松软破碎顶板煤巷支护技术研究

【摘要】针对松软破碎顶板煤巷开挖后，由于顶板岩体不连
续导致锚杆与锚索的预应力场作用范围减小，锚杆支护对顶板位
移的控制作用大大降低，因其顶板下沉量大，大面积冒顶易于发
生等问题。本论文通过现场地应力测试，分析巷道布置与地应力
场的关系，并通过研究锚杆支护理论，弄清锚杆、锚索与围岩之
间的相互作用关系。全长预应力锚固锚杆的载荷传递各方面因素
的影响。确保一次支护效果，降低或杜绝二次修巷费用。最终通
过现场矿压监测证明该支护方案的可行性。
【关键词】锚杆支护；地质力学测试；矿压监测；现场应用

1 研究背景
产能过剩、环境污染等等不利因素导致煤炭需求疲软，煤炭
企业利润大幅下滑，甚至很多企业出现亏损的局面。面对此困境，
寻找在安全生产的前提下革新技术节约成本对煤炭企业来说显得
尤为重要。巷道围岩管理是煤矿永远面临的问题；现阶段，地质
条件的复杂性、生产规模的扩大化、开采水平深度化等等是导致
巷道围岩支护困难的主要因素，无时不刻影响着煤矿的安全管理
与高效产出。
巷道围岩支护是井工开采技术的关键。具体的巷道支护与
围岩控制技术是依据具体的巷道工程地质条件，采用科学合理
的设计方法，以及不断的工程实践而建立起来的。关系到具体
的支护技术的最核心的因素是工程地质条件。各类地质构造如
褶曲、断层等，以及埋深、岩层力学性质与地下水大大削弱了
巷道支护稳定性。以松软破碎岩层为顶板的巷道控制依然是现
阶段难点之一。
上孔煤业有限公司位于阳城县城东部约5km 处，八甲口至润
城一带，行政隶属阳城县八甲口镇及润城镇管辖，井田东西宽
5.5km，南北长3.5km，面积为11.6417km2。Ⅸ一盘区轨道上山是
第一条掘进上山实体煤巷巷道，掘进过后受各方面因素影响巷道
内多处出现了片帮离层现象，多处最大变形量在500mm 及以上，
巷道底臌量更是超过了400mm，严重的影响了上孔煤业掘进施工。
为了有效上山群巷道围岩控制难题，对Ⅸ一盘区上山群的支护技
术进行研究，开发出适合的支护方式及支护方案。在对松软破碎
顶板煤巷进行支护时，需要考虑以下重要因素：
1、构造应力较大。巷道周围断层发育，构造复杂多变，构造
应力较大，主应力方向发生改变。
2、顶板破碎。顶板为遇水易崩解，强度低，节理裂隙发育的
泥岩顶板。
3、围岩应力不对称。巷道顶板变形破坏不对称表明巷道围岩
应力具有不均匀性，所以表现出了巷道出现不对称变形，给巷道
正常维护带来了巨大困难。
2 巷道围岩地质力学测试
在上孔煤业Ⅸ一盘区设置测点，分别进行巷道地应力测试、
围岩强度测试及围岩结构观测，通过测试结果并结合上孔煤业Ⅸ
一盘区9#煤层底板等高线图分析得出Ⅸ一盘区上山群正处于轴线
方向为NE—SW 方向的向斜及轴线方向为NE—SW 方向的背斜交汇
形成的倒转褶曲中。造成Ⅸ一盘区上山群地应力异常，地应力大
小及方向变化比较大，岩性同样也变化比较大。上孔煤业Ⅸ一盘
区9#煤直接顶板以泥质砂岩和砂质泥岩为主，老顶为致密坚硬的
砂岩；砂岩平均强度为123.42MPa，泥质砂岩平均强度41～81MPa
之间。但9#煤体整体完整性较差。
3 全长预应力锚固强力锚杆支护机理研究
锚杆支护机理分析
在施加较高预应力的时候，实施全长锚固，有利于提高锚杆
支护系统的强度，其要点如下：
对于全长预应力锚固锚杆，能够及时抑制围岩离层，同时又
提高了支护系统的强度和刚度，可发挥主动支护作用；在锚固范
围内形成次生承载结构，改善围岩深部的应力分布状态，另外，
确定锚杆预应力是关键，还要尽量避免二次支护和巷道维修。
4 全长预应力锚固
