爱民温都煤矿软岩巷道支护技术研究及应用.pdf

硕 士 学 位 论 文 硕 士 学 位 论 文 作者姓名作者姓名 宋荣普 指导教师指导教师 张宏伟 教授 申请学位申请学位 工学硕士 学科专业学科专业 采矿工程 研究方向研究方向 矿山压力与矿井动力灾害防治 分类号 TD355 学校代码 10147 UDC 622 密 级 公开 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 爱民温都煤矿软岩巷道支护技术研究及应用 爱民温都煤矿软岩巷道支护技术研究及应用 Study and Application of Soft Rock Roadway Support Technology in Aiminwendu Coal Mine 致 谢 致 谢 首先我要深深感谢我的导师张宏伟教授，本文是在张老师的精心指导和严格要求下完 成的。在研究生期间，张老师提供了宽松与自由的学术研究环境，在学习、生活等多方面 给予了悉心的教导和极大的关怀。在张老师的精心指导下，丰富了我的专业知识，开阔了 视野，更重要的是从他实事求是的工作作风、忘我的工作精神、严谨的治学态度、宽广深 厚的学术功底、平易近人的导师风范和对科学事业的孜孜追求都使我从精神上感受到人生 的价值，受益匪浅，是我终身受益的精神财富。值此论文完成之际，谨向张老师致以最诚 挚的敬意和衷心的感谢 感谢辽宁工程技术大学矿业学院、研究生学院为我提供了良好的学习环境和研究氛 围，感谢地质动力区划研究所李胜教授、宋卫华副教授、韩军副教授、霍丙杰博士、连现 忠师弟等的大力帮助。 同时，在论文完成的过程中，得到了其他各方面的帮助。感谢天地科技股份有限公司、 平庄煤业公司、爱民温都煤矿的领导和技术人员大力支持和帮助，在此特向他们表示感谢 感谢本文所引用参考文献的所有作者们 对在我攻读硕士学位期间所有关心、帮助和支持我的家人、老师、同学和朋友们表示 真挚的感谢和最美好的祝愿。 最后忠心感谢各位专家和学者对本文的评阅和赐教 - I - 摘 要 摘 要 随着煤矿开采深度的增加，软岩巷道支护问题已成为困扰我国煤矿生产建设的重大问 题之一。因此，有必要对软岩巷道的支护技术进行研究。论文以爱民温都煤矿为工程背景， 综合采用理论分析、实验研究、现场测试和数值模拟等方法，对巷道岩石的矿物成分进行 了测试分析，确定了爱民温都煤矿煤岩层为极软强膨胀性煤岩层。在此基础上，根据该矿 所特有的煤岩层特性，对不同的巷道进行了支护设计，通过数值模拟确定了合理的支护设 计方案，确定爱民温都煤矿 3 煤回风大巷采用高预应力锚、网、索、喷配合型钢支架的联 合支护方式；副井空重车线巷道采用锚杆支护后，架设双层 11 ＃矿用工字钢立体桁架；采 用水泥固结式组合大锚索进行注浆。并在现场进行了锚杆、锚索锚固力实验以验证支护设 计的可行性。 关键词支护技术；软岩巷道；支护实验；效果分析 - II - Abstract Abstract With the increase of mining depth, soft rock roadway support in coal mine has become one of the major problems of production and construction in China. Therefore, it is necessary to research supporting technology of soft rock roadway. The Aiminwendu coal mine is taken as engineering background, and the theoretical analysis, experimental study, engineering measurement, numerical simulation and other research s are used to test ang analyze the rock mineral composition of the roadway. It shows that the coal and rock in Aiminwendu coal mine is extremely soft and strongly expansion. On this basis, according to characteristics of coal and rock of the mine, supporting design of different roadway is done. And the reasonable supporting design scheme is determined by using numerical simulation. The supporting for return air roadway of 3 coal in Aiminwendu coal mine is determined as high prestressed anchor, network, cable, sprayed combined with steel frame; The erection of double 11 I steel space truss is taken after supporting with anchor in the auxiliary car line roadway; Using cement consolidation type composite anchor for grouting. Then, the bolt, anchoring force test is carried out to verify the feasibility of the supporting design. Key Wordssupport technology；soft rock roadway；support experiment；effect analysis 目 录 目 录 摘 要 ...........................................................................................................I Abstract............................................................................................................ II 1 绪论 ............................................................................................................ 1 1.1 论文的研究背景及意义 .....................................................................1 1.2 国内外软岩巷道支护理论研究现状 ..................................................1 1.2.1 国外研究现状............................................................................... 2 1.2.2 国内研究现状............................................................................... 2 1.3 软岩巷道支护技术发展现状..............................................................3 1.4 软岩巷道支护技术新发展 .................................................................5 1.5 主要研究内容及技术路线 .................................................................6 1.5.1 主要研究内容............................................................................... 