沿空留巷技术应用研究_沿空留巷
时间：2019-01-23 03:27:16 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：结合某煤矿12209瓦斯尾巷的地质特征和围岩特性，基于沿空巷道受力特征、变形机理、影响因素分析和研究，认为沿空巷道受采动影响后，复合层状顶板较破碎，易产生离层、回转、滑落和失稳破坏。现场试验了锚网索注支护技术，试验结果表明，采用锚注支护技术的效果较理想，经济效益好。
关键词：沿空留巷；尾巷；锚注支护；破碎顶板
中图分类号：TD26 文献标识码：B文章编号：1009-916（2011）014（C）-0221-02
引言：某矿为新建的现代化矿井，设计生产原煤300万t/a，井田内地质条件复杂，给采掘带来了极大的影响。工作面12209尾巷约为2000m，主要岩层为灰黑色泥岩、灰白色细砂岩及砂岩泥岩，煤岩层整体呈单斜构造，倾向南东，平均倾角1―10°。顶板压力较大，顶板破碎，滚帮现象较严重，给支护带来一定的困难。瓦斯尾巷属于沿空留巷，沿空巷道围岩处于非对称应力状态，易使层状顶板产生横向错动变形。经调查、分析表明，沿空巷道顶板的变形主要是由于非对称的水平应力和老顶回转产生的剪切力引起的，破坏主要是扭曲变形和顶角压应力集中引起的。本文采用有利于形成刚性顶板或形成承压拱高强度锚杆支护[1]，结合能有效降低顶角和底角应力集中的预应力锚索，以及提高破碎围岩整体承载能力的注浆联合支护方式，以修复困难条件下的瓦斯尾巷，保证该矿生产正常接续。
一、沿空巷道变形特征
（一）沿空巷道层状顶板的变形分析
1、老顶岩块的回转导致岩层沿层理发生横向错动，同时造成沿空侧煤壁的压缩。
2、由于老顶岩块回转对沿空煤壁的压缩作用，巷道顶板下沉量沿顶板径向逐渐增大，在沿空煤壁侧达到最大值。
3、巷道直接顶岩层错动是由老顶回转引起的，因此岩层错动首先是从顶板内部开始的，错动位移随岩层与顶板表面的距离的增加而增大[2]。但是由于老顶回转对直接顶的影响较为复杂，造成直接顶各岩层间的相对错动变形变化较大，与顶板表面距离无明显的变化关系。
（二）沿空巷道变形特征及影响因素
通过诸多沿空巷道的现场观测发现，主要有以下变形和破坏特征：顶板下沉，离层现象严重；底角和顶角出现明显内挤收敛；底板出现明显底鼓；部分锚杆托盘受力过大，被拉转反向；经常听到顶板有沉闷的岩层断裂声。
老顶及直接顶岩层的破断位置、煤柱尺寸、煤柱力学性质等对顶板的错动变形及下沉量均有影响，参数的确定应根据巷道围岩的力学性质、几何特性、开采厚度、层理面的力学性质、破断岩块长度以及采空区充填状况等因素，同时要考虑巷道围岩变形的非对称特征。
当岩层较坚硬且层间错动力较强，层间错动时锚杆被剪断。此时锚杆失去效应，锚固结构完全失效，巷道顶板的整体性完全破坏，锚固体由原来的组合梁变为叠合梁，顶板岩层的抗拉、抗弯能力大幅度减小。围岩极不稳定，容易造成顶板事故。出现破坏失稳现象的主要原因是：对巷道应力估计不足，支护参数选择不合理；部分支护构件选择不合理；没有加强对关键部位的支护和对底鼓的控制。
二、支护对策设计
12209尾巷属于层状复合破碎顶板，受到采动影响后，具有冒落、错动、失稳危险，对于这种顶板很有必要采用锚网索注联合支护[3]，并加强控制底鼓。所以，本巷道采用高强锚杆+中空注浆锚杆+锚索+注浆材料+金属网的支护方式。
煤层和软岩采动巷道的可锚性差是造成锚杆锚固力低和失效的重要原因。利用锚杆兼做注浆管，实现“锚注一体化”是解决这一难题的一条新的途径。对于节理裂隙发育的煤层和岩体，注浆可改变围岩的松散结构，提高粘结力和内摩擦角，为锚杆提供可靠的着力基础，使锚杆对松碎围岩的锚固作用得以发挥。因此，采取锚杆与注浆结合的方法，可以提高锚固效果。
（一）支护参数
1、高强锚杆：顶板Φ=20mm，L=2400mm；两帮Φ=20mm，L=2000mm；树脂药卷（K2335）长度L=350mm；两帮锚固力大于80kN，顶板锚固力不低于100kN；间距为800mm；锚杆托盘尺寸150mm×150mm，厚度不小于10mm。
