不稳固矿岩动压巷道合理支护型式的探讨

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1988.04.021 北京钢铁学院学报 第1G卷第4期 Journal of Beijing University Vol,10 No.4 1988年10月 of Iron and Steel Technology 0ct,1988 不稳固矿岩动压巷道合理支护型式的探讨 王志宏 (矿业研究所) 摘要本文阙述了在回采过程的扰动影响下巷道周围不稳固矿岩的变形破坏特征及 其对巷道支护的要求。介绍了适用于该类岩体加固的两种新型铺杆结构及其优良的支护性 能，并提供了两种行之有效、已为工程应用证实T的支护设计。 关键词铺喷支护，不稳固岩层，采矿挠动 Research on Reasonable Supports for Openings in Incompetent Rock Wang Zhihong ABSTRACT:Incompetent rock is always related to low strengths and or to well developed discontinuities,which are often the most essential factors leading to unstable openings.This paper outlines the deformobility and failure of incompetent rock around an opening under mining disturbances,and discribes the main requirements for opening supporting under circumstances mentioned above.Two kinds of rock-bolts with superior performances which were designed for strengtheting of incompetent masses are presented and two schemes for opening supporting combined rock bolting with reinforced shotcrete which have been used successfully in mines are given. KEY WORDS:bolt-spray suppots;incompetent rock,mining disturbance 不稳固矿岩同低强度的材料性质和不连续面的发育程度有关，这常常是导致巷道失稳的 重要因素。节理裂隙发育或软弱易碎不稳固矿岩的支护是采矿、隧道等地下工程领域的一个 技术难题，往往由于处置不当，危及安全生产或造成矿物资源的损失。本文以实验研究结果 1988一01一09收稿 401

第 卷第 期 年 月 北 京 钢 铁 学 院 学 报 。 。 。 不稳 固矿岩动压巷道合理支护型式的探讨 不 二 二 七匀、 尸中人 矿业 研究所 摘 要 本文 阐述 了在回采过程的扰动影响下巷道周围不 稳固矿岩的 变形破坏特征 及 其对巷道支护的要求 。 介绍 了适 用于该类岩体加 固的两种新型锚杆结构及其优 良 的 支 护 性 能 ， 并 提供了两种行之有效 、 已为工程应 用证 实了的支护设计 。 关挑词 锚喷支 护 ， 不稳 固岩层 ， 采矿浇动 不犷口 夕 夕 ， ， 一 · 一 ， 。 不稳 固矿岩同低强度的材料性质和不连续面的发育程度有关 ， 这常常是导致巷道失稳的 重要 因素 。 节理裂隙发育或软弱易碎不 稳 固矿岩的 支 护是采矿 、 隧道等地下 工程 领域的 一个 技术难 题 ， 往往由于处置不 当 ， 危及 安全生 产 或造成矿物资源的损失 。 本文 以实验研究结 果 一 一 收稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1988．04．021

说明不稳固矿岩动压巷道适宜的支护型式，并提供了应用方案。 1不稳固矿岩与动压巷道 岩体的稳固性总是同地质构造与岩石的强度性质分不开，但同时又具有相对意义。本文 所称不稳固岩，包括下列8种情形： (1)岩石的强度低，强度系数fs1~2,疏松易碎，自稳时间很短， (2)岩石的强度较低，2<f≤5，节理比较发育，掘进后较短时间内，围岩自行破坏圜 落 (3)岩石材料本身的强度不低，>5，但节理裂隙发育，容易破坏冒落，不能长时间自 稳。 对比南非CSIR岩体分类法，上述不稳固矿岩的总分大约为10~40分之间。在动压巷道 的条件下，即在采矿过程扰动的影响下，常发生大量片冒事故，需要系统的人工支护。尤其 位于应力升高区或支承压力带的巷道支护，将 增加很多困难。 3 2 不稳固矿岩动压巷道 2 的变形破坏 不稳固矿岩的变形破坏一般具有时间效应 一1-02921320 与扩容效应的特征。 I,d 对于动压巷道，围岩变形破坏更加剧烈， 图1受回采影响的巷道应力变化 (1)上部分段矿石回采时期 常出现围岩剪切错动的破坏形式以及大变形导 (2)本水平分段回采时期 致巷道失稳。变化的过程在时间上、空间上都 Fig.1 Stress change with time in rock 同采矿过程各阶段密切相关。 around an opening subjected to mining disturbances 图1是用光应力计测量的实例。 3不稳固矿岩动压巷道对支护的要求 针对上述围岩变形破坏特点，巷道支护应满足下列要求： (1)要求及时、速效的支护。据进后尽快提供一定支护抗力，以便阻止围岩松动破坏的 发展。要求紧跟工作面，随掘随支，快速生效。 (2)要求较高的支护强度。不稳固矿岩动压巷道围岩松动破坏范围较大，经常可观测到 大于2m以上。因此，该类巷道要求有较高的，甚至很高的支护强度，对于使用锚杆，还要 求有较大的锚固深度。 (3)要求刚柔结合的支护性能。不稳固矿岩动压巷道一般具有大变形特征。要求支护有 适当的让压性能，并同时提供一定的支护抗力才能使围岩保持相对稳定状态。尤其对于节理 裂隙发育、整体性差的岩体，要求支护发挥较强的阻止围岩变形的能力。 值得指出，一定的支护刚度与强度是保持巷道围岩处于稳定状态所必需的；支护的柔性 402

