锚网喷索联合支护在软岩巷道的设计与应用

煤炭工程　２００７年第１　１期　锚网喷索联合支护在软岩巷道的设计与应用　宋子玉，崔松竹　（长春煤炭设计研究院，吉林长春１３００１２）　摘要：随着采深的增加，软岩巷道的支护问题目益突出。论文以理论分析与工程实际相结　合，阐述了锚网喷支护结构与喷射混凝土、锚索、锚注加固技术组合使用的联合支护结构，并介　绍了预应力锚索、可拉伸锚杆、锚注技术及支护参数。　关键词：软岩；联合支护；锚杆；支护参数　中图分类号：ＴＤ３５３　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７１—０９５９（２００７）１１‘（）０１２‘（）３　近年来，随着锚注加固技术和预应力锚索技术的发展，　１）复喷＋注浆为二次支护。通过注浆，将松散破碎的　让压一抗压相结合的联合支护形式，在松软岩层巷道中应　用日益扩大，使松软岩层巷道支护状况有了很大的改善，　为加快松软岩层巷道掘进速度发挥了重要作用。　围岩胶结成整体，提高其岩体整体强度，从而提高了围岩　的承载能力；通过注浆，岩体的裂隙有效地充填封闭，防　止岩体进一步风化和吸水软化；通过注浆，大大改善锚杆　的着力基础，提高了支护结构的整体性。　２）底板支护：水城矿区采用的方法是用倾斜锚杆和倾　ｌ联合支护形式综述　目前，在松软岩层巷道中比较成熟的联合支护技术有：　锚网喷＋复喷、锚网喷＋复喷＋注浆、锚网喷＋复喷＋锚　斜注浆管注浆加固巷道底角，用速凝材料注浆加固底板。　１．３锚网喷＋复喷＋锚索　鹤岗富力矿三石门围岩遇水膨胀严重，矿山压力显现　明显，压力较大，巷道变形严重的情况下，锚网喷＋复喷　＋锚索联合支护替代传统的“锚网喷＋Ｕ型钢＋复喷”支　护以来，巷道变形较小，基本上不需要维修。　某矿行人硐室施工后巷道两帮收缩达４００ｍｍ，顶底板　索、锚网喷＋复喷＋注浆＋锚索、锚网喷＋锚网喷＋注浆、　锚网喷＋锚索＋锚网喷。　１．１锚网喷＋复喷　铁法、珲春等矿区软岩抗压强度２０—３０ＭＰａ，岩石完　整性系数０．３５—０．７５，不扰动岩块干燥饱和吸水率２５％～　９０％的条件下，锚网喷＋复喷联合支护替代料石碹支护以　来，从未发生过巷道冒顶、巷道两帮变形而破坏的事故。　其支护特点是：　１）锚网喷一次支护：因锚网喷支护体具有较大的变形　量和柔性，可允许围岩产生一定量的变形，从而围岩卸压。　同时锚杆在围岩松动圈内形成组合加固拱，再加上外喷一　定厚度的混凝土和加挂金属网，构成一定强度的加固带，　可限制围岩碎胀变形。　移近量１０００ｍｍ的情况下，支护形式也采用了锚网喷＋复　喷＋锚索联合支护。为进一步了解锚索加固后巷道的变形　情况，建立了９个测点进行收敛量测，观测结果表明，锚　索张拉加固后巷道变形速度为１．９ｍｍ／ｄ，巷道基本趋于稳　定。　“复喷＋锚索”为二次支护的联合支护方式之所以能抑　制围岩的强烈变形，是因为通过锚索预应力的作用，形成　较大范围的“自承拱”，并将浅部锚杆形成的组合加固拱，　稳固地悬吊在上部稳定岩层中，即形成坚而厚的“双重组　合加固拱”。“双重组合加固拱”有效地控制围岩的变形移　２）二次支护：待围岩压力释放，巷道变形趋于稳定　后，再进行二次支护，即喷射１０—１５０ｍｍ厚混凝土，混　凝土具有一定的刚度和强度，可限制围岩无限制的变形。　