充填节理巷道支护技术研究

1、充填节理巷道支护技术研究 薛小龙 霍州煤电集团公司生产技术部 摘 要： 针对充填节理岩层抗剪强度低, 易发生滑移剪切和弯曲下沉的问题, 而采用锚杆支护可为充填节理提供法向应力以提高其抗剪强度和粘聚力, 因此提出以锚杆支护为主, 锚索和锚网支护为辅的支护形式来控制充填节理巷道围岩变形的方案。矿压观测表明, 该支护方案可保证巷道围岩稳定性。关键词： 充填节理; 锚杆支护; 抗剪强度; 围岩稳定; 作者简介：薛小龙 (1988-) , 男, 山西永济人, 2013 年毕业于太原理工大学, 现从事矿井开掘系统相关工作。收稿日期：2017-6-26Supporting Technology of Roadway Surrounding Rock Containing Infilled JointsXue Xiaolong Huozhou coal power co., LTD.production technology department; Abstract： For filling joint rock shear strength is low, easy to slip of shear

2、 and bending subsidence problems, and using bolt support can provide method to stress for filling joints to increase the shear strength and cohesive force, thus put forward is given priority to with bolt support, anchor and anchor net supporting auxiliary support form to control filling joint deformation of surrounding rock of roadway. Mine pressure observation shows that the support scheme can guarantee the stability of the surrounding rock.Keyword： Joint filling; Bolt support; Shear strength;

3、The surrounding rock stability; Received： 2017-6-261 试验巷道地质条件某矿主要含煤地层为山西组和太原组, 共含煤 12 层, 其中 3 号为井田内大部分可采煤层, 9+10 号和 11 号煤层在井田内赋存稳定, 为主要可采煤层, 其余煤层不开采。该矿为资源整合矿井, 本次试验巷道为原有小断面巷道扩刷而成的矿井副平硐, 巷道断面为矩形, 高 5440mm, 宽 3920mm, 断面积为 21.32m, 巷道沿着 9+10 号煤层顶板掘进, 9+10 号煤层平均厚 5.0m, 直接顶为厚 3.1m、节理裂隙发育、泥质充填的灰黑色泥岩, 老顶为厚 8.11m、呈层状、节理裂隙发育不规则且泥质充填的深灰色 K2 石灰岩, 直接底为厚 4.0m 的灰黑色砂质泥岩, 老底为厚 5.1m 的深灰色粉砂岩。通过现场锚杆施工发现, 直接顶泥岩和老顶 K2 石灰岩内有几层被一定厚度黄土所充填的节理裂隙, 由于该层黄土充填节理的存在, 导致顶板下沉量相对较大。在巷道顶板钻深度为 6m、直径为 32mm 的钻孔, 通过钻孔窥视仪对顶板岩层具体情况进行窥视,

4、通过窥视发现在距离巷道顶板 1m、2m 和 4m 处含有 3 条黄土充填的节理裂隙, 该充填层厚度约 8090mm, 分层相对明显且呈近水平分布, 同时在煤帮与巷道顶板的交界处赋存一层 150mm 厚的黄泥夹层。2 充填节理的概念及其特征地下煤岩在受到地壳运动、地质构造或开采活动的影响, 会形成一系列节理裂隙, 这些节理裂隙在结构性质上体现出各向异性及非均质性。两侧岩体未产生显著相对移动的裂隙则成为节理, 而有些张开节理会被其它地质体所充填, 最终形成具有充填物的节理, 则把这类节理称为充填节理, 一般常见的充填物有粘土、黄土、沙砾等, 由于该类充填物胶结性质较差且较为软弱, 则使充填节理的性质发生变化, 通常表现为节理面的剪切破坏。充填节理的几何特征对其剪切变形破坏影响明显, 充填节理的剪切性质受起伏度、粗糙度和充填度 3 个因素影响。起伏度即节理面凸台起伏变化情况, 当节理面法向应力较小时, 岩体会沿着节理面凸台发生移动变形, 即节理面的剪胀效应;粗糙度即节理面凸台凸起程度大小, 在较大载荷作用下, 凸台会被磨损剪断;充填度即节理裂隙由于地质构造作用被软弱的粘土、黄土或沙砾等充填的