说明不稳固矿岩动压巷道适宜的 支护型式 ， 并提供 了应 用方案 。 不稳固矿岩与动压巷道 岩体的稳 固性总是同地质构造与岩石 的强 度性质 分不开 ， 但 同时 又具 有相对意义 。 本文 所称不稳固矿岩 ， 包括下列 种情形 岩石的强度低 ， 强度系数 二 一 ， 疏松 易碎 ， 自稳时 间很短， 岩石的强 度较低 ， 了 ， 节理 比较发育 ， 掘进后较短时间内 ， 围岩 自行破坏 留 落 ， 岩石材料 本身的强度不低 ， ， 但节理 裂隙发育 ， 容易破坏冒落 ， 不能长时间自 稳 。 对比南非 岩体 分类法 ， 上述不 稳固矿岩的总分 大约 为 一 分之间 。 在动压巷道 的 条件下 ， 即在采矿过 程扰动的影响下 ， 常发生大量片冒事故 ， 需要 系统的人 工支护 。 尤其 厂 才卜 ‘ 尹六了犷 争 位于应力升高区 或支承压力带的巷道支护 ， 将 增加 很多困难 。 不稳固矿岩动压巷道 的变形 破坏 卜一‘ 一乌 阵 ， 丝 一 八‘上 己昌月二的器。。份。 图 受回采影响的巷道应 力变化 上部分段矿石回采时期 本水乎分段回采时期 五 山 宜 三。 不稳固矿岩的 变形 破坏 一般具有时间效应 与扩容效应的特征 。 对于动压巷道 ， 围岩变形破坏 更加剧烈 ， 常 出现 围岩剪切错动的 破坏形式以及大变形 导 致巷道失稳 。 变化的过程在时 间上 、 空 间上都 同采矿过程各阶段密切相关 。 图 是 用光应力计测量的实例 。 不稳固矿岩动压巷道对支护的 要求 针对上 述围岩变形破坏特点 ， 巷道 支护应满足下列要 求 要 求及时 、 速效的支护 。 掘进 后尽快提供一定 支护抗力 ， 以便阻 止 围岩松动破坏的 发展 。 要求紧跟工作面 ， 随掘随支 ， 快速生效 。 要求较高的支护强度 。 不稳 固矿岩动压巷道 围岩松动破 坏范围较大 ， 经常可观测到 大 于 以上 。 因此 ， 该类巷道要 求有较高的 ， 甚 至很 高的 支护强 度 ， 对于使 用锚 杆 ， 还要 求 有较大的锚 固深度 。 要求刚柔结 合的支护性能 。 不稳固矿岩动压巷道一般具有大变形特征 。 要 求支护有 适 当的让压性能 ， 并同时提供 一定的支护抗力才能使围岩保持相对稳定状态 。 尤其对于节理 裂隙发育 、 整体性差的岩体 ， 要 求支护 发挥较强 的阻 止 围岩 变形 的 能力 。 值得指 出 ， 一定的支护刚度与强 度是保持巷道围岩处于稳定状态所必 需的 ， 支护的柔性

