn)厚煤層巷道頂板變形失穩(wěn)過程分2個階段：柱狀 頂?shù)装?巖石名稱 厚度/m 巖 性 描 述. . . . 基本頂 粉砂巖 8.0 黑灰色，水平層理，上部含高嶺土質(zhì). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 直接頂 粉砂巖 4.0 深灰色泥巖，貝殼狀斷口，上部含砂質(zhì).17煤層 3.55.1. 直接底 粉砂巖 2.61 黑灰色粉砂巖，含植物根化石及黃鐵礦散晶. 基本頂 細(xì)砂巖 5.39 灰白色細(xì)砂巖，硅質(zhì)膠結(jié)，成分以石英長石為主.（1）前期階段。巷道頂板為煤體，頂煤主要受水平載荷作用，水平載荷由兩部分

5、構(gòu)成：一是原始應(yīng)力場中水平應(yīng)力因巷道開挖而重新分布后對頂煤形成的載荷；另一部分是垂直應(yīng)力重新分布后形成確兩側(cè)應(yīng)力集中區(qū)，由于煤體泊松比明顯大于巖石而發(fā)生側(cè)向變形，形成附加水平載荷作用在頂煤上。頂煤在水平載荷作用下發(fā)生剪切擴(kuò)容，從而出現(xiàn)松動，松動后的頂煤傳遞水平載荷的能力大幅度降低。水平載荷向上部轉(zhuǎn)移，形成新的剪切破壞區(qū)。（2）后期階段。經(jīng)過前期階段的變形破壞，已發(fā)生松動的頂煤由于強(qiáng)度低，出現(xiàn)松動后各塊體間很難象巖層即樣形成穩(wěn)定的嵌合關(guān)系來維持自穩(wěn)，在自重和上部煤體剪切擴(kuò)容產(chǎn)生的膨脹壓力作用下發(fā)生松塌性垮落。對于整體性很差的煤層（如斷層帶附近）、頂煤在受水平載荷作用之前就已經(jīng)發(fā)生松動，此時便不經(jīng)

6、前期階段而由自重直接導(dǎo)致垮落。2、兩幫的變形失穩(wěn)兩幫在應(yīng)力重新分布后的垂直應(yīng)力作用下將出現(xiàn)塑性區(qū)，塑性區(qū)靠近巷道邊緣附近還會出現(xiàn)松動區(qū)。根據(jù)塑性理論，兩幫煤體塑性區(qū)的出現(xiàn)是兩種類型的剪切滑移面形成與發(fā)展的結(jié)果。第一種是在煤體內(nèi)部出現(xiàn)的兩組共軛剪切滑移面，這種剪切滑移面的成因是頂板載荷對煤體的壓剪作用，其滑移條件符合摩爾一庫侖準(zhǔn)則。這種滑移面形成之后，隨著沿滑移面剪切錯動的增大，煤體對頂板的支護(hù)作用逐漸降低。同時，由于剪切擴(kuò)容效應(yīng)，煤體會發(fā)生側(cè)向膨脹而出現(xiàn)松動，當(dāng)松動發(fā)展到一定程度時，由滑移面與煤壁臨空面所分割出的煤體便會發(fā)生松塌，形成片幫。第二種剪切滑移面出現(xiàn)在煤層與底板之間的層面上，其滑移面

7、的成因是：由于煤體的泊松比大于底板巖石，因而具有從頂?shù)装逯g向巷道中擠出的趨勢，這種趨勢使煤體內(nèi)以及煤層與底板之間的層面上產(chǎn)生剪應(yīng)力，但由于層面的抗剪能力低，所以煤層上下層面處總是先于煤體本身達(dá)到臨界滑移狀態(tài)。這類滑移面形成與發(fā)展的結(jié)果是造成煤體從頂、底板之間向外擠出。顯然，擠出主要發(fā)生在煤體較松軟而垂直應(yīng)力相對比較高的情況下，如回采動壓影響階段，兩幫擠出十分明顯，表現(xiàn)了回采巷道圍巖層狀特性與回采動壓影響綜合反映。這與進(jìn)一步牽動了頂板的穩(wěn)定性。因此，兩幫支護(hù)狀況對頂煤穩(wěn)定與否的影響更為直接、更為顯著。三、厚煤層巷道錨桿支護(hù)機(jī)理錨桿的支護(hù)作用在于：在圍巖變形的早期階段，在應(yīng)力可能超過巖（煤）石強(qiáng)

