三软煤层再生胶结顶板巷道支护技术

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掘进期间巷道维护状况
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回采期间工作面前方100m巷道维护状况
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回采期间工作面前方30m巷道维护状况
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回采期间工作面前方10m巷道维护状况
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工作面后方顶板、帮维护状况
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回采期间运输巷维护状况（U型钢支护）
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2）试验巷道顶板状况 从下至上依次为： 再生胶结顶板：0.2～0.8m，平均0.5m； 不规则垮落带：1.2～4m厚砂页岩和砂页岩与 煤线互层； 规则垮落带：2.8m厚砂岩及其上方2.0m厚砂 页岩 规则移动带：17.5m厚的砂岩及以上岩层
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4. 2再生胶结顶板矿物成分与强度试验分析
4.2.1 再生胶结顶板的矿物成分 定性分析结果：样品的主要矿物成分为高岭石、
3）胶结形成阶段：载荷剧增，温度上升，加速水分 蒸发，最后形成再生胶结顶板
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1.2 影响再生胶结顶板生成的因素
1）岩性对再生胶结顶板的形成起主导作用 含泥质成分或AL2O3胶结物较高的岩石破碎后遇水易 形成稳定的再生胶结顶板。
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2）含水率对再生胶结顶板强度的影响
再生顶板强度/MPa
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
0 5.2 5.7 6.9 7.4 9.3 9.9
含水率/%
R(MPa) C(Mpa)
含水率低胶结不好、胶结层强度小；含水率高， 泥岩遇水强度降低，胶结层强度低。在7%左右， 再生胶结顶板胶结最好、强度最高。
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3）采深对再生胶结顶板稳定性的影响 随采深增加，采空区压力增大，顶板胶结好。
表3 不同采深再生胶结顶板强度指标试验结果
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1.5 再生顶板巷道矿压显现规律
再生胶结顶板强度小，其上部存在松散破碎的矸 石层，易引发冒顶，同时，上覆岩层离层，顶板压 力大。传统的型钢架棚支护，支架变形严重、巷道 变形量大、维护困难。
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1.6 巷道位置
数值模拟结果显示，上分层工作面回采后，区段 煤柱下方的垂直应力和剪切应力集中，而采空区内应 力减小；随着与煤柱的水平距离增大，垂直应力增大， 而剪切应力减小。煤柱两侧4~5m范围内的剪切应力较 大，向外剪切应力快速衰减，因而，309材料道与109 工作面区段煤柱的水平距离应大于5m。
400
300
K
200
100 I/MI
0 35
10 15
Q
K I
20
K
F F C
S KQKQQKQ
Q
Q SO
Q S S KK
Q
Q KQ Q
S
25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
衍 射 角 度 (单 位: 度 )
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（2） 定量分析 分析结果（重量百分比）： 粘土类：总计 67% 石英、长石类：总计 29% 其它：总计 4%
项目
采深H(m) 粘聚力C（MPa）
60
100
含水率6.3%
140
180
200
0.063 0.129 0.151 0.297 0.356
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1.3 再生顶板胶结层厚度
一般再生顶板胶结层厚度不大。韩桥矿309工作面 再生胶结层厚度0.2～0.8m，平均0.5m。
1.4 再生顶板工作面矿压显现规律
1）老顶来压不明显 2）采场支架载荷减小 3）顶底板移近量大
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3 树脂锚固锚杆对再生胶结顶板的适应性
煤
层
顶
板
岩
砂页岩
层
柱
砂页岩层
状
再
生
胶
规则跨落带
结
顶
板
不规则跨落带
岩
层
胶结顶板
柱
状
锚 杆 锚 固 力
巷道剖面长度
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4 工业性试验
4.1 试验巷道工程地质条件 1）309工作面概况
试验巷道为309工作面材料道，煤层：厚度平均为 1.8m，倾角12 °～19°，平均17°。
平均抗 拉强度 /MPa
0.321
0.303
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2200
3000
锚杆布置图 顶板锚杆：水力膨胀锚杆φ32L2000mm或等强度螺 纹钢树脂锚杆φ20L2000mm，螺纹钢锚杆药卷为 K2335、Z2350各1卷；两帮为φ16L1800mm圆钢锚杆， 树脂药卷Z2335两卷。锚杆排距700mm