是合理支护所要求的，它使支护逐渐地发挥强度性能。 (4)要求支护有效地加固围岩，保持围岩的整体性与连续性。整体性、连续性好的岩石 的承载能力很高。如：单轴抗压强度oc为20MPa的岩石相当于1m2的面积上可以承受1.98 ×10?N的压力。而发展了破裂弱面的岩石，只能具有不同程度低于峰值强度的剩余强度。 但是，如果处于3向应力状态下，或者说在8维约束条件下，岩石的强度又可以提高很多。 支护应当作为一种主动因素或约束条件增强围岩的3轴应力效应以利于发挥围岩自身的承载 能力。 4 不稳固矿岩动压巷道支护型式的选择 按照上述该类巷道要求的支护性能，在现有的各种支护型式中，显然，锚杆与钢筋网喷 射混凝土联合支护属于优先选择的支护类型，这是因为： (1)锚网喷支护是一种岩体加固技术，从围岩表面到内部形成一个由人工支护结构联结 的岩石加固圈，有利于发挥岩石自身承载能力的作用。 (2)喷射混凝土对岩石表面的胶结封闭作用使软弱围岩避免风化削弱，也使被节理裂隙 分割的岩块不易错动松脱。 (3)锚网喷的支护强度与刚柔特性可以在相当大范围内调节，可以分次支护，也便于补 强，这是一种有很大灵活性的联合支护型式。因此，适用于技术条件复杂多变的不稳固矿岩 动压巷道。 需要指出，不同类型的锚杆技术性能与适用条件有很大差别，因此网喷支护应用效果 还取决于适当的锚杆型式与参数的选择。 针对现有锚杆应用中存在的问题，经过试验改进，研究出技术性能比较完备的“摩擦胶结 复合式锚杆”与“胀楔式岩石锚杆”，适用于不稳固矿岩动压巷道及大断面坑道、峒室的支护。 7 (b) (a) 图2廉擦胶结复合式岩石铺杆 (a)适用于短锚杆支护的结构型式(b)适用于长杆支护的结构型式 1摩擦铺固2胶结铺固8垫板4钢环 Fig.2 Rock bolts with friction and grout combination anchorage (FGCA) 403

是合理 支护所要 求的 ， 它使支护逐渐地发挥强度性能 。 要 求支护有效地加 固围岩 ， 保持围岩的整体性与连 续性 。 整体性 、 连续性好的岩石 的承载 能力很高 。 如 单轴抗压强度 口 为 的岩石相 当于 的面积上 可 以承受 ’ 的 压 力 。 而 发展 了破裂弱面的岩石 ， 只能具有不 同程度低于峰 值强度的剩余强度 。 但是 ， 如果处于 向应力状态 下 ， 或者说在 维约束条件下 ， 岩石的强度又可 以提高很多 。 支护 应当作为一种主动因素或约 束条件增强 围岩的 轴应力效应以利于发挥围岩 自身的承载 能力 。 不稳固矿岩动压巷道支护型式的选择 按照上 述该类巷道要 求的 支护性能 ， 在现 有的各种 支护型式 中 ， 显然 ， 锚 杆 与钢筋网喷 射混 凝土联 合支护属于优先选择的 支护类型 ， 这是 因为 锚网喷支护是 一种岩体加 固技 术 ， 从 围岩表面到 内部形 成 一个 由人 工 支护结构联结 的岩石加 固圈 ， 有利于发挥岩石 自身承 载能力的 作用 。 喷射混凝土对岩石表面的胶结封闭作用使软弱围岩避免凤 化削弱 ， 也使被节理裂隙 分割的岩块不易错动松 脱 。 锚 网喷的支护强度与刚柔特性可以在相 当大范围 内调节 ， 可 以 分次支护 ， 也 便于补 强 ， 这是一种 有很大灵活性的联合支护型式 。 因此 ， 适用于 技术条件复杂 多变的不 稳 固矿岩 动压巷道 。 需要 指出 ， 不 同类型的锚杆技术性能与适 用条件有很大差 别 ， 因此锚网喷支护应 用效果 还取决于适 当的锚杆型式与参数的选择 。 针对现 有锚杆应 用 中存在的问题 ， 经过 试验改进 ， 研 究出技术性能比较完备的 “ 摩擦 胶结 复合式锚 杆 ” 与 “ 胀楔式岩石 锚杆 ” ， 适 用于不稳 固矿岩动压巷道 及大断 面坑道 、 恫室的 支护 。 玉 由 户， 一 私 ， 补 确 多 己， 酬 … 主匕 协－ 图 靡擦胶 结 复合式岩石锚杆 适 用于短错杆支护的结构型 式 适 用于长锚杆支护 的结构型 式 康攘锚 固 胶 结锚 固 垫 板 钢环