5、厚度, 通常以充填物厚度与节理凸台高度的比值来表示充填度。由于充填物的存在, 会使节理面的剪切强度降低, 改变其剪切变形破坏形式, 较大的起伏度可以提高充填节理的抗剪强度, 等效于提高其内摩擦角, 而充填厚度的增加会减小其抗剪强度。3 锚杆对含充填节理巷道围岩支护机理3.1 锚杆轴力的加固作用在充填节理发生剪切变化过程中, 锚杆支护可对其进行法向和切向 2 个方向的约束。充填节理在剪切过程中会发生剪胀现象, 剪胀会导致预应力锚杆轴向力的增大。若锚杆安装后其轴向方向与节理走向方向的夹角较大时, 则锚杆轴向力会对充填节理施加较大的法向约束, 以提高其抗剪强度。当锚杆轴向方向与节理走向方向的夹角较小时, 则锚杆轴向力可提高节理面的抗剪力。若锚杆布置角度与节理剪胀角角度相同时, 锚杆轴向力将全部转化为节理面的抗剪力, 这样可以将充填节理的抗剪性能大幅度提升。3.2 锚杆剪力的加固作用锚杆除了通过轴向力提高充填节理的抗剪强度外, 其杆体本身亦可抵抗剪切变形, 当锚杆安装位置与充填节理相垂直时, 锚杆对提高充填节理的抗剪强度作用较小, 但可以防止充填节理层的滑移变形, 若横向剪切力过大, 可导致锚

6、杆发生剪切变形, 致使锚杆失效。3.3 锚杆预紧力的加固作用安装锚杆时对其施加预应力, 及时对岩体进行主动支护, 使周边岩体由单向或者双向应力状态转变为三向应力状态, 可使其抗剪能力提高。锚杆的轴向力可以提高充填节理的抗剪强度, 而节理的滑移变形是锚杆轴向力产生的根源, 因此, 在锚杆安装后即对其施加预应力, 可增加充填节理法线方向应力, 从而防止节理面的滑移变形。4 含充填节理巷道围岩控制技术处于不同层位的充填节理对巷道顶板及两帮会产生不同的影响, 当充填节理的位置处于巷道顶板和煤层之间时, 由于充填节理的存在, 会导致接触面的抗剪强度降低, 在交界面会形成剪切滑移区 (如图 1 所示) , 则会导致巷道两帮沿着滑移面向巷道空间移动, 两帮移近量相对较大, 而巷道顶板下沉量相对较小, 在该种情况下, 控制围岩变形的重点区域为交界面的剪切滑移区。图 1 巷道煤帮剪切滑移变形图 下载原图距离巷道顶板 1m、2m 和 4m 处的 3 条黄土充填的节理裂隙会将巷道顶板泥岩分成 2 个部分 (如图 2 所示) , 位于充填节理下部岩体在自重载荷及周围岩体挤压作用下会产生弯曲变形, 在巷道顶板处

7、形成弯曲下沉区, 巷道顶板下沉量相对较大;相比位于交界面处充填节理, 岩层的滑移剪切受周边岩体的约束, 但巷道两帮上方仍会出现少量的剪切滑移区, 因此在该种情况下, 顶板及两帮都需要采取相关措施进行控制。图 2 巷道剪切滑移及弯曲下沉变形图 下载原图基于上述分析, 对于该类充填节理巷道围岩控制的重点区域是顶板上方的弯曲下沉区和两帮上方的剪切滑移区, 因此采用锚杆 (索) 来控制围岩变形。通过在巷道顶板布置锚杆与锚索来控制顶板的弯曲下沉, 通过在巷道煤帮顶角处安装斜锚杆及巷道煤帮中部安装高预应力斜拉锚索来控制两帮的剪切滑移变形, 充填节理围岩控制示意图如图 3 所示。图 3 充填节理围岩控制技术 下载原图5 试验巷道支护方案通过对含有充填节理巷道剪切变形破坏特征分析及锚杆对含节理巷道围岩支护机理研究, 得出锚杆可以增强充填节理的抗剪强度, 因此确定以锚杆支护为主, 锚索和锚网支护为辅的支护形式来控制巷道围岩的变形。巷道支护示意图如图4 所示。5.1 顶板支护巷道顶板共布置 7 根锚杆, 选用 22mm2400mm 的 HRB335 左旋无纵筋螺纹钢锚杆, 其中 5 根垂直于巷道顶板布置,

