1、高应力软岩巷道锚杆支护技术研究摘要：综述高应力软岩巷道支护技术现状，分析了高应力软岩巷道的变形破坏特征、原因及其支护中的关键问题。总结现有的几种以锚杆为主的巷道支护技术，分析了现有支护技术应解决的问题。 关键字：高应力；软岩巷道；支护技术；锚杆 Abstract: The author describes the current situation of supporting technology in high stress and soft rock roadway, analyzes the the deformation characteristics and factors caus
2、ing the damage of roadway,points out the key problems in roadway supporting, concludes four kinds of bolting technology, at last the main problems of existing bolting technology has been discussed in the paper. Key words:high stress;soft rock roadway;supporting technology;bolt 中图分类号：C35 文献标识码：A 文章编号
3、：2095-2104（2013） 1.引言 随着浅部资源的日益减少，我国有越来越多的煤矿进入深部开采。井下开采深度的增加，使得高应力巷道不断涌现，在浅部应力状态下表现为硬岩特征的岩石，在深部高应力状态下往往表现为大变形、难支护的软岩特征1。矿井深部开采存在“三高与时间效应” ，即深部岩体处于地应力高、温度高、渗透压高以及较强的时间效应。深部开采造成巷道变形明显、支护困难，冲击地压、煤与瓦斯突出，以及围岩透水等灾害较严重，这些问题给煤矿生产中的巷道围岩控制增加了难度2。开展深部高应力软岩巷道支护技术的研究，对提高掘进速度和安全可靠性，降低支护成本，对矿井的深部开采和岩层控制都具有非常重要的意义3
4、。2.高地应力软岩巷道破坏特征及原因分析 深部高应力软岩巷道支护问题是煤矿开采等地下工程中的一大技术难题，巷道底臌、两帮移近、顶板下沉，导致巷道断面收缩。底板失稳影响到巷道两帮及顶板的稳定，底臌的持续发展造成底板岩石进一步松动破坏，加剧顶板下沉和两帮变形。巷道在高应力作用下其变形破坏特点主要为4：（1）围岩变形量大。巷道两帮移近，顶板下沉和底鼓等现象严重。 （2）初期变形速率大。原岩应力高，巷道开挖时卸荷快，围岩来压迅速，故高应力巷道初期开挖时变形速率大。 （3）变形持续时间长。巷道形成后，围岩在较高应力作用下还会持续变形，大约要数月甚至数年时间，才能进入稳定变形阶段。 高应力软岩巷道破坏的原
5、因一般包括以下几点： (1)重力应力场压力大。深部开采由于埋深大重力应力高，作用在支护结构上的载荷大，支护结构发生变形，逐渐造成巷道支护结构的破坏。(2)围岩强度较低。 。软岩具有强度小、易破碎、遇水易软化、支护困难等特性,为不坚固岩层。加上环境因素对岩层造成的破坏，开挖后巷道的围岩强度大大降低，巷道稳定性系数远远超过极限值，巷道处于极不稳定状态，势必会出现变形破坏 (3)支护方式与围岩条件不相适应，支护强度不足。选择的支护方式不合适，支护结构的强度不够，无法控制围岩变形。 (4)其他因素。巷道围岩有淋水现象，水的浸蚀会使岩石软化和膨胀，巷道变形急剧增长；不良地质构造的影响，不良地质构造产生的
