1、专题部分锚网支护巷道掘进围岩顶板离层机理及控制技术摘要：锚网支护巷道掘进围岩控制一直都是矿井开采的难题，该类型的巷道围岩变形量大且容易发生冒顶事故，严重影响矿井安全生产。本文在总结分析巷道围岩顶板离层机理及控制技术国内外研究现状的基础上，对复合顶板巷道围岩变形破坏特征和支护机理进行分析研究，结果表明，在复合顶板支护中单纯采用锚杆支护难以保证巷道围岩的稳定性，需在锚杆支护的基础上采取锚网索补强措施，利用锚网索的高预紧力和高破断力制约复合顶板的离层破坏。关键词：锚杆支护；稳定性；离层破坏 The anchor net supporting roadway roof separation mecha
2、nism and control technology of surrounding rockABSTRACT: The bolt support compound roof coal roadway surrounding rock control is always one of the difficulties in coal mining. The surrounding rock deformation and prone to collapse accident seriously affect the normal production of mine. This paper u
3、ses the combined method of theoretical analysis and fieldtest. The concept of composite roof is more difficoult to support . Failure characteristics and mechanism were analyzed. Results show that the deformation of surrounding rock of roadway in compound roof. compound roof support with bolt support
4、 is difficult to support the stability of roadway surrounding rock, the anchor bolt support by anchor cable reinforcement measures. Using high-cable force and high breaking capacity constraints the compound roof separation failure.Key word：bolt support；stability；roof separation failure1绪论1.1问题的提出在煤矿
5、井巷中，回采巷道的长度占矿井巷道总长度的以上。矿井开拓巷道可布置在较稳定的岩层内，而回采巷道要受到因煤层开采形成的应力集中的影响，因而回采巷道顶板离层机理研究及支护方式的选择非常重要。在我国随着矿井开采深度的增加,工作面回采机械化程度提高,要求回采巷道断面积加大,因而使矿压显现更加剧烈,回采巷道的支护问题在煤矿生产中越来越突出。在很多矿井中,由于巷道断面缩小,严重影响工作面运输、通风,常常形成“爬行巷道”,从而威胁井下的安全生产,使得工作面机械生产能力不能充分发挥。而且回采巷道的多次返修还是造成煤炭企业亏损、采掘接替紧张的主要原因之一。锚杆支护巷道顶板离层及围岩破坏失稳一般没有明显的预兆,一旦