３）底板支护：由于围岩遇水易膨胀，用水泥砂浆加固　底板。　动，以期提高围岩的力学强度和刚度，从而提高支护结构　的承载能力，使巷道支护达到良好效果。　对于底鼓的控制，采用的方法是用倾斜锚杆和倾斜锚　索加固巷道底角，用水泥砂浆抹平底板。　１．２锚网喷＋复喷＋注浆　水城矿区软岩性质与铁法矿区软岩基本相同，但是水　城矿区围岩岩体结构为松散破碎。为从根本上改变松散破　１．４锚网喷＋复喷＋注浆＋锚索　平塑张庄矿东大巷位于松软岩层内，矿压显现强烈，　围岩塑性区、破碎区发展很快，引起围岩强烈变形和底鼓　的情况下，锚网喷＋复喷＋锚索联合支护形式改为锚网喷　＋复喷＋注浆＋锚索联合支护方式。观测结果表明，巷道　碎的围岩岩体结构，从２００３年开始进行了围岩注浆加固，　其结果注浆段巷道两帮和顶板变形量较小，使巷道支护达　到良好效果。其支护特点是：　收稿日期：２００７—０６—２７　作者简介：宋子玉（１９６３一），男，吉林白城人，高级工程师，现任长春煤炭设计研究院副院长，从事设计管理工作。　１２　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第１１期　煤炭工程　施工５０ｄ后，巷道的两帮变形速度为２ｍｍ／ｄ以内。巷道基　本不变形、不底鼓。　越小，锚固力越降低，支护效果越差。因此，在松软破碎　的岩层中采用管缝锚杆难以发挥锚杆的主动锚固性能。　二次“复喷＋注浆＋锚索”支护的注浆浆液，将已破　碎的围岩重新胶结成一个整体，起到加固围岩的作用；通　过锚索，将加固后的围岩及锚网喷层连接成一个整体，形　成一个复合支护结构，将破碎的围岩由荷载转化为支护结　构的一部分，可大大减轻支护上的荷载，显著提高支护结　构的承载能力，从而使巷道得到有效的维护。二次支护施　工时，注浆前应先复喷至１００—１５０ｍｍ，锚索张拉滞后于注　２．３可伸长锚杆　在松软或破碎岩层中难于调整管缝锚杆合理的径差时，　应选用可伸长锚杆。目前在各种不同形式的可伸长锚杆中，　靠蛇形部分进行让压的蛇形可伸长锚杆结构最简单、安装　使用最方便、成本最低。蛇形可伸长锚杆由蛇形弯曲段、　直杆段、扁平端头段和波形垫板、开缝式套管、阻挡片所　组成，见图１。蛇形弯曲段６弯（３波）长３００ｍｍ的极限伸　浆进行。　为减少底鼓，用倾斜锚杆和倾斜锚索加固巷道底角，　底板用注浆管进行注浆加固。　１．５锚网喷＋锚网喷＋注浆　徐州张小楼井为采深１０００多米的矿井，井底车场巷道　穿过的岩层松散破碎，松动圈半径达２ｍ以上，最高达　３．２ｍ的情况下，支护形式采用初次锚网喷与二次“锚网喷　＋注浆”组合的联合支护形式。施工结束后，对顶板和两　帮进行观测，没有发现较大变形，有效的解决了在深井松　散软岩中，大断面巷道易变形而破坏的问题。　为防止底脚变形，巷道底部采用反拱形式，反拱结构　采用锚网喷＋注浆。　１．６锚网喷＋锚索＋锚网喷　鸡西荣华立井为井深近ｌＯ００ｍ的矿井，井底车场巷道　围岩虽然不是松散破碎的岩体，但是围岩属高应力复合型　软岩，具有很强的吸水软化膨胀特性和很鲜明的塑性流变　性。