6、构造应力会增加围岩应力；支护施工不规范，没按设计施工，使支护无法达到预期效果。 3.高应力软岩巷道支护的关键问题 由以上分析可知，此类巷道必须要采用支护阻力高的支护形式。在掘进初期就能有效地控制围岩裂隙进一步发育，并在围岩浅部形成具有较高承载能力的承载结构。 深部高应力软岩巷道的支护是一个时间、空间问题,即在巷道的变形过程中采用合理的支护方式进行适时支护,巷道支护的成功与否与每个支护措施的支护顺序、位置、时间密切相关,每个环节都很重要5。 如果要保持巷道顶底板及两帮的稳定性、减少巷道两帮的破坏范围，就必须增加岩体的围压。一方面提高岩体的强度，另一方面使得岩石破坏后保持一个较高的残余强度。 近年
7、来，锚杆支护技术已成为我国深部软岩巷道支护的重要技术之一，其特点是能把深部围岩调动起来和浅部围岩共同作用,控制围岩的稳定性6。 锚杆支护能否有效控制软弱围岩的关键是: 一是必须解决锚杆在软弱岩层的锚固力低，及围岩损伤过程中锚固力丧失的问题；二是实现强初锚、急增阻、高锚固力，使锚杆的实际工作特性与岩层的自承特性协调一致，在软弱岩层产生较大变形以前，就充分发挥锚杆的支护阻力和顶板岩层的自承能力，即软弱岩层的原始强度还未损伤前，锚杆就具备足够的锚固力，这时锚固后的岩层结合强度，要比原始强度高得多，以维持岩层的完整性，控制围岩的变形。 4.现有的支护方式 西欧一些国家以新奥法的理论为基础，采用不同断面
8、的矿用型钢设计刚性或可缩性金属支架，来解决困难条件下的巷道支护问题。俄罗斯、波兰、土耳其等一些产煤国家仍在采用各种不同类型的金属支架来处理巷道的支护问题。这些支护方式存在诸多局限性，一是不能从根本上解决困难条件下的巷道支护问题；二是施工复杂、巷道支护破坏后再修复就更为困难；三是巷道支护成本高。美国、澳大利亚、南非等国则主要采用以锚杆为主体的支护体系，包括高强、超高强锚杆、全长锚固锚杆、组合锚杆、锚杆桁架等支护形式，继锚杆之后，又推出了锚索来进一步提高支护材料的强度和锚固着力点的深度7。 锚杆支护经过多年的发展，应经成为煤矿巷道支护的重要手段。它技术先进，施工工艺简单，操作方便，便于机械化施工，
9、且锚固力大，安全可靠，成本低廉，巷道利用率高，可大量减少巷道挖掘量，适应高产高效要求。 下面介绍几种目前常用的以锚杆为主体的支护方式。 （1）高强度锚网支护。在高应力下的围岩巷道中，高强度锚网支护是一种主动支护，在围岩变形初期就能够迅速承载，发挥锚杆的支护阻力和顶板岩层的自承能力，维持岩层的完整性，控制巷道围岩的变形。软弱围岩巷道采用高强度锚网支护时，应通过有效加固巷道帮角来实现围岩稳定。由于锚索的结构补偿作用，提高了锚网基本支护形成组合梁或组合拱结构的抗弯能力，从而提高浅部围岩的稳定性。 （2）锚网壳支护。锚网壳支护技术从加强围岩支护强度和提高围岩自身承载能力两方面入手，充分发挥围岩、锚杆、
10、喷射混凝土形成壳体的力学性能，控制围岩变形，实现高应力作用下巷道的长期稳定支护。首先，喷射混凝土与金属网形成了“面壳式支护” ，确保巷道表面有足够的强度和刚度；其次，通过锚杆加固围岩，强化围岩，提高了围岩自身承载能力，使围岩变成了支护体，锚固区内围岩形成“壳体式支护” ，控制围岩变形，使支护能力大大提高；第三，底板利用自钻锚杆支护及注浆加固，提高了底板支护强度，弥补了开放型支护存在的漏洞，增强了薄弱点。 锚壳支护施工工艺：成巷初次喷射混凝土(喷厚 20mm，及时封闭围岩) 打锚杆、初次挂网锚杆预紧二次喷射混凝土(喷厚 100mm) 二次挂网,托盘压紧第三次喷射混凝土保护层(喷厚 30mm)。喷