（1）全长预应力锚固锚杆轴向载荷作用下载荷分布
全长预应力锚固施加预紧扭矩阶段，锚杆轴向受力基本与端
部锚固相同；工作阶段，当预紧力能够阻止巷道围岩离层变形时，
锚杆轴向受力仍基本与端部锚固相同；当预紧力不能够阻止巷道
围岩离层变形时，岩层发生离层错动的影响，锚杆轴向受力基本
与传统全长锚固相同，锚杆的轴向拉伸载荷在离层的位置处于最
大值，并随着距离的增加而减少，这种载荷通过锚固剂与围岩传
递，由于这种载荷传递在锚固剂中产生剪应力，并沿锚杆的全长
发生变化。
当锚杆的轴向载荷超过锚杆的最大强度或锚固剂中的剪应力
超过了围岩接触面的强度都会导致锚杆的失效，在大多数情况下，
正确安装的全长锚固锚杆在较坚硬岩层条件下通常是在第一种状
态下失效，在软弱的岩层条件下则表现为第二种破坏形式。
（2）全长预应力锚固锚杆在剪切作用下的载荷分布
全长预应力锚固锚杆由于其对围岩变形的敏感性，一方面能
够有效的控制节理裂隙的滑动，增强节理的剪切刚度，另一方面
在围岩发生离层错动的情况下，锚杆可以抵抗小范围围岩离层错
动，从而保持围岩的完整性，充分发挥围岩的天然承载能力。然
而围岩离层错动的情况下会对锚杆产生较大的剪切载荷，部分锚
杆会发生剪切大变形，也容易使杆体部分发生屈服破坏，从而导
致整个杆体的失效。
（3）全长预应力锚固锚杆载荷传递影响因素
全长预应力锚固锚杆通过锚固剂、托板等构件与围岩发生载
荷传递，锚杆的载荷传递主要受到杆体形状、锚固剂的力学性质、
锚固剂搅拌时间、锚固剂锚固环厚度、钻孔粗糙度、围岩强度、
围岩结构面以及托板等构件影响。
5 现场试验及结论
通过钻孔窥视图得出：Ⅸ一盘区轨道上山顶板岩性变化较大，
构造复杂，多处大的离层，锚杆支护范围内的岩石变形没有得到
有效控制影响顶板的整体性和强度。根据此情况，确定巷道采用
顶板预应力全长锚固强力锚杆锚索组合支护系统和36U 型三心拱
棚联合支护方式：（1）顶板支护：锚杆排距900mm，间距900mm，
顶每排布置6 根锚杆、锚索长度6300mm，每两排锚杆打设2 根锚
索，锚索排距为1800mm；上帮支护：每排5 根锚杆，锚杆排距900mm，
间距900mm。每帮每两排锚杆打设5 根锚索，采用五花布置，下部
锚索距离底板垂直距离780mm 布置，间距1800mm，排距900mm；
下帮支护：锚杆排距900mm，每排每帮4 根锚杆，间距900mm。锚
索形长度4300mm，每帮每两排锚杆打设3 根锚索，采用三花布置，
下部锚索距离底板垂直距离780mm 布置，间距1800mm，排距900mm。
现场矿压监测得出：巷道两帮移近量最大为80mm 和90mm，顶
板最大下沉量为31mm 和20mm。巷道掘进至40m 左右位置后，巷道
变形趋于稳定，总体来说，轨道上山表面位移量很小。矿压监测
结果表明支护方案成功。
6 结论
论文针对上孔煤业9#煤层进行了地应力实验，对锚杆、托板、
锚固剂、钢带及金属网等锚杆配件的作用进行了分析，井下巷道
采用全长预应力锚固强力锚杆支护技术支护后，经研究得到了以
下结论：
（1）Ⅸ一盘区上山群岩性变化比较大，地应力异常，地应力
大小及方向变化比较大，巷道支护比较困难。
（2）上孔煤业Ⅸ一盘区9#煤直接顶板以泥岩为主，老顶砂岩
平均强度为123.42Mpa，9#煤体整体完整性较差。
（3）针对松软破碎围岩巷道，提出强力一次支护理论，有效
减少了巷道维修工程量。
（4）全长预应力锚固强力锚杆锚索组合支护系统有效的减小
了巷道变形。通过现场试验，验证了它的科学性、合理性。并且
矿压监测结果也表明试验成功。