8、 靠近两帮 2 根与水平方向呈 70斜向上布置, 锚杆间距 850mm, 排距 900mm, 每根锚杆配合 CK2335 和 Z2360 树脂锚固剂各 1 支, 锚杆托盘选用 120mm120mm10mm 的蝶形托盘。顶板布置 2 根18.9mm6300mm 的预应力钢绞线锚索, 每隔 2 排锚杆打 1 排锚索, 锚索间距为 2400mm, 排距为 1800mm, 每根锚索配合 CK2335 和 Z2360 树脂锚固剂各 2 支, 托盘选用 300mm300mm16mm 的蝶形托盘。顶板钢筋网网片长 5440mm, 宽1100mm, 钢筋选用 6.5mm 的圆钢, 网格尺寸为 100mm100mm, 锚杆及锚索安装后分别施加不低于 60k N 和 150k N 的预紧力。5.2 两帮支护巷道帮各布置 5 根锚杆, 帮锚杆选用 22mm2400mm 的 HRB335 左旋无纵筋螺纹钢锚杆, 中部 3 根锚杆垂直于巷帮布置, 顶角和底角 2 根锚杆与水平方向呈20斜向上和斜向下布置, 锚杆间距为 850mm, 排距为 900mm, 每根锚杆配合CK2335 和 Z2360 树脂锚固剂各 1

9、 支, 锚杆托盘选用 120mm120mm10mm 的蝶形托盘。斜拉锚索采用 18.9mm6300mm 的预应力钢绞线锚索, 布置在巷道帮部中央, 每隔 2 排锚杆打 1 排锚索, 锚索排距为 1800mm, 每根斜拉锚索配合CK2335 和 Z2360 树脂锚固剂各 2 支, 托盘选用 300mm300mm16mm 的蝶形托盘, 金属网片规格与顶板所用锚索规格相同。图 4 巷道支护示意图 下载原图6 矿压观测为观测巷道围岩支护效果, 通过十字测点法对巷道表面位移进行观测, 巷道表面位移图如图 5 所示, 在巷道开掘后前 11 天巷道顶板及煤帮变形速度较大, 煤帮位移量始终大于顶板位移量, 巷道顶板及煤帮表面位移量分别为 100mm 和130mm, 随着时间的增加巷道表面位移整体仍呈增大趋势, 但速度减缓, 到 30天末, 巷道顶板及煤帮位移量分别为 121mm 和 148mm, 围岩变形处于可控范围, 通过锚杆支护为主, 锚索和锚网支护为辅的支护形式可以有效控制围岩变形。图 5 巷道表面位移图 下载原图参考文献1唐志成, 夏才初, 肖素光.节理剪切应力-位移本构模型及剪胀现象分析J.岩石力学与工程学报, 2011, 30 (5) . 2杨明.岩体结构面力学特性及其锚固效应的数值计算研究D.中南大学, 2009. 3张伟.基于预应力锚杆模型的节理岩体稳定性非连续分析D.中国科学院研究生院武汉岩土力学研究所, 2010. 4杨慧敏.预应力锚杆索在节理岩体中的支护机理研究及应用J.中南大学, 2010. 5王同旭.节理岩体巷道顶板预应力锚杆加固作用研究J.中国矿业大学学报, 2007, 36 (5) .

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