11、层结构如图 1 所示。 图 1 锚壳支护剖面图 （3）锚注联合支护。即锚杆+锚索锚注+底板注浆的联合支护方式。采用高强锚杆提高支护强度，采用注浆加固破碎围岩，通过联合支护使围岩形成一个高强度承载整体。锚、注支护将围岩活动剧烈期缩短，锚索与底板注浆有效充填了巷道周围的裂隙，增强了巷道整体的承载能力，能起到较好的支护效果。 锚注联合支护施工工艺：成巷帮锚杆支护底锚杆支护顶板加固帮锚索支护帮注浆孔注浆底注浆孔注浆。 （4）架棚+锚网+密集锚索联合支护。高应力区域底鼓松软煤层条件下的煤层巷道采用高强度锚网、锚索支护，有效增强对巷道围岩的维护，改善了巷道围岩应力的分布状态，使巷道围岩应力向深部扩展。通过
12、对煤帮锚杆+ 网+ 钢架支护，增强了围岩支护整体性，可减少巷道顶、底板及两帮的移近量，有效地控制了围岩变形，解决了单独采用架棚支护因支护强度不够难以有效支护的问题。 对服务时间相对较长的锚网支护巷道，可采用滞后架棚加强支护方式，进一步提高巷道支护强度，使巷道围岩应力和巷道支撑力得以重新达到新的平衡，减缓巷道后期变形，进而有效维持巷道断面，提高巷道支护的安全可靠程度。 5.锚杆（索）支护应解决的问题 目前，锚杆支护中普遍存在着：锚杆（索）预紧力小，预应力扩散效果差，支护系统刚度低，致使锚杆主动支护作用不能充分发挥，不能有效控制围岩离层与破坏的问题。锚杆（索）在安装后施以预紧力，使不同岩层间摩擦作
13、用力增大，同时将锚固范围内的围岩挤紧，形成梁或拱的承载结构，达到提高巷道围岩稳定性的目的；而没有预紧力或预紧力低的锚杆，只有在围岩变形后才开始起加固作用。在锚杆（索）安装后，立即施加足够的预紧力，使围岩由双向应力转为三向应力状态，甚至可使围岩中的拉应力区转变为压应力区；对于岩体受剪面，预应力产生的摩擦力，大大提高了加固体的抗剪性能，避免过早出现张开裂隙，减少围岩的弱化过程，提高了围岩的稳定性。 所以在锚杆（索）支护施工中应严格按设计要求施工，做好检测工作，对于预紧力不足的锚杆（索）应及时重新施加预紧力。 6.结论 （1）高应力软岩巷道由于应力大，围岩条件差，巷道变形大，支护困难，在支护中应采用
14、支护阻力高的支护形式。 （3）采用以锚杆为主体的支护方式必须解决锚杆在软弱岩层的锚固力低，及围岩损伤过程中锚固力丧失的问题，实现强初锚、急增阻、高锚固力，使锚杆的实际工作特性与岩层的自承特性协调一致，在软弱岩层产生较大变形以前，就充分发挥锚杆的支护阻力和顶板岩层的自承能力。 （3）对高应力软岩巷道可选用多种支护形式相结合的联合支护方式，在应力集中部位采取加密锚网，增设锚索或注浆等方式进行加固处理。 参考文献 1周金城.锚网壳支护技术在高应力巷道修复中的应用J.煤矿支护,2008,(1). 2杜剑锋.锚、网、带、喷+锚索+锚注联合支护在高应力软岩巷道中的应用J.煤矿支护,2010,(1). 3伍浩,王志磊.深部高应力区域锚网索支护研究J.中州煤炭,2010,(2). 4杜剑锋.锚锚注联合支护在祁南煤矿高应力软岩巷道中的应用J.煤,2010,(3). 5杨西宁,张进才,孙文建,姚道海,赵永红.高应力区煤体内大型硐室锚网索预应力耦合支护+U 型棚联合支护技术J.煤矿现代化,2010,(1). 6王琪.锚注支护技术在唐山矿业公司高应力区域的应用J.矿山测量,2010,(3). 7张俊国,周奕朝.高应力煤巷翻修锚网索支护技术J.煤矿开采,2010,(3).