2、中空注浆锚杆：规格WT25，外径25mm，抗拔力>15MPa，螺纹方向左旋，齿高115mm，螺距1217mm，长度215mm。
3、金属网：采用Ф6mm钢筋焊接，规格为1500mm×800mm，网孔50mm×50mm，压茬100mm。
4、锚索：Φ=15mm，L=6000mm，锚固力不低于150kN。
12209尾巷支护断面见图1。
图112209尾巷支护断面图
（二）注浆材料
注浆材料种类很多，有水泥浆材、超细水泥浆、硅酸盐浆材、高水材料、改性环氧树脂浆材、学浆材、水泥水玻璃浆材等。水泥水玻璃浆材具取材广、价格低廉、可单双液注浆和凝结时间可性强等优点，能适应巷道围岩浅部注浆和深部注的要求。在该注浆材料中，以水泥为注浆主料，玻璃作为速凝剂，调节浆液凝结时间。为掌握浆凝结时间及凝结后的强度，采用普通425号水泥模数3•2、浓度38Bé的水玻璃，进行了凝结时及强度实验。
（三）施工方法和施工工艺
在施工方法、施工工艺和巷道自身的加固支护上，不仅要需材料优质，更重要的是施工方法上的独到，总之要形成一个完整的支护抗力拱，有效地释放煤帮压力，保持巷道相对平稳。
1、施工方法
（1）采用中空注浆锚杆，浆液承压后从管顶端扩散充填，起到加固破碎围岩和悬吊作用。（2）根据岩石的裂隙发育，要求固顶的厚度及浆液能相互联结，形成整体，固顶的厚度确定为115m。（3）固顶采用单泵双液注浆，在规定压力下，充填裂隙、岩缝后快速凝结硬化。（4）为了有效地发挥锚杆支护的作用，提高对顶板的支护强度，隔排布置注浆锚杆和高强螺纹钢锚杆（四根锚索不变），即布置一排注浆锚杆，再布置一排高强螺纹钢锚杆，这样既可以利用注浆锚杆对破碎围岩进行锚固，又可以利用高强螺纹钢锚杆提高对顶板的支护。
2、施工工艺
（1）浆液配合比
根据试验的参数，定巷道围岩注浆材料的质量配比为1.1：1：0.25（水：水泥：水玻璃）。
（2）注浆顺序：采用间隔跳跃法，先注墙两侧孔，再注线路中线孔，以提高孔隙充填率。
（3）注浆压力：单孔注浆采用孔重力式注浆，总进量为60L/min，加压力至2―3MPa，并保持100min以上。
三、实测与分析
选定一段200m长的12209尾巷进行现场试验和观测，由于尾巷已经历了较充分变形和采动影响，围岩松动圈已形成，深表比衰减十分缓慢，其变形和表面基本同步[4]。所以，主要开展表面位移和高强锚杆轴向荷载观测，实测结果如图2、图3。
图212209尾巷表面位移曲线
图312209尾巷高强锚杆拔拉测试曲线
实测分析：
（一）由图2可以看出，修复扰动引起的巷道变形较小，顶底板最大移近量为182mm，两帮最大移近量为134mm，20d之后巷道变形趋于平稳。
（二）从图3可得，在轴向变形＜210mm时，支护阻力完全能够达到设计要求，与围岩的移近量对比发现锚杆处于有效工作状态。
（三）高强锚杆的锚固力能达到118kN左右，表明高强锚杆能够将破碎的岩块挤压咬合，对深部岩体起到加固作用，抑制围岩流变。
（四）中空锚杆结合注浆可以加固围岩，提高其自撑能力，使岩层形成较牢固的承载体，有效地控制围岩的强烈变形。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 四、结论
（1）在沿空巷道中使用高强锚杆能够形成有效的支护体系，阻止巷道顶板的横向错动变形，增强巷道的稳定性。
（2）注浆材料具有强度高、渗透性强的特点，对破碎围岩的加固效果较好，能够充分调动围岩的自承能力，与高强锚杆配合间隔使用，可以实现变形、结构、刚度、强度四者的耦合效果。
（3）较其它化学材料注浆成本低，修复巷道费用节省300―400元/m，而其它化学材料在修复费用基础上还需增加200元/m。
作者单位：淮南矿业（集团）有限责任公司谢一矿望峰岗井
参考文献：
[1]徐东强,钱鸣高.不同地应力条件下锚杆支护机制数值模拟分析[J].中国矿业,2001,10(4):35―37.
[2]林崇德.层状岩石顶板破坏机理数值模拟过程分析[J].岩石力学与工程学报,1999,18(4):392―396.