6 1.5.2 技术路线 ...................................................................................... 7 2 矿井概况及岩石矿物成分测试 ................................................................... 8 2.1 矿井概况............................................................................................8 2.1.1 位置及交通................................................................................... 8 2.1.2 井田地质 ...................................................................................... 9 2.1.3 煤层及煤质................................................................................. 11 2.1.4 其它开采技术条件 ..................................................................... 12 2.2 巷道岩石矿物成分测试分析............................................................14 3 锚网索36U 钢联合支护设计................................................................... 22 3.1 锚网索36U 钢联合支护理论 .........................................................22 3.1.1 巷道支护设计方法 ..................................................................... 22 3.1.2 巷道支护形式和参数选择原则................................................... 22 3.1.3 锚杆支护参数选取 ..................................................................... 24 3.2 三煤回风大巷支护设计 ...................................................................27 3.2.1 支护设计 .................................................................................... 27 3.2.2 支护材料技术要求 ..................................................................... 33 3.2.3 施工工艺和安全措施.................................................................. 34 4 柔性桁架支护设计 .................................................................................... 44 4.1 柔性桁架支护理论...........................................................................44 4.1.1 柔性桁架支护的定义.................................................................. 44 4.1.2 柔性桁架支护的力学原理 .......................................................... 44 4.1.3 柔性桁架支护设计 ..................................................................... 44 4.1.4 副井空重车线支护设计.............................................................. 45 4.2 矿压监测..........................................................................................45 4.2.1 矿压监测前的准备工作.............................................................. 46 4.2.2 矿压监测内容和方法.................................................................. 47 5 巷道底板组合锚索注浆技术 ..................................................................... 50 5.1 锚索注浆技术方案设计.................................................................50 5.1.1 注浆技术参数设计 ..................................................................... 50 5.1.2 锚索布置参数设计 ..................................................................... 51 5.2 锚注联合加固施工工艺 ...................................................................51 5.2.1 前期准备工作............................................................................. 51 5.2.2 浅部注浆施工............................................................................. 52 5.2.3 底板组合锚索施工 ..................................................................... 53 5.3 矿压观测..........................................................................................54 5.4 施工组织及安全技术措施 ...............................................................56 5.4.1 锚索施工安全技术措施.............................................................. 56 5.4.2 注浆施工安全技术措施.............................................................. 57 6 巷道支护方案应用及效果分析 ................................................................. 