复合顶板锚杆叠加支护技术

1、摘要通过研究锚杆作用机理和顶板破坏机理，提出一种通过不同长度锚杆（锚索）锚固叠加形成的叠加支护理论，以解决复合顶板的支护难题，并通过实际应用数据说明了叠加支护的优越性。认为复合顶板的锚杆支护能充分利用锚杆的长度、韧性、刚度等属性，形成了高强度、高弹性的稳定承载体，基本解决了复合顶板的强度低、扩容变形量大、扩容应力大、 稳定性差等支护难题。关键词复合顶板锚杆支护叠加支护在矿井建设中，锚杆支护被广泛应用，其优越性有目共睹，但在煤层埋深较大的矿井建设过 程中，对于多分层、低强度复合顶板的锚杆支护一直是施工的难题。根据顶板岩性、分层等 参数曾多次变换顶板锚杆支护设计方案，每种设计方案又经多次优化、改进

2、，但都未能达到预期的支护效果。锚杆支护的巷道顶板随时间的推移，先是局部巷道顶板失稳，然后是一段 巷道顶板失稳，最后大面积巷道顶板失稳，巷道先是打点柱，然后分段架棚，最后巷道内大 面积架棚，而且在回采前、回采中还要翻修，以保证回采的要求，给国家和企业造成大量人 力、物力、财力的损失。因此解决复合顶板的锚杆支护问题是刻不容缓的。1巷道顶板破坏机理1.1巷道顶板破坏的一般过程顶板受压变形岩石局部屈服变形节理弱面发生破坏顶板较低层位发生弯曲变形（伴有 局部岩块脱落）岩层发生拉伸或局部剪切破坏巷道顶板变形破坏。1.2塑性破坏机理（1） 巷道围岩在高地应力作用下，发生应力扩容变形而破坏。（2） 巷道围岩中

3、含有膨胀性软岩，吸水发生膨胀变形而使围岩发生破坏。（3） 锚固平衡拱内岩石由弹性体转变为破坏松动体，使锚杆丧失加强锚固平衡拱的约束离 层和抗剪切两个基本作用，导致围岩破坏。（4）巷道开挖后，巷道围岩是先由压应力引起的挤压破坏，随着挤压破坏向围岩深处发展 引起岩石裂隙扩张和体积膨胀，造成巷道周边岩层弯曲，而产生弯曲拉应力，导致顶板岩层 破坏。我们一般认为，巷道顶板是由于开挖后失去支承而出现弯曲下沉，在顶板中产生弯曲拉应力 ， 且岩石抗拉强度很低，所以造成顶板拉伸破坏。但实际上，围岩先是受压而进入塑性破坏， 其后因破坏岩石的碎胀性，而产生岩石弯曲下沉破坏。1.3结构破坏机理（1）巷道开挖后，岩层抗

4、水平应力的截面减少，在水平应力作用下煤层沿水平层理面向巷 道挤入，致使巷道帮顶受水平应力作用而破坏。（2）围岩中节理构造面的存在对围岩的承载能力及其稳定性影响很大，尤其是节理面与最 大主应力方向斜交时，岩体最容易沿节理弱面破坏而失稳。（3）巷道开挖后，围岩受力状态由三轴应力变为单轴压应力状态，由于岩石单轴抗压强度 低，致使围岩产生塑性破坏或沿节理弱面破坏。岩层受压破坏的结果产生侧向变形和弯曲。 破坏区域越大、弯曲变形越大，由此造成巷道周边原处于压缩塑性状态（未破断）的岩石转 变为弯曲拉伸破坏。随着锚固岩体的变形、离层和弯曲，巷道中部的锚杆始终受力，若锚杆的长度、刚性越大， 会使之受力越大，锚杆

5、受力即可达到强度极限而破坏，则岩层发生破坏。2叠加支护理论在深井高应力作用下的巷道中推行锚杆支护已有很长的时间，也曾多次修改支护 参数，但只是从单层锚杆作用的角度来不断提高支护体强度，前面的理论分析和实践 证明，这无法阻止巷道顶板的破坏。那么，锚杆支护的设计就不应单纯从提高支护体强度的 角度来考虑，而应从对破坏岩石的加固、阻止围岩继续松动和提高松动体自稳性的角度来 考虑，既要突出锚杆支护的优越性，又能使复合顶板的支护效果得以保证，从而产生了本文 所要阐述的叠加支护理论。下面我们以矩形断面为例来分析叠加支护理论(图1)。图1叠加支护理论的断面支护（略）2.1短锚杆形成承载基础（一级支护, 见图2