8、度的區(qū)域?qū)r層進(jìn)行加固，盡可能提高其自承能力或承載能力；在圍巖變形的中期階段對已出現(xiàn)破壞的巖（煤）體進(jìn)行加固可顯著地提高圍巖的殘余強(qiáng)度，從而使其繼續(xù)保持較高的傳遞應(yīng)力的能力，避免應(yīng)力向深部巖體轉(zhuǎn)移，形成新的更大的破壞區(qū)；在圍巖變形的后期階段平衡由破裂面或破壞區(qū)邊界所分割出的已過分松動或與母巖脫離而不能有效傳遞應(yīng)力的巖（煤）體所承受的載荷（自重+深部巖體的膨脹壓力），阻止其發(fā)生垮落或松塌。四、厚煤層巷道錨桿支護(hù)設(shè)計1、結(jié)構(gòu)合理厚煤層巷道頂部錨桿類型的選擇應(yīng)從以下幾個方面考慮：（1）支護(hù)體系的強(qiáng)度。反映了錨桿約束效應(yīng)所能達(dá)到的最大程度，取決于錨桿構(gòu)件本身的強(qiáng)度及其錨固特性（包括錨固力的大小、錨固力

9、的傳遞效果）。設(shè)計時以二者較小值為基礎(chǔ)，為保證支護(hù)體系的強(qiáng)度可適當(dāng)減小錨桿間排距。（2）支護(hù)體系的剛度。反映了圍巖變形早期階段錨桿約束效應(yīng)隨圍變形的增長幅度，進(jìn)而反映了錨桿約束效應(yīng)對圍巖變形的響應(yīng)特性，取決于錨固強(qiáng)度（單位長度所能產(chǎn)生的最大錨固力）和參與變形的桿體長度范圍。（3）支護(hù)體系的讓壓性。反映了錨桿支護(hù)體系對圍巖大變形的適應(yīng)能力。取決于桿體的可延伸性。從支護(hù)的角度，希望錨桿在圍巖變形較小時有較高的剛度。而在圍巖變形較大時，又有較好的讓壓性。（4）抗剪阻力。反映了錨桿橫向約束效應(yīng)的程度。即錨桿桿體對圍巖剪切錯動的控制效果，取決于桿體的抗剪強(qiáng)度及桿體與孔壁之間的結(jié)合情況，充填情況及充填體（

10、即固化后的錨固劑）的強(qiáng)度。（5）早期承載特性。反映了錨桿約束效應(yīng)相對于圍巖變形的及時性、主動性，取決于早期錨固力的大小，特別是錨桿安裝時的預(yù)緊強(qiáng)度。根據(jù)上述設(shè)計原則，考慮支護(hù)體系剛度、抗剪、早期承載特性和錨固可靠程度，樹脂全長錨固錨桿是最適合于全煤體中的作用角比較小，為了達(dá)到使頂煤保持類似整體結(jié)構(gòu)的目的對頂煤均需考慮鋪網(wǎng)并且用鋼帶把同排中的錨桿聯(lián)結(jié)起來，形成“錨帶網(wǎng)”組合錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)。其中，鋼帶應(yīng)首選專門軋制的w型鋼帶，其護(hù)頂效果優(yōu)于用鋼筋焊制的梯子形鋼帶。試驗條件下的全煤巷道兩幫變形量預(yù)計較大，幫錨桿支護(hù)應(yīng)充分考慮支護(hù)體系的強(qiáng)度、剛度、對殘余強(qiáng)度的影響，讓壓性能的平衡，尤以讓壓性能最為重要。因此采用端錨是適宜的錨固方式。2、厚煤層巷道補(bǔ)強(qiáng)加固措施厚煤層巷道錨桿支護(hù)可供考慮的補(bǔ)強(qiáng)加固措施有打點柱、架棚