[3]张农.软岩巷道滞后注浆围岩控制研究[D].徐州:中国矿业大学,1999.
[4]陆士良,付国彬.采动巷道岩体变形与锚杆锚固力变化规律[J],中国矿业大学学报,1999,28(3):201―203.
引言：某矿为新建的现代化矿井，设计生产原煤300万t/a，井田内地质条件复杂，给采掘带来了极大的影响。工作面12209尾巷约为2000m，主要岩层为灰黑色泥岩、灰白色细砂岩及砂岩泥岩，煤岩层整体呈单斜构造，倾向南东，平均倾角1―10°。顶板压力较大，顶板破碎，滚帮现象较严重，给支护带来一定的困难。瓦斯尾巷属于沿空留巷，沿空巷道围岩处于非对称应力状态，易使层状顶板产生横向错动变形。经调查、分析表明，沿空巷道顶板的变形主要是由于非对称的水平应力和老顶回转产生的剪切力引起的，破坏主要是扭曲变形和顶角压应力集中引起的。本文采用有利于形成刚性顶板或形成承压拱高强度锚杆支护[1]，结合能有效降低顶角和底角应力集中的预应力锚索，以及提高破碎围岩整体承载能力的注浆联合支护方式，以修复困难条件下的瓦斯尾巷，保证该矿生产正常接续。
一、沿空巷道变形特征
（一）沿空巷道层状顶板的变形分析
1、老顶岩块的回转导致岩层沿层理发生横向错动，同时造成沿空侧煤壁的压缩。
2、由于老顶岩块回转对沿空煤壁的压缩作用，巷道顶板下沉量沿顶板径向逐渐增大，在沿空煤壁侧达到最大值。
3、巷道直接顶岩层错动是由老顶回转引起的，因此岩层错动首先是从顶板内部开始的，错动位移随岩层与顶板表面的距离的增加而增大[2]。但是由于老顶回转对直接顶的影响较为复杂，造成直接顶各岩层间的相对错动变形变化较大，与顶板表面距离无明显的变化关系。
（二）沿空巷道变形特征及影响因素
通过诸多沿空巷道的现场观测发现，主要有以下变形和破坏特征：顶板下沉，离层现象严重；底角和顶角出现明显内挤收敛；底板出现明显底鼓；部分锚杆托盘受力过大，被拉转反向；经常听到顶板有沉闷的岩层断裂声。
老顶及直接顶岩层的破断位置、煤柱尺寸、煤柱力学性质等对顶板的错动变形及下沉量均有影响，参数的确定应根据巷道围岩的力学性质、几何特性、开采厚度、层理面的力学性质、破断岩块长度以及采空区充填状况等因素，同时要考虑巷道围岩变形的非对称特征。
当岩层较坚硬且层间错动力较强，层间错动时锚杆被剪断。此时锚杆失去效应，锚固结构完全失效，巷道顶板的整体性完全破坏，锚固体由原来的组合梁变为叠合梁，顶板岩层的抗拉、抗弯能力大幅度减小。围岩极不稳定，容易造成顶板事故。出现破坏失稳现象的主要原因是：对巷道应力估计不足，支护参数选择不合理；部分支护构件选择不合理；没有加强对关键部位的支护和对底鼓的控制。
二、支护对策设计
12209尾巷属于层状复合破碎顶板，受到采动影响后，具有冒落、错动、失稳危险，对于这种顶板很有必要采用锚网索注联合支护[3]，并加强控制底鼓。所以，本巷道采用高强锚杆+中空注浆锚杆+锚索+注浆材料+金属网的支护方式。
煤层和软岩采动巷道的可锚性差是造成锚杆锚固力低和失效的重要原因。利用锚杆兼做注浆管，实现“锚注一体化”是解决这一难题的一条新的途径。对于节理裂隙发育的煤层和岩体，注浆可改变围岩的松散结构，提高粘结力和内摩擦角，为锚杆提供可靠的着力基础，使锚杆对松碎围岩的锚固作用得以发挥。因此，采取锚杆与注浆结合的方法，可以提高锚固效果。
（一）支护参数
1、高强锚杆：顶板Φ=20mm，L=2400mm；两帮Φ=20mm，L=2000mm；树脂药卷（K2335）长度L=350mm；两帮锚固力大于80kN，顶板锚固力不低于100kN；间距为800mm；锚杆托盘尺寸150mm×150mm，厚度不小于10mm。
2、中空注浆锚杆：规格WT25，外径25mm，抗拔力>15MPa，螺纹方向左旋，齿高115mm，螺距1217mm，长度215mm。
3、金属网：采用Ф6mm钢筋焊接，规格为1500mm×800mm，网孔50mm×50mm，压茬100mm。
4、锚索：Φ=15mm，L=6000mm，锚固力不低于150kN。