6、（a）既然锚杆支护无法阻止围岩的松动，那么也无需特别提高顶板支护体强度，只需把短锚杆的 延展性、高抗拉强度、抗剪强度的优越性发挥出来。短锚杆锚固厚度小，锚固体扩容变形量 相对较小，扩容应力也较小，利用全长锚固等强螺纹钢锚杆支护，可满足复合顶板底层锚固 体的扩容变形和扩容应力，形成初期支护阶段的顶板挤压加固拱平衡状态。形成强度很高的 次生承载圈（层）。2.2长锚杆增强破坏松动体塑性强度（二级支护,见图2(b)）（1）利用钢绞线锚杆的可延展性，适应围岩破坏的扩容变形量，保持破坏岩体的承载强度 ，使次生承载层在破坏前后始终保持良好的塑性及强度。（2）利用钢绞线锚杆的长度和强度，进一步强化次生承载层的

7、抗变形能力。长锚杆与短锚 杆相间布置，且布置在最容易弯曲破坏的巷道顶板中部，克服因顶板中部应力最大、变形量 最大引起的刚性较大的短锚杆即刻达到最大应力而破坏的缺陷，增强了顶板次生承载层的抗 压强度和塑性变形能力，形成塑性强、承载能力大的不均匀对称承载体，提高了破坏岩体的自稳能力。2.3锚索减小巷道跨度，继续强化承载体（三级支护, 见图2(c)）图2叠加支护的支护原理（略）(1)利用钢绞线锚索对岩体挤压加固作用，使锚索之间相互促进、相互补强，而且与 短锚 杆、长锚杆所加固的承载体相互补强。锚索有很好的延展性和抗拉强度，使锚索形成的锚固 岩体在巷道顶板中部形成一条强度大、塑性强、结构稳定的承载体。

8、(2)锚索锚固点处在松动圈之外，增加了顶板承载体的稳定性。(3)锚索布置在两排锚杆之间，增加了支护的密度，锚索与长锚杆相同的高延展性、高强度 ，进一步提高了承载体的强度、塑性和抗弯曲破坏能力，提高了承载体的自稳能力。3叠加支护的应用这种支护方法在实际应用中表现出优越的支护性能。在铁煤集团大兴矿南五采区七层某回采巷道应用了这种支护技术，并积累了大量的科学数据 。这条巷道埋深467m ，顶板是复合层，顶板地质柱状如下图3。图3煤层顶板柱状图（略）图4顶板支护平面布置及测站仪器布置（略）巷道设计断面为4.6×3.0m的矩形断面，按照叠加支护方法进行顶板支护设计。短锚 杆使用22×

9、1600mm的热轧螺纹钢等强树脂锚杆，全长锚固；长锚杆使用14.5×3500mm的 钢绞线锚杆；锚索使用14.5×5300mm的钢绞线。锚杆、锚索及测站仪器布置如图4。按照 叠加支护方法进行顶板支护的巷道施工长度共40m，设3个测站，测站间距10m，顶板离层指 示仪3个固定点深度分别为1.5m、3.5m和5.0m。现以测站为例绘制锚杆、锚索受力变 化曲线和顶板下沉曲线如图5和图6所示。JP图5锚杆、锚索受力变化曲线（略）从监测数据曲线我们可以看出，在叠加支护状态下，顶板暴露后可分为4个变化阶段。图6顶板下沉曲线（略）第一阶段为一级支护承载阶段，低位承载体主承载，短锚杆受力迅

10、速增加到130kN左右 后趋于稳定，顶板下沉速度较快，平均8mm/d 。第一阶段大约d左右。第二阶段为一级和二级支护叠加承载阶段，低位和中位承载体同时主承载，长锚杆受力缓慢 增加后趋于稳定，三级支护缓慢加载，锚索受力增加，顶板下沉速度平稳，平均1.52 m m/d 。第二阶段大约d左右。第三阶段为一级、二级和三级支护叠加承载阶段，低位、中位和高位承载体同时承载，顶板 趋于稳定，短锚杆、长锚杆、锚索受力无明显增加，顶板无明显下沉量。同一条巷道其它支护皆为原锚杆支护设计，锚杆使用22×2200mm 的热轧螺纹钢等强树脂 锚杆，全长锚固，锚杆间距700mm，排距800mm 。巷道从开掘到回采，锚杆支护原设计支 护段翻修了遍，而叠加支护段只在综采工作面临近时进行拉底即可满足正常生产，每百米 巷道可节约人工及支护费用万余元。实践证明，这种叠加支护技术充分发挥了锚杆支护的优点