根据上述围岩条件，井底车场巷道支护形式采取了初　次锚网喷与二次“锚索＋锚网喷”联合支护形式，二次支　护的锚网喷增强了支护刚度和强度；锚索的深入岩层大大　提高初次支护形成的组合加固拱整体稳定性。施工后观测　结果表明，巷道两帮和顶板变形量基本得到控制，取得了　十分明显的支护效果。　为防止巷道底板底鼓，采用倾斜锚杆和倾斜锚索加固　巷道底角。　底鼓严重时，巷道底部采用反拱形式，反拱结构采用　锚网喷。　２锚杆类型　２．１　锚杆类型选用　根据软岩巷道锚杆支护的经验，在围岩强烈变形的软　岩巷道中，初次支护不应选用刚性锚杆或锚索，而应选用　柔性锚杆。管缝锚杆和可伸长锚杆均属柔性锚杆。柔性锚　杆之所以适应围岩的较大变形，是因为具有受力伸长，允　许围岩有一定的位移量和释放部分能量的特点。　２．２管缝锚杆　管缝锚杆是在柔性锚杆中具有比较大的初锚力，且具　有锚固力随时间延长而增长的特性。但是，在不同岩性中　使用同规格的钻头钻眼时，岩质越松软锚杆与钻孔的径差　长量为１０５ｍｍ，最大承载力为７．３ｔ；在破碎的岩层中，蛇　形弯曲段可另加开缝式套管。　１一波形垫板与螺帽；２一蛇形弯曲部；３一开缝式套管　４一档片；５一直杆段；６一锚固剂；７一扁平端头　图ｌ综采工作面巷道布置示意图（单位：ｍｍ）　２．４锚　索　７ｍ长的钢绞线极限变形量为２５０ｍｍ，而２ｍ长的一般　锚杆的极限变形量为３２０ｍｍ，显然锚索的延伸率较一般锚　杆小得多。可见，围岩由急剧变形向缓慢变形转化时，是　锚索的最佳支护期，因此，二次支护采用锚索加固支护，　能有效地控制围岩无限制的移动变形，支护效果明显好转。　３支护参数设计　３．１锚杆参数　１）锚杆直径。我国学者对围岩位移与锚杆直径的关系　研究结果表明，当锚杆直径大于ｌＯｍｍ时，随着锚杆直径　的增加，围岩位移迅速减少。加粗锚杆虽然增加了材料费　用，但能显著降低围岩位移，更加有效地控制围岩变形，　这是澳大利亚和美国应用“粗锚杆”（０２４—３２ｍｍ）的依　据。　目前，在我国软岩巷道中使用的锚杆直径较细且间距　较小，锚杆直径一般在１６—２２ｍｍ，可参照表１选取。　２）锚杆长度。根据锚杆主要是加固松动圈的支护理　论，锚杆长度ｆ应大于松动圈厚度ｆ．，进入塑性变形区，以　便形成有效的锚固圈，故锚杆长度应为：　ｆ＝ｆｌ＋ｆ２＋　式中　ｆ　——锚杆进入塑性变形区长度，一般取３００—　５００ｍｍ；　厶——锚杆外露量，一般取ｌＯＯｍｍ；　ｆ．——松动圈厚度，ｍｍ。　３）锚杆密度。我国学者对围岩位移与支护密度之间关　系研究结果表明，随着支护密度的增加，围岩位移减小；　】３　维普资讯 http://www.cqvip.com

煤炭工程　２００７年第１１期　支护密度越大，围岩位移的减小速度越小，围岩位移速度　开始缓慢时支护密度在１．５—２．５彬ｍ　之间。按１．５—２．５　根／ｍ　计算的锚杆间距应小于锚杆长度的１／２，为施工方　便，一般取锚杆间距与排距相等。　表１锚杆直径、间距表　注：巷道断面较大或使用年限长时，直径取大值，间距取小值。　加大锚杆间距可以提高成巷速度，加大间排距所造成　的围岩位移量的增加，可以通过加粗锚杆来抵消，一样起　巷道围岩裂隙被充填密实，施工中注浆量以达到注浆压力　为止。　到有效支护的作用。