12209尾巷支护断面见图1。
图112209尾巷支护断面图
（二）注浆材料
注浆材料种类很多，有水泥浆材、超细水泥浆、硅酸盐浆材、高水材料、改性环氧树脂浆材、学浆材、水泥水玻璃浆材等。水泥水玻璃浆材具取材广、价格低廉、可单双液注浆和凝结时间可性强等优点，能适应巷道围岩浅部注浆和深部注的要求。在该注浆材料中，以水泥为注浆主料，玻璃作为速凝剂，调节浆液凝结时间。为掌握浆凝结时间及凝结后的强度，采用普通425号水泥模数3•2、浓度38Bé的水玻璃，进行了凝结时及强度实验。
（三）施工方法和施工工艺
在施工方法、施工工艺和巷道自身的加固支护上，不仅要需材料优质，更重要的是施工方法上的独到，总之要形成一个完整的支护抗力拱，有效地释放煤帮压力，保持巷道相对平稳。
1、施工方法
（1）采用中空注浆锚杆，浆液承压后从管顶端扩散充填，起到加固破碎围岩和悬吊作用。（2）根据岩石的裂隙发育，要求固顶的厚度及浆液能相互联结，形成整体，固顶的厚度确定为115m。（3）固顶采用单泵双液注浆，在规定压力下，充填裂隙、岩缝后快速凝结硬化。（4）为了有效地发挥锚杆支护的作用，提高对顶板的支护强度，隔排布置注浆锚杆和高强螺纹钢锚杆（四根锚索不变），即布置一排注浆锚杆，再布置一排高强螺纹钢锚杆，这样既可以利用注浆锚杆对破碎围岩进行锚固，又可以利用高强螺纹钢锚杆提高对顶板的支护。
2、施工工艺
（1）浆液配合比
根据试验的参数，定巷道围岩注浆材料的质量配比为1.1：1：0.25（水：水泥：水玻璃）。
（2）注浆顺序：采用间隔跳跃法，先注墙两侧孔，再注线路中线孔，以提高孔隙充填率。
（3）注浆压力：单孔注浆采用孔重力式注浆，总进量为60L/min，加压力至2―3MPa，并保持100min以上。
三、实测与分析
选定一段200m长的12209尾巷进行现场试验和观测，由于尾巷已经历了较充分变形和采动影响，围岩松动圈已形成，深表比衰减十分缓慢，其变形和表面基本同步[4]。所以，主要开展表面位移和高强锚杆轴向荷载观测，实测结果如图2、图3。
图212209尾巷表面位移曲线
图312209尾巷高强锚杆拔拉测试曲线
实测分析：
（一）由图2可以看出，修复扰动引起的巷道变形较小，顶底板最大移近量为182mm，两帮最大移近量为134mm，20d之后巷道变形趋于平稳。
（二）从图3可得，在轴向变形＜210mm时，支护阻力完全能够达到设计要求，与围岩的移近量对比发现锚杆处于有效工作状态。
（三）高强锚杆的锚固力能达到118kN左右，表明高强锚杆能够将破碎的岩块挤压咬合，对深部岩体起到加固作用，抑制围岩流变。
（四）中空锚杆结合注浆可以加固围岩，提高其自撑能力，使岩层形成较牢固的承载体，有效地控制围岩的强烈变形。
四、结论
（1）在沿空巷道中使用高强锚杆能够形成有效的支护体系，阻止巷道顶板的横向错动变形，增强巷道的稳定性。
（2）注浆材料具有强度高、渗透性强的特点，对破碎围岩的加固效果较好，能够充分调动围岩的自承能力，与高强锚杆配合间隔使用，可以实现变形、结构、刚度、强度四者的耦合效果。
（3）较其它化学材料注浆成本低，修复巷道费用节省300―400元/m，而其它化学材料在修复费用基础上还需增加200元/m。
作者单位：淮南矿业（集团）有限责任公司谢一矿望峰岗井
参考文献：
[1]徐东强,钱鸣高.不同地应力条件下锚杆支护机制数值模拟分析[J].中国矿业,2001,10(4):35―37.
[2]林崇德.层状岩石顶板破坏机理数值模拟过程分析[J].岩石力学与工程学报,1999,18(4):392―396.
[3]张农.软岩巷道滞后注浆围岩控制研究[D].徐州:中国矿业大学,1999.
[4]陆士良,付国彬.采动巷道岩体变形与锚杆锚固力变化规律[J],中国矿业大学学报,1999,28(3):201―203.
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