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锚索布置图
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4.2.2 再生胶结顶板强度
单向抗压强度、变形模量
试样 编号
一
试块 数量
抗压强 度MPa
平均弹 模/GPa
平均泊 松比
3
4.52
0.88
0.308
二
3
4.13
0.79
0.307
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试样编号 一 二
抗拉强度
试块 编号
1 2 3 1 2 3
抗拉强度 /MPa 0.343 0.297 0.323 0.312 0.284 0.313
再生胶结顶板属碎裂结构，碎裂结构岩体的变形和 破坏机理与围压水平密切相关。在低围压条件下，增加 围压可显著提高破碎围岩的残余强度，保持巷道稳定。
与粘结式锚杆相比，水力膨胀锚杆的主要特点是通 过高压充液，使自身扩展，挤压锚孔周边围岩，提高 破碎围岩围压，改善应力状态及力学性能，提高围岩 稳定性，发挥围岩自身承载作用。
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锚固力随充液压力提高而增大。试验表明：充液压力 18MPa时,平均拉拔力100kN以上；25MPa时，平均拉 拔力可达120kN以上。
锚杆拉拔力/kN
140
120
100
80
60
40
20
0
15
17
18
19
20
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充液压力/MPa
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根据水力膨胀锚杆的锚固机理、力学性能分析、 现场对比试验表明，无论软岩还是硬岩，锚杆充液 压力与锚杆拉拔力之间的关系基本一致。锚杆的锚 固力随围岩性质变化不大。因此，只要保持足够的 充液压力，水力膨胀锚杆的锚固性能基本上与围岩 性质无关。这是水力膨胀锚杆优于其它各种锚杆的 重要特性，对于松散、破碎围岩支护尤其重要。
中。由于围岩深部与浅部变形的差异，使杆体与孔 壁之间产生相对位移，通过摩擦力对围岩施加锚固 力来抑制围岩变形。 3）切向锚固力
水力膨胀锚杆切向锚固力由两部分组成，其一是 杆体贯穿弱面，限制围岩沿弱面滑动或张开；另外 在杆体膨胀时，杆体给周围岩体很大的挤压力，沿 杆体切向围岩形成环向压应力区。
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2.2 水力膨胀锚杆的性能
材料道
溜子道
采空区
溜子道
109溜子道
109采空区
309工作面
材料道 材料上山
309溜子道
111采空区
111材料道
311溜子道
311未采区
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20m 36m 309材料道 109材料道
307溜子道 107溜子道
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层厚/m
17.5 2.0 2.8 1.8 0.2～1.5 4.92 1.0 0.5
岩石 名称 砂岩 砂岩 砂页岩
主要内容
1 再生胶结顶板及其巷道矿压显现规律 2 水力膨胀锚杆对再生胶结顶板的支护 3 树脂锚固锚杆对再生胶结顶板的适应性 4 工业性试验
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1 再生胶结顶板及其巷道矿压显现规律
1.1 再生胶结顶板的形成过程
1）初期阶段：再生胶结顶板组成物质的自然“混合 ”
2）中期形成阶段：压力增加、温度上升，混胶结构 体的岩块吸水膨胀、风化、变软或粉化，水分挤出或 蒸发，形成一个半湿干的泥渣石块混合结构层
垂直应力分布
剪切应力分布 8
2水力膨胀式锚杆及其对再生胶 结顶板的支护
2.1 水力膨胀锚杆的锚固力
摩擦式锚固锚杆，锚固力是通过注入高压水，使 杆体与孔壁之间产生径向压力、轴向压力和摩擦力 1）托锚力
水力膨胀锚杆安装时，沿纵向有一定的收缩量， 形成托锚力即预紧力。
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2）粘锚力 锚杆管壁依钻孔形状产生永久层煤
砂页岩
4层煤
岩性描述
灰白色、中粒-粗粒、水平层理、局部含有 砂页岩和页岩呈互层状，砂岩以石英为主， 并含有长石少量的云母 灰绿色、含砂不均、夹砂岩条带。
灰白色、中粒、以石英为主，下部夹页岩块， 含鲕粒 灰色、灰黑色、由砂页岩薄层和煤线迭加而 成。 灰黑色、性脆、易冒落，含植物化石，含砂 不匀。 黑色块状、1、3煤合一，1层煤平均厚度 1.5m，夹矸0～0.2m。 灰色、性脆、含植物化石，含砂不匀，局部 互层状。
伊利石、伊利石/蒙脱石混层及石英，有少量的长石、 菱铁矿、方解石等矿物。
衍 射 强 度 (单 位: 每 秒 脉 冲 数 )
1000 900 800 700 600 500
Q K: 高岭 石 I: 伊 利 石 I/M: 伊 利 石 /蒙 脱 石 混层 Q: 石 英 F: 长石 （少 ） C: 方 解 石 （少 ） S: 菱 铁矿 （少 ） O: 其 它 （少 ）
锚索长6m，排距3.5m，三花眼布置，树脂药卷K2360、 Z2360 各一卷
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4.4 锚索对再生胶结顶板的锚固作用
再生胶结顶板巷道使用锚索支护时，锚索一般锚固 在规则垮落带或移动带内，可以达到加强支护的目的。
如果垮落带与移动带之间存在较大空隙，或者规则 垮落带内部分岩层节理发育。锚索锚固在该位置，锚 固力过低，二次安装锚固力基本达到设计要求。