Vol.27 No.4 王树仁等：JS复合型软岩顶板条件下煤巷锚网支护技术 ·391· 2煤巷支护分析 3软岩巷道变形力学机制及支护 镇城底矿煤巷支护形式主要为三类：锚杆支 对策分析 护、锚网支护和锚杆与金属支架联合支护.各类 基于对镇城底矿地质构造、地层岩性、巷道 支护巷道变形破坏的特点及原因如下， 围岩力学特性的研究和对现场大量煤巷支护状 (1)单一锚杆支护在2和3煤巷中应用是失 况、巷道破坏特征分析，确定矿巷道围岩具有复 败的，巷道变形破坏特点是，施工锚杆后随工作 合型的变形力学机制类型：Lc,IⅡa,Ⅱp,A,ⅢcA, 面向前推进，顶板节理、裂隙开始增多、扩展，锚 Ina.即Ic微裂隙物化膨胀机制、ⅡB重力机制、IⅡD 杆锚固力增大，锚杆之间裸露的顶板先发生局部 工程偏应力机制和Ⅲ弱层走向型、Ⅲc层理走 漏顶，随后渐渐扩展，导致大面积顶板塌漏抽冒 向型及ID节理走向型三类结构变形机制， 的后果：也出现了两帮肩窝锚杆木托盘被压碎， 根据对镇城底矿2和3°煤层巷道围岩的力学 继而出现片帮，最后导致巷道顶板塌冒失稳。 属性及其变形力学机制的研究，可以看出该矿2" 出现上述现象的原因，主要是由于巷道顶板 和3°煤层巷道之所以难支护，是因为该巷道围岩 层理、节理发育，巷道开挖后经风化作用，微裂隙 并非具有单一的变形力学机制，而是具有多种变 扩展，引起顶板围岩扩容，锚杆承压加大.单一锚 形力学机制的“并发症”和“综合症”即复合型变 杆与顶板仅在局部点接触，锚杆之间的顶板围岩 形力学机制.因此，要想有效地进行该巷道的支 由于扩容和岩体的碎胀力产生位移.当顶板围岩 护，靠单一类型支护方法的作用有限，必须采取 节理镶嵌程度差时，锚杆无法阻止锚杆间的顶板 联合支护方法，成功进行支护的关键技术是有效 岩块冒落，从而发生由局部冒顶、扩展、最终导致 地把复合型变形力学机制转化为单一性”.根据 巷道顶板的垮落失稳， 该矿煤巷围岩的地质特点和技术条件采取如下 (2)锚杆加网（菱形网）支护效果也不理想.虽 的支护对策. 然网可以阻止锚杆间岩块掉落，但由于菱形网的 (I)优化断面设计，掘进机割煤时消除伪顶 延伸率大，柔性有余而刚性不足，形成许多“网 泥岩，将矩形巷道的两个顶部直角改为圆弧型， 兜”，造成新的隐患，不能实现锚网与围岩间的耦 实现由LcⅡnⅡlIIeⅢA型向IaⅡⅢAIcaⅢA 合支护，难以阻止巷道围岩的最终失稳， 型转化 (3)锚杆与金属支架联合支护形式既不经济 (②)锚网布置三维优化，加钢筋梯梁与网约 又不合理，支护效果差.而1995-2001年镇城底 束破碎顶板，顶板两根角锚杆改为斜向锚杆，底 多数回采巷道采用了该支护形式.其原因是：第 角两根帮锚杆向外下侧倾斜，实现由Ⅱ。ⅡI 一，理论上巷道开挖后应紧跟掘进面在架棚后立 IcaⅢDA型向IⅡⅢA型转化， 即打锚杆，但实际上锚杆往往滞后工作面20-30 (3)小孔径锚索支护，消除顶板软弱夹层影 m,造成该段距离内顶板已经离层，再打锚杆也 响，实现由ⅡIA型向ⅡA型转化. 就失去了控制利用围岩强度的意义.第二，先施 工锚杆，在预计单一锚杆支护不能保证安全时再 4支护对策设计的数值模拟分析 套金属支架加强支护，常造成支护成本加大，两 种支护方式间也难以相互协调、相互补偿，而达 4,1计算模型及计算参数 到联合支护的目的. 选用美国Itasca公司开发的有限差分程序 (4)伴随上述支护形式出现的巷道底鼓，一般 LAC进行计算.依圣维南原理，计算范围取 底鼓量都在300mm以内，安装工作面时拉一次 (宽×高)24m×20m,从巷道到模型边界按由密渐 底即可，不会影响使用.由于2和3煤层直接顶 蔬的原则划分网格7680个（如图2所示）.