松軟破碎頂板煤巷支護技術研究

【摘要】針對松軟破碎頂板煤巷開挖后，由于頂板巖體不連
續導致錨桿與錨索的預應力場作用范圍減小，錨桿支護對頂板位
移的控制作用大大降低，因其頂板下沉量大，大面積冒頂易于發
生等問題。本論文通過現場地應力測試，分析巷道布置與地應力
場的關系，并通過研究錨桿支護理論，弄清錨桿、錨索與圍巖之
間的相互作用關系。全長預應力錨固錨桿的載荷傳遞各方面因素
的影響。確保一次支護效果，降低或杜絕二次修巷費用。最終通
過現場礦壓監測證明該支護方案的可行性。
【關鍵詞】錨桿支護；地質力學測試；礦壓監測；現場應用

1 研究背景
產能過剩、環境污染等等不利因素導致煤炭需求疲軟，煤炭
企業利潤大幅下滑，甚至很多企業出現虧損的局面。面對此困境，
尋找在安全生產的前提下革新技術節約成本對煤炭企業來說顯得
尤為重要。巷道圍巖管理是煤礦永遠面臨的問題；現階段，地質
條件的復雜性、生產規模的擴大化、開采水平深度化等等是導致
巷道圍巖支護困難的主要因素，無時不刻影響著煤礦的安全管理
與高效產出。
巷道圍巖支護是井工開采技術的關鍵。具體的巷道支護與
圍巖控制技術是依據具體的巷道工程地質條件，采用科學合理
的設計方法，以及不斷的工程實踐而建立起來的。關系到具體
的支護技術的最核心的因素是工程地質條件。各類地質構造如
褶曲、斷層等，以及埋深、巖層力學性質與地下水大大削弱了
巷道支護穩定性。以松軟破碎巖層為頂板的巷道控制依然是現
階段難點之一。
上孔煤業有限公司位于陽城縣城東部約5km 處，八甲口至潤
城一帶，行政隸屬陽城縣八甲口鎮及潤城鎮管轄，井田東西寬
5.5km，南北長3.5km，面積為11.6417km2。Ⅸ一盤區軌道上山是
第一條掘進上山實體煤巷巷道，掘進過后受各方面因素影響巷道
內多處出現了片幫離層現象，多處最大變形量在500mm 及以上，
巷道底臌量更是超過了400mm，嚴重的影響了上孔煤業掘進施工。
為了有效上山群巷道圍巖控制難題，對Ⅸ一盤區上山群的支護技
術進行研究，開發出適合的支護方式及支護方案。在對松軟破碎
頂板煤巷進行支護時，需要考慮以下重要因素：
1、構造應力較大。巷道周圍斷層發育，構造復雜多變，構造
應力較大，主應力方向發生改變。
2、頂板破碎。頂板為遇水易崩解，強度低，節理裂隙發育的
泥巖頂板。
3、圍巖應力不對稱。巷道頂板變形破壞不對稱表明巷道圍巖
應力具有不均勻性，所以表現出了巷道出現不對稱變形，給巷道
正常維護帶來了巨大困難。
2 巷道圍巖地質力學測試
在上孔煤業Ⅸ一盤區設置測點，分別進行巷道地應力測試、
圍巖強度測試及圍巖結構觀測，通過測試結果并結合上孔煤業Ⅸ
一盤區9#煤層底板等高線圖分析得出Ⅸ一盤區上山群正處于軸線
方向為NE—SW 方向的向斜及軸線方向為NE—SW 方向的背斜交匯
形成的倒轉褶曲中。造成Ⅸ一盤區上山群地應力異常，地應力大
小及方向變化比較大，巖性同樣也變化比較大。上孔煤業Ⅸ一盤
區9#煤直接頂板以泥質砂巖和砂質泥巖為主，老頂為致密堅硬的
砂巖；砂巖平均強度為123.42MPa，泥質砂巖平均強度41～81MPa
之間。但9#煤體整體完整性較差。
3 全長預應力錨固強力錨桿支護機理研究
錨桿支護機理分析
在施加較高預應力的時候，實施全長錨固，有利于提高錨桿
支護系統的強度，其要點如下：
對于全長預應力錨固錨桿，能夠及時抑制圍巖離層，同時又
提高了支護系統的強度和剛度，可發揮主動支護作用；在錨固范
圍內形成次生承載結構，改善圍巖深部的應力分布狀態，另外，
確定錨桿預應力是關鍵，還要盡量避免二次支護和巷道維修。
4 全長預應力錨固