4.1摩擦胶结复合式岩石锚杆(ZL86209913) 这是一种把摩擦与胶结两种锚固方式结合为一体的岩石锚杆。如图2所示，这是目前使 用的2种规格，有以下结构性能特征： (1)利用铺杆下部的摩擦铺固（与缝管锚杆相同），实现及时、速效与让压支护， (2)依靠铺杆上部胶结钠固（与胶结式锚杆相同），可以在强度较低的不稳固岩层中获 得较高的锚固力（见表1），胶结铺固可依地压变化过程延时实施。 表1摩擦与复合锚固力比较 丧2空心与注浆缝管锚固力比较 Table 1 Comparison of anchorage Table 2 Comparison of anchorage capacity between friction capacity'between hollow anchor and combination split set and solid one anchor filled with cement-sand grout 漆鹭 矿岩类别 岸，铺固 摩擦胶结复合 力，kN 铺固力，kN 备注 实 序号 矿岩类别 籍篱穷空松寺 譜实注浆后糖 固力， 备注 1 硅卡岩 36.5 112.6 30.9 硅卡岩 36.5 1 硅卡岩 89.9 钢环焊接 101,2 8 铁2 40.2 79.0 钢环焊接开裂 2 铁2 30.9 79.0 开裂，镭固 4 铁247.8 95.8 铺固结构正常 8、铁2 30.9 73.1 结构正常 (3)实行缝管内注浆，提高了支护刚度与抵抗围岩剪切错动的能力，也提高锚杆的轴向 锚固力（表2)，并且起到防腐蚀作用，可以用在永久性工程中。 普通缝管锚杆单位长度上的锚固力较低，端锚效果差（图8），并且在低强度围岩中锚 固力偏低（参看表1、2），普通砂浆锚杆同围岩变形较大的特点不相适应，往往沿锚杆一段 长度与岩石之间剪切错动，胶结失效，岩块脱落（图4）。摩擦胶结复合式锚杆是在大量使用 了这两种铺杆之后研制出的改进型式，这种锚杆保留了它们的优点，克服了上述缺点。 复合式锚杆的长度-一般为1.8~3.0m,其摩擦锚固段1,5~2.0m,胶结锚固段长度为0.3 ~1.2m。 图8巷道分岔处顶板冒落（缝管铺杆支护）图4砂浆铺杆支护下巷道顶板破坏剥落 Fig.3 Roof fall at intersection of open-Fig.4 Roof sloughing of openings with ings with split set bolting full grouted bolting 4.2胀楔式岩石锚杆(ZL一86201097) 这是一种可用于深层锚固的高强度机械式锚杆，如图5所示，有以下结构性能特征： (1)锚杆的头部设计为3叶胀楔式锚固结构，对低强度的围岩可以提供高强度的铺固 404

冷攘胶 结复合式岩石锚杆 这是 一种把摩擦 与胶结 两 种锚 固方式结合为一体的 岩石钱 杆 。 如 图 所示 ， 这是 目前使 用的 种规格 ， 有以下结构 性能特征 利用锚杆下 部的 摩擦锚 固 与缝管锚 杆相 同 ， 实现 及时 、 速效与让压支护 ， 依靠锚杆上部胶结钧固 与胶结式描杆相同 ， 可 以在强度较低的不稳固岩层 中获 得较高的锚 固力 见表 ， 胶结 描 固可依地压变化过程延 时实施 。 夹 康撼与复合描 固力 比较 窦 空 心 与注 浆缝管猫 固力 比较 实验 序号 康擦锅固 康擦胶 结复合 力 ， 锚固力 ， ’ 一 矿岩类别 备注 实肇 序号 矿岩类别 缝管中空状态 缝管注桨后锚 锚固 力 ， 固 力 ， 备注 硅 卡岩 硅 一 卡岩 铁 铁 。 。 。 。 。 。 。 。 钢环焊接开裂 锚固结构正常 硅 卡岩 铁 铁 。 。 。 钢环焊接 开裂 ，锚固 结构正常 实行缝管内注浆 ， 提高了支护刚度与抵抗围岩剪切 错动的 能力 ， 也提高锚杆的轴向 锚 固力 表 ， 并且起到防腐蚀作用 ， 可 以 用在永久性工程 中 。 普通缝管锚 杆单位长度上 的锚 固力较低 ， 端锚效果差 图 ， 并且在低强 度围岩 中锚 固力偏低 参看表 、 普通砂浆锚 杆同围岩变形较大的特点不相适 应 ， 往往沿锚杆一段 长度与岩石之间剪切 错动 ， 胶结失效 ， 岩块 脱落 图 。 摩擦胶结 复合式锚杆是在大量使用 了这两种锚杆之 后研制 出的改进型式 ， 这种锚杆保 留了它 们的优点 ， 克服 了上 述缺点 。 复合式锚杆的长度一般为 ， 其摩擦锚 固段 一 ， 胶结锚 固段长度 为。 。 。 图 巷道分岔 处顶板胃落 缝管钻杆支护 图 砂浆钱杆支护下巷道顶板破坏剥落 一 胀楔式岩石 锚杆 一 这是 一种可 用于深层锚 固的高强度机械式锚杆 ， 如 图 所示 ， 有以下结构性能特征 锚杆的头部设计 为 叶胀楔式锚 固结构 ， 对 低 强 度 的围岩可 以提供高强 度的锚固