6、发生冒顶,往往具有突发性,且多数情况下垮落规模比较大,因而危害性更大。已有的研究成果和工程经验表明,离层是煤巷顶板破坏失稳的基本特征或直接原因.因此,如果能及时准确地掌握煤巷锚杆支护的顶板离层情况,就可以在冒顶发生之前及早做出预报,避免顶板事故发生,保证煤巷锚杆支护技术健康发展。1.2 锚网索巷道顶板离层国内外研究现状1.2.1 巷道顶板离层机理研究现状1）岩石的破坏主要分为两类：即张拉和剪切破坏。当垂直方向上的拉应力大于岩层某一层面的抗拉强度时，该层面将发生离层，这类情况大多数发生在两种岩层的交界面处。在地下工程中大多数岩石冒落都是由于岩体内部结构缺陷而产生离层造成的。对组合梁，当下沉弯曲时
7、，层面上将产生剪应力随着离层的增加。下部岩层由于弯曲，在横截面上产生的拉应力随之增加，当大于岩石的抗拉强度时，巷道顶板开始破坏。2）另一种导致巷道顶板离层产生的原因，是由于不同层的顶板在发生弯曲变形的时候，产生的挠度不一致，因而会造成顶板发生离层现象。在理想的层状复合顶板情况下，离层由巷道顶板表面的岩层，逐渐向顶板深部的岩层发展。3）在高水平应力情况下，水平应力是垂直应力的23倍，最高可达59倍，是影响巷道稳定性的重要因素之一对软弱层状巷道顶板。不同水平应力对顶板的破坏范围和方式有着明显的影响。在相对理想的状态下，数值模拟结果表明：当侧压系数小于1.8时。顶板岩层整体下沉，并形成自然平衡拱，因
8、此不容易发生离层。当侧压系数大于1.8时，顶板下部岩层向下移动，上部岩层隆起，容易产生离层1.2.2巷道顶板离层控制技术研究现状美国、澳大利亚、加拿大等国由于煤层埋藏条件好,加之锚杆支护技术不断发展和日益成熟,因而锚杆支护使用很普遍,在煤矿巷道的支护比重中几乎达到了。澳大利亚锚杆支护技术已经形成比较完整的体系,处于国际领先水平。澳大利亚的煤矿巷道几乎全部采用型钢带树脂全长锚固组合锚杆支护技术,尽管其巷道断面比较大,但支护效果非常好。对于复合顶板、破碎顶板及其巷道交叉点、大断面酮室等难维护的地方,采用锚索注浆进行补强加固,控制了围岩的强烈变形。美国一直采用锚杆支护巷道,锚杆消耗量很大。锚杆种类也
9、较多,有胀壳式、树脂式、复合锚杆等。组合件有钢带和析架。具体应用时,根据岩层条件选择不同的支护方式和参数。锚杆支护发展最快的是英国。在年以前,英国煤矿巷道支护以上采用金属支架,而且主要是矿工钢拱型刚性支架。由于回采工作面单产低、效率低、巷道支护成本高,因而亏损严重。为了摆脱煤炭行业的这种困境,在巷道支护方面积极发展锚杆支护,到年,英国从澳大利亚引进了成套的锚杆支护技术,从而扭转了过去的被动局面,煤巷锚杆支护得到迅速发展,经过近年实验的基础上,又做了改进和提高,到年在巷道支护中所占的比重己达到以上。锚杆支护技术的广泛采用给英国煤矿带来巨大的活力和经济效益。德国是型钢支架使用最早、技术上最为成熟的
10、国家,自年发明型钢支架以来,型钢支架发展迅速,支护比重很快达到了以上,从井底车场一直到回采工作面两巷均采用型钢可缩性支架。但是自世纪年代以来,随着矿井开采深度日益增加,维护日益困难。面临这种困难,德国采用不断增加金属支架的型钢质量,逐步减小棚距的做法,这不仅使巷道支护费用增高,而且施工,运输更加困难和复杂。即便如此,巷道维护困难的状况仍然难以改观,于是寻求成本低、运输和施工简单方便、控制围岩变形效果好的锚杆支护变得尤为重要。到世纪年代初期,锚杆支护在鲁尔矿区实验成功后获得推广,现己应用到km的深井巷道中,取得了许多有益的经验。我国在煤矿岩巷中使用锚杆支护也已有近余年的历史。从年起在煤矿岩巷中使
11、用锚杆支护,世纪年代锚杆支护开始进入采区,但由于煤层巷道围岩松软,受采动影响后围岩变形量很大,对支护技术要求很高,加之锚杆支护理论、设计方法,锚杆材料、施工机具、检测手段等还不够完善,因而发展缓慢。“八五”期间,原煤炭工业部把煤巷锚杆支护技术作为重点项目进行攻关,在“九五”期间,原煤炭工业部将“锚杆支护”列为煤炭工业科技发展的五个项目之一,对锚杆支护的可行性和适用性进行了深入细致的研究,取得了一大批水平较高的科研成果。特别是1995-1996年我国引进了澳大利亚锚杆支护技术,在邢台矿务局进行了现场演示,并完成了与锚杆支护技术有关的个项目,使我国的煤巷锚杆支护技术有较大提高。同时,困难条件下锚杆