这是澳大利亚的作法，值得我们借鉴。　４）注浆时间。在围岩裂隙发育时，为防止浆液扩散过　远或跑浆，单孔注浆时间一般２—３ｍｉｎ；裂隙欠发育时，一　般需要５ｍｉｎ左右。　３．２锚索参数　１）锚索长度　根据锚索悬吊稳定岩层下各不稳定岩层的理论，锚索　长度　应为：　Ｌ＝Ｌ１＋　＋　３．４混凝土喷层　围岩变形超过３０ｍｍ时素混凝土喷层易开裂，因此不　适用于巷道变形量大的软岩巷道支护。为了提高混凝土喷　层的抗变形能力，在喷层中加入钢丝网、钢筋网和钢带网。　铁法矿区试验证明，加钢带网的混凝土允许变形量最大，　钢筋网次之，而铁丝网最差。可见，加钢带网喷射混凝土　式中　。——锚索外露长度，ｍ；　：——锚索悬吊的不稳定岩层总厚度，ｍ；　锚索锚固长度，ｍ。　Ｎ＝ＫＷ／Ｐ根／ｍ　——２）锚索支护密度。锚索密度理论计算公式为：　式中卜一更好地与可拉伸锚杆相匹配，使锚网喷支护具有更好的让　压性能。　安全系数，取１．２；　每ｍ巷道的静压力，ｋＮ；　在纵横锚杆之间全部加上拉板就形成钢带网。拉板是　３ｍｍ厚的钢板制成，拉板长１０００ｍｍ，宽为１００ｍｍ。　Ｐ＿——锚索的最低破断力，ｋＮ。　锚索间距ｎ与锚索孔深厶之间的关系应满足　／ａ≥２　的经验公式。　４结语　在软岩巷道中采用联合支护技术经济效益显著，可以　很好地控制围岩松动，大大降低巷道收敛量，能够有效地　支护深井高应力软岩巷道。目前，尚无统一的计算公式能　用以指导支护设计，因此，进行联合支护设计时，应进行　监控量测，以确保支护参数的准确性。　参考文献：　［１］　刘同海．荣华立井软岩巷道支护对策的探讨［Ｊ］．煤炭工　程，２００５，（３）．　３）锚索材料。目前广泛使用直径为１５．２４ｍｍ的高强　度钢绞线，其屈服载荷大于２３４．６５ｋＮ，破断载荷大于　２６０．７ｋＮ，锚索强度标准值为１８６０ＭＰａ。　３．３　注浆参数　要获得理想的注浆效果，必须详细掌握受注点资料，　制定合理参数，才能达到理想效果。　１）注浆孔深及间排距。注浆孔深取决于围岩的裂隙发　育范围和浆液的流动性，水泥浆液注入缝宽大于０．４７ｍｍ　的裂隙范围内才可能有效注浆。现场试注浆时，不同眼孔、　眼孔周边不同方向的裂隙发育范围变化都较大，为此设计　注浆孔间排距与单孔扩散距离相近，一般取１．０—１．５ｍ。　２）注浆压力。注浆压力过小，浆液难以向裂隙中扩　散，达不到预期的注浆效果；若注浆压力过大，则会导致　注浆过程中喷层开裂。施工中采用的注浆压力下限为　１．０ＭＰａ，上限为２．０ＭＰａ。　［２］　李东彬．锚网喷＋锚索在软岩巷道中的应用［Ｊ］．煤矿机　械，２００５，（７）．　［３］　徐志远，才庆祥．张庄矿巷硐围岩控制支护实践［Ｊ］．煤　炭科学技术，２００６，（５）．　［４］　万援朝．二次支护原理在深井软岩硐室支护中的实践［Ｊ］．　煤炭科学技术，２００６，（９）．　［５］　高良玉．软岩巷道注浆加固技术在水城矿区的应用［Ｊ］．　煤炭科学技术，２００６，（９）．　３）注浆量。注浆量受到很多因素的影响，如注浆压　力、注浆时间、围岩裂隙发育程度及破碎情况等。为保证　１４　［６　Ｊ　周保生，候朝炯．树脂锚杆支护参数研究［Ｊ］．中国矿业　大学学报，１９９６，（２）．　（责任编辑崔永丰）