（1）全長預應力錨固錨桿軸向載荷作用下載荷分布
全長預應力錨固施加預緊扭矩階段，錨桿軸向受力基本與端
部錨固相同；工作階段，當預緊力能夠阻止巷道圍巖離層變形時，
錨桿軸向受力仍基本與端部錨固相同；當預緊力不能夠阻止巷道
圍巖離層變形時，巖層發生離層錯動的影響，錨桿軸向受力基本
與傳統全長錨固相同，錨桿的軸向拉伸載荷在離層的位置處于最
大值，并隨著距離的增加而減少，這種載荷通過錨固劑與圍巖傳
遞，由于這種載荷傳遞在錨固劑中產生剪應力，并沿錨桿的全長
發生變化。
當錨桿的軸向載荷超過錨桿的最大強度或錨固劑中的剪應力
超過了圍巖接觸面的強度都會導致錨桿的失效，在大多數情況下，
正確安裝的全長錨固錨桿在較堅硬巖層條件下通常是在第一種狀
態下失效，在軟弱的巖層條件下則表現為第二種破壞形式。
（2）全長預應力錨固錨桿在剪切作用下的載荷分布
全長預應力錨固錨桿由于其對圍巖變形的敏感性，一方面能
夠有效的控制節理裂隙的滑動，增強節理的剪切剛度，另一方面
在圍巖發生離層錯動的情況下，錨桿可以抵抗小范圍圍巖離層錯
動，從而保持圍巖的完整性，充分發揮圍巖的天然承載能力。然
而圍巖離層錯動的情況下會對錨桿產生較大的剪切載荷，部分錨
桿會發生剪切大變形，也容易使桿體部分發生屈服破壞，從而導
致整個桿體的失效。
（3）全長預應力錨固錨桿載荷傳遞影響因素
全長預應力錨固錨桿通過錨固劑、托板等構件與圍巖發生載
荷傳遞，錨桿的載荷傳遞主要受到桿體形狀、錨固劑的力學性質、
錨固劑攪拌時間、錨固劑錨固環厚度、鉆孔粗糙度、圍巖強度、
圍巖結構面以及托板等構件影響。
5 現場試驗及結論
通過鉆孔窺視圖得出：Ⅸ一盤區軌道上山頂板巖性變化較大，
構造復雜，多處大的離層，錨桿支護范圍內的巖石變形沒有得到
有效控制影響頂板的整體性和強度。根據此情況，確定巷道采用
頂板預應力全長錨固強力錨桿錨索組合支護系統和36U 型三心拱
棚聯合支護方式：（1）頂板支護：錨桿排距900mm，間距900mm，
頂每排布置6 根錨桿、錨索長度6300mm，每兩排錨桿打設2 根錨
索，錨索排距為1800mm；上幫支護：每排5 根錨桿，錨桿排距900mm，
間距900mm。每幫每兩排錨桿打設5 根錨索，采用五花布置，下部
錨索距離底板垂直距離780mm 布置，間距1800mm，排距900mm；
下幫支護：錨桿排距900mm，每排每幫4 根錨桿，間距900mm。錨
索形長度4300mm，每幫每兩排錨桿打設3 根錨索，采用三花布置，
下部錨索距離底板垂直距離780mm 布置，間距1800mm，排距900mm。
現場礦壓監測得出：巷道兩幫移近量最大為80mm 和90mm，頂
板最大下沉量為31mm 和20mm。巷道掘進至40m 左右位置后，巷道
變形趨于穩定，總體來說，軌道上山表面位移量很小。礦壓監測
結果表明支護方案成功。
6 結論
論文針對上孔煤業9#煤層進行了地應力實驗，對錨桿、托板、
錨固劑、鋼帶及金屬網等錨桿配件的作用進行了分析，井下巷道
采用全長預應力錨固強力錨桿支護技術支護后，經研究得到了以
下結論：
（1）Ⅸ一盤區上山群巖性變化比較大，地應力異常，地應力
大小及方向變化比較大，巷道支護比較困難。
（2）上孔煤業Ⅸ一盤區9#煤直接頂板以泥巖為主，老頂砂巖
平均強度為123.42Mpa，9#煤體整體完整性較差。
（3）針對松軟破碎圍巖巷道，提出強力一次支護理論，有效
減少了巷道維修工程量。
（4）全長預應力錨固強力錨桿錨索組合支護系統有效的減小
了巷道變形。通過現場試驗，驗證了它的科學性、合理性。并且
礦壓監測結果也表明試驗成功。