12、一锚索支护技术得到了应用,并取得令人满意的支护效果和经济效益。1995年,我国国有重点煤矿当年新掘巷道中锚杆支护所占比重为28.19,其中岩巷中占57.2,半煤岩巷占27.65,煤巷占15.15。到1998年,煤巷锚杆支护比重提高到20,14了,半煤岩巷中则提高到了29.74。时至今日,人们不仅成功地在稳定和中等稳定以上的岩巷中使用锚杆,而且在软岩巷道、以及受采动影响的煤巷中也成功地使用了锚杆支护技术。一批技术先进的国有重点矿区的煤巷锚杆支护率在逐年稳步提高。由于对巷道围岩强度的强化作用,可显著提高围岩的稳定性,并且有许多优点支护成本较低、成巷速度快、劳动强度减轻、提高巷道断面的利用率、简化回
13、采面端头维护工艺、明显改善作业环境和安全生产条件等。可显著提高矿井的经济效益,因而成为矿井巷道的一种主要支护形式,也代表了煤矿巷道支护技术的主要发展方向。锚杆支护可大幅度的降低巷道支护维修费用,提高巷道掘进速度和生产效率在巷道跨度增大时,即在大断面巷道的情况下,单纯用锚杆对巷道进行支护可能会引起巷道顶板在一定高度范围内整体垮落,在这种情况下可以进行“锚杆十锚索”联合支护,可将整个潜在冒落范围内的岩层悬吊在较稳定的岩层中,从而使得该巷道顶板处于稳定状态。1.2.3存在的问题近年来,锚杆技术在我国煤矿已经得到了快速发展,特别是锚喷、锚网喷、锚梁网和锚网索等联合支护己广泛应用在深井软岩巷道,并取得了
14、许多宝贵的实践经验和科技成果。我国对跨采卸压、掘前预采和开卸压槽等卸压也取得了阶段性成果。但在巷道顶板离层及支护控制方面仍然存在以下问题：（1）相当一批巷道的支护形式与围岩的变形特性不相适应,巷道支护的参数选择不合理。这就造成巷道支架折损失效严重,维护困难,严重影响着煤矿的生产和安全。（2）巷道支护用的装备和机具不配套。与支护材料,新型支架形式相比,支架安装、加工、维修技术的发展还不配套。有些机具虽已生产,但质量不过关,影响巷道支护的质量和速度,如型钢支架的加工、回收设备,锚杆钻机等。（3）与新材料、新工艺和新设备配套的技术措施,规程、规范等基础工作没有跟上,严重影响新技术、新工艺的推广使用和
15、技术效果。1.3 研究内容及意义1.3.1 研究内容本论文拟在广泛收集资料及大量调研的基础上，对以下几个方面的内容进行系统地研究：（1）回采巷道顶板离层机理分析。（2）顶板离层临界值的确定方法。（3）回采巷道顶板控制理论及支护参数的优化。1.3.2 研究意义主要针对受动压影响巷道顶板离层的研究,分析了影响顶板离层的因素,进行锚杆参数的优化,从而确定巷道的支护方法及参数,有效地控制顶板离层。对于减少巷道维护工作量,提高矿井的技术经济效益、改善矿井巷道安全生产环境具有重要的现实意义。2 离层机理及影响因素分析2.1 顶板离层的概念及离层类型2.1.1 顶板离层的概念（1）广义的顶板离层顶板离层系指
16、巷道顶板岩层中一点与其上方一定深度岩层中某点的相对位移量,可称其为广义顶板离层。可以看出，广义顶板离层与“顶板离层”的字面含义是不同的,“顶板离层”字面理解为顶板岩层中各分层层面间的相对分离,可称其为狭义顶板离层。广义顶板离层有着更广阔的内含,除包括狭义的“顶板离层”外,还包含顶板岩层弹塑性变形、扩容变形、碎胀变形、折曲变形等。（2）狭义的顶板离层煤系地层呈明显地层状分布,并且多受节理裂隙切割,这在煤系地层的沉积和地质变动过程中即已形成。各分层及节理裂隙胶结程度低,力学性能差,是天然的力学弱面。巷道变形失稳首先从这些弱面开始,微观表面为弱面间的滑动和张开,宏观上就表现为围岩的收敛位移。特别对于顶板岩层,当弱面张开后,各层之间失去