模拟静 黑灰色泥岩较厚，并具一定的膨胀性，且底板与 压情况，即垂直应力与水平应力均为自重应力 4煤软弱夹层间距小，4煤层下也是具有膨胀性 8.25MPa:巷道受采动影响时，垂直应力与水平 的泥岩，所以，底鼓严重，往往多次拉底仍不能满 应力同为自重应力1.5倍即12.50MPa,模型上边 足断面需要，支架损坏严重，造成不得不停产，最 界模拟上覆岩体的重量，两侧面限制水平移动， 后巷道报废的后果。 底面固定，采用Mohr-Coulomb破坏准则.模拟计Vb l . 2 7 N o . 4 王树 仁等 : J S 复合 型 软岩 顶板 条件 下煤 巷锚 网 支护技 术 . 3 9 1 . 2 煤 巷 支 护 分 析 镇城 底矿 煤 巷支 护 形式 主 要 为三 类 : 锚 杆支 护 、 锚 网 支护 和 锚 杆与 金 属支 架 联 合支 护 . 各类 支护 巷 道变 形 破坏 的特 点及 原 因 如下 . ( l) 单 一锚 杆支 护 在 2# 和 3# 煤 巷 中应用 是 失 败 的 . 巷道 变 形破 坏 特 点 是 , 施 工锚 杆 后 随工 作 面 向前 推进 , 顶 板节 理 、 裂 隙 开始 增 多 、 扩 展 , 锚 杆 锚 固力 增大 , 锚 杆之 间裸 露 的顶 板 先发 生局 部 漏 顶 , 随后 渐 渐扩 展 , 导致 大 面 积顶 板 塌漏 抽 冒 的后 果 ; 也 出现 了两 帮肩 窝 锚 杆 木托 盘 被压 碎 , 继 而 出现 片 帮 , 最 后 导致 巷 道顶 板 塌 冒失稳 . 出现上 述现 象 的 原 因 , 主 要 是 由于 巷道 顶板 层 理 、 节理 发育 , 巷 道 开挖后 经风 化 作用 , 微 裂 隙 扩展 , 引起 顶板 围岩 扩 容 , 锚杆 承 压加 大 . 单 一锚 杆 与顶 板仅在 局 部 点接触 , 锚杆 之 间 的顶 板 围岩 由于 扩 容和 岩体 的碎 胀 力产 生位 移 . 当顶 板 围岩 节理 镶嵌 程度 差 时 , 锚杆 无法 阻 止锚 杆 间的 顶板 岩块 冒落 , 从 而 发生 由局部 冒顶 、 扩展 、 最 终 导致 巷 道 顶板 的垮落 失 稳 . (2) 锚 杆 加 网 (菱 形 网 ) 支护 效 果也 不 理想 . 虽 然 网 可 以阻止锚 杆 间岩 块掉 落 , 但 由于 菱形 网 的 延 伸 率大 , 柔 性有 余 而 刚性 不足 , 形 成 许 多 “ 网 兜 ” , 造成 新 的隐 患 , 不 能 实现锚 网 与 围岩 间的祸 合 支护 , 难 以阻 止巷 道 围岩 的最 终失 稳 . (3 ) 锚杆 与 金属 支 架联 合 支 护形 式 既不 经 济 又不 合理 , 支 护效 果差 . 而 1 9 95 一2 0 01 年镇城 底 矿 多数 回采 巷 道采 用 了该支 护 形式 . 其 原 因 是 : 第 一 , 理论上 巷道 开 挖后 应紧 跟 掘进 面在 架棚 后立 即打锚 杆 , 但 实 际上锚 杆往 往 滞 后工 作面 2 0一 3 0 m , 造成 该 段距 离 内顶板 已 经 离层 , 再 打 锚杆 也 就 失去 了控 制 利用 围岩 强度 的意 义 . 第 二 , 先 施 工锚 杆 , 在 预计 单一锚 杆 支护 不 能保证 安 全 时再 套金 属支 架 加 强支 护 , 常造 成支 护 成 本加 大 , 两 种支 护 方式 间 也难 以相互 协 调 、 相互 补偿 , 而 达 到联 合支 护 的 目 的 . (4 )伴 随上 述支 护形 式 出现 的巷 道底 鼓 , 一般 底 鼓量 都在 30 ~ 以 内 , 安装 工 作面 时拉 一次 底 即可 , 不会 影 响使 用 . 