力。实验数据表明，围岩材料的单轴抗压强度从11.0~33.0MPa,对应的极限锚固力为： 198~612kN,呈近似线性关系。 (2)锚杆的尾部配用凹晚面垫板，有良好 的支托性能， (3)锚杆的杆体采用分段接杆，锚杆长度 不受工程断面尺寸限制，可方便地用于深层锚 固。 18 16 12 8121620242830 Displacement,mm 图5胀楔式岩石锚杆 图6胀楔式铺杆拉力位移特性曲线 1棱锥台，2楔片，8杆体，4垫片，6垫板：日螺母 第1次拉伸位移28.44mm1第2次拉伸位移8,62mm1 第8次校移拉伸位移7,56mm1数大位移30.36mm Fig.5 Expansion wedge rock bolt (EW) Fig.8 Tension-displacement characte- ristic curves of Ew rock bolt (4)具有一定的可调节的拉力一位移特性，图6中曲线1显示柔性较大，曲线2、3刚性 较大，可以通过安装过程控制所需要的特性。 此外，该种锚杆可以方便地用作预应力注浆锚杆。 4.3已使用的锚网喷支护型式及其联合支护作用 (1)采用摩擦胶结复合式锚杆的锚网喷支护，一般可以满足不稳固矿旷岩动压巷通支护的 要求，支护方案如图7所示。这一方案的直接目的是加固好巷道周围的一圈岩体。对围岩表 面的加固，强调喷网层中钢筋网的作用。用较大的钢筋直径6~中14和较密的网度15~20cm。 锚杆长度应大于所用支护条件下围岩可能发生的松动范围。 78"45 Long rock/ 5615 Short rock bolt(3600) bolt(1800) 3345 100 R2125 1115 R4129 -6 3540 3920- -6000 4450- 6300 图7采准巷道支护方案 图8曲岩峒室支护方案 Fig.7 An available scheme of FGCA Fig.8 An available scheme of FGCA rock bolting combined with rein. as short rock bolting and Ew as forcing shotcrete for opening of long poor rock condition 405

力 。 实验数据表明 ， 围岩材料 的单轴抗压 强 度 从 一 ， 对应的极限锚 固力为 ， 呈近似线 性关系 。 锚杆的 尾部配 用凹球面垫 板 ， 有良好 的 支托 性能 ， 锚杆的杆体采 用分段 接杆 ， 锚杆长度 不受 工程断面 尺 寸限 制， 可方便地 用于深层锚 固 。 ，笨一卜夕宕‘。 ‘ 川囚 丫「试 尸 ，试尸声 尸 匕 别 丫 口 ’ 一 旷 一 对 口 价 图 胀楔 式岩石锚杆 棱 锥 台， 楔片 一 杆体， 垫片， 垫板 ， 螺母 图 胀摸式钱杆拉力 一 位移特性曲线 第 次拉伸位移 。 ， 第 次拉伸位移 ， 第 次技移拉伸位移 ， 最大位移 。 丁 宜 一 习 具 有一定 的可调节的拉力一位 移特性 ， 图 中曲线 显示柔性较大 ， 曲线 、 刚性 较大 ， 可以通过安装过程 控制所需要 的特性 。 此 外 ， 该种 锚杆可 以方便地 用作预 应力注浆锚杆 。 已使用 的 锚 网喷 支护 型式 及 其联合支护作 用 采 用摩擦胶结 复合式锚杆 的锚网喷支护 ， 一般可 以满足不 稳固矿岩动压巷通 支护的 要 求 ， 支护方 案如 图 所示 。 这 一方案的直 接 目的是加 固好巷 道周围的 一圈岩体 。 对围岩 表 面的加 固 ， 强 调喷网层 中钢筋网的作用 。 用较 大的 钢筋直径功 一 功 和较密的网 度 一 。 锚 杆长度应大于所 用支护 条件下 围岩可能发生 的松 动范 围 。 、 ， 八 卜一 。 。 图 采 准巷道 支护方案 图 凿岩一炯 室 支护方案