由于 2 # 和 3 件煤 层 直接 顶 黑 灰 色泥 岩 较 厚 , 并 具 一定 的膨 胀 性 , 且底 板 与 4 `煤 软 弱夹 层 间距 小 , 4 “煤 层 下也 是 具有 膨 胀 性 的泥岩 , 所 以 , 底鼓严 重 , 往 往 多次 拉底 仍不 能满 足 断面需 要 , 支架 损坏 严 重 , 造成 不得 不停 产 , 最 后巷 道报 废 的后 果 . 3 软岩 巷 道 变形 力 学机 制及 支 护 对 策 分 析 基 于 对镇 城 底 矿地 质 构造 、 地层 岩 性 、 巷道 围岩 力 学 特 性 的研 究和 对 现 场 大量 煤 巷 支 护状 况 、 巷 道破 坏 特 征分 析 , 确 定矿 巷道 围岩 具 有复 合 型 的 变形 力 学机 制类 型 : cI , II B , 11 。 , m s 、 , m e A , lI DA . 即 I 。 微裂 隙物 化膨 胀机 制 、 n B 重力 机制 、 n 。 工 程偏 应 力 机制 和 nI BA 弱 层走 向型 、 il c 、 层理 走 向型及 lI DA 节 理走 向型 三类 结 构变 形 机制 . 根 据对 镇城底 矿 2 禅和 3 #煤层 巷 道 围岩 的力学 属 性及 其 变形 力学 机制 的研究 , 可 以看 出该矿 2 粼 和 3 #煤层 巷 道之 所 以难 支护 , 是 因为 该巷道 围岩 并 非具 有单 一 的变 形力 学机制 , 而是 具有 多种 变 形 力学 机 制 的 “ 并 发症 ” 和 “ 综 合症 ” 即复合 型 变 形力 学 机制 . 因此 , 要 想 有效 地 进行 该巷 道 的支 护 , 靠 单 一类 型 支护 方法 的作 用有 限 , 必 须 采取 联 合支 护 方法 . 成 功进 行 支护 的关 键技 术是 有效 地 把 复合 型 变形 力 学机 制 转 化为 单 一性 【l] , 根 据 该 矿 煤 巷 围岩 的地 质特 点 和技 术 条 件采 取 如 下 的支护 对 策 . ( l) 优 化 断面 设计 . 掘进 机 割 煤 时消 除伪 顶 泥 岩 , 将 矩形 巷 道 的两 个 顶部 直 角 改为 圆 弧型 , 实现 由及11 。 11 D ll B八 1ll e ^ m n 人 型 向 11 。 11 D l l s A l l e ^ lI n ^ 型转 化 . (2 ) 锚 网 布 置三 维优 化 . 加钢 筋梯 梁 与 网 约 束 破 碎顶 板 , 顶板 两 根角 锚 杆 改为斜 向锚 杆 , 底 角 两 根 帮锚 杆 向外 下侧 倾 斜 , 实 现 由 n 。 n D m BA l l e A 1 0 、 型 向 11 B l 。 、 型 转化 . (3 ) 小 孔径 锚 索支 护 , 消 除顶板 软 弱夹 层 影 响 , 实 现 由 11 B lll B A 型 向 11 B l l B A 型 转 化 . 4 支 护 对 策 设 计 的数 值模 拟分 析 .4 1 计 算模 型 及 计算 参数 选 用 美 国 I t as ca 公 司开 发 的有 限差 分 程 序 F L A C ZD 进 行 计算 夕, . 依 圣 维南 原 理 , 计 算 范 围取 ( 宽 “ 高 ) 24 m “ 20 m , 从 巷道 到模 型边 界 按 由密渐 蔬 的原 则划 分 网格 7 6 80 个 (如 图 2 所 示 ) . 模 拟静 压 情 况 , 即 垂 直应 力 与 水 平应 力 均 为 自重应 力 .8 25 M P a ; 巷 道 受采 动 影 响 时 , 垂直 应 力 与水 平 应 力 同为 自重 应 力 1 . 5 倍 即 12 .5 0 M P a , 模 型上 边 界模 拟 上覆 岩 体 的重 量 , 两侧 面 限制 水平 移 动 , 底 面 固定 . 采 用 M o hr 一 C ou fo m b 破坏 准则 . 模 拟计