58 6.1 巷道支护方案应用过程分析............................................................58 6.1.1 套修巷道 .................................................................................... 58 6.1.2 新掘巷道 .................................................................................... 58 6.2 巷道破坏情况 ..................................................................................59 6.3 巷道破坏原因分析...........................................................................60 6.3.1 井巷围岩成分原因 ..................................................................... 60 6.3.2 支护强度原因分析 ..................................................................... 61 6.4 锚杆、锚索的锚固力实验及效果分析.............................................62 6.4.1 锚杆锚固力试验 ......................................................................... 62 6.4.2 锚索锚固力试验 ......................................................................... 64 6.4.3 实验结果分析............................................................................. 66 7 结论与展望 ............................................................................................... 67 7.1 主要结论..........................................................................................67 7.2 展望 .................................................................................................68 参 考 文 献................................................................................................... 69 作 者 简 历................................................................................................... 71 学位论文数据集.............................................................................................. 73 1 1 绪论 1 绪论 1.1 论文的研究背景及意义 1.1 论文的研究背景及意义 软岩巷道的矿压控制与围岩支护稳定性是世界矿业和岩石力学的难题之一，也是目前 国内外都给予广泛关注的工程难题之一。近些年来，随着矿业开采条件的日益复杂，所涉 及的工程领域也越来越多。我国的许多矿区，目前都存在着软岩巷道支护困难问题，并成 为影响矿区发展和经济效益的主要因素之一。世界范围内许多国家，如前苏联、德国、澳 大利亚等国家广泛分布着软岩。煤炭系统许多专家在梅河、长广、舒兰、龙口、沈北、淮 南、畔集等矿区，开展了软岩井巷掘进与支护的大量研究，在软岩井巷的矿压显现、掘进 方法、支护技术等方面，都取得了很好的成绩和经验。但就具体的实际应用来看，软岩支 护问题还没有得到根本上的解决，诸多问题还有待于进一步的研究和探讨。 据统计，我国目前煤炭开采每年掘进巷道大约 6000km，其中软岩巷道约占 600km[1]。 由于软岩支护的问题，大约有 100km/a 的软岩巷道需要返修、维护，尤其是近几年来，随 着开采深度的不断加深，“千米井”相继投入使用，深井工程软岩支护问题日益突现。我 国东部地区经济发达，能源需求量大，矿井延深速度快，一些国有重点煤矿主要矿区已开 始转向或即将进入深部开采。随着矿井进入深部开采，应力升高，巷道的支护越来越困难。 巷道在服务期间屡次遭到破坏，反复维修，耗费大量的人力、物力和财力。严重影响了矿 井正常生产和企业的经济发展，是制约煤炭工业进一步发展的技术关键。所以能否解决好 软岩巷道的支护等问题，是我国煤炭开采向纵深发展和安全生产的关键问题之一。目前国 内外许多专家学者致力于该领域的研究，已取得了一些可喜的成果，但还不能满足日益增 长的软岩工程需要，还迫切需要进一步的研究和探索。 爱民温都煤矿设计生产能力为 120 万 t/a，服务年限为 43.2 年。井田含煤地层为白垩 系下统阜新组，岩性以湖相、沼泽相沉积为主，含可采煤层 6 层，即 2-1、2、3、4、5、6 煤层。煤层顶板以泥岩和砂岩为主，胶结性极差，泥岩遇水膨胀剧烈，砂岩揭露后往往形 成流砂，单轴抗压强度在 5MPa 以下，属典型软岩矿井。爱民温都煤矿自建井以来，采取 了多种支护方式对矿井进行支护。但是由于压力大，破坏严重，未取得预期效果，严重影 响了矿井的安全生产。因此，研究软岩巷道的支护技术对于保证矿井的安全高效生产和工 作人员的人身安全具有重要意义。 1.2 国内外软岩巷道支护理论研究现状 1.2 国内外软岩巷道支护理论研究现状 我国煤矿软岩巷道的特点，使得软岩巷道支护问题成为困扰我国煤矿生产建设的重大 2 问题之一。由于软岩巷道支护不当而造成的巨大的返修量不仅造成每年数亿之巨的经济浪 费，而且使整个矿井生产陷于困境，甚至关闭。据不完全统计，“九五”10 个能源建设项 目，有 8 个出现软岩问题平庄红庙、大雁三大矿井、焦作古汉山、鹤壁冷泉、井陉元氏矿、 鸡西荣华矿、铁法三台子二井、龙口柳海矿。全国 30 多个矿区已相继出现软岩问题。由 于软岩问题愈趋严重，直接影响煤矿生产，危及人身安全，因此，关于软岩问题的研究得 到了国内外广泛地关注。 1.2.1 国外研究现状 1.2.1 国外研究现状 巷道工程支护结构理论的发展至今已经有两百多年的历史，它的发展依赖与岩石力学 和土力学的发展。巷道支护理论的核心问题是如何确定支护荷载，也就是围岩压力理论， 这样才能对支护结构进行设计。主要支护理论有以下几种。 1 古典压力理论。20 世纪初发展起来的以海姆A.Haim、郎金W.J.Rankine和金尼 克A.H.Nнии理论[2]为代表的古典压力理论认为作用在支架结构上的压力是其上覆岩层 的质量 γH。其不同之处在于海伦认为侧压系数为 1，郎金根据松散体理论认为是 tan245-φ/2，而金尼克根据弹性理论认为是 μ1-μ，其中 μ、φ、γ 分别表示岩体的泊松比、 内摩擦角和体积质量。 2 坍落拱理论。随着开挖深度的增加，人们发现古典压力理论在许多方面都有不符 合 实 际 之 处 ， 于 是 坍 落 拱 理 论 应 运 而 生 ， 其 代 表 有 太 沙 基 K.Terzaghi 和 普 氏 M.M.Протольяконов理论[3]。坍落拱理论认为坍落拱的高度与地下工程跨度和围岩性质 有关。太沙基认为坍落拱形状为矩形，而普氏则认为坍落拱形状呈抛物线形，坍落拱理论 的最大贡献是提出巷道围岩具有自承能力。 3 新奥法。20 世纪 60 年代，奥地利工程师 L.Vrabcewicz 在总结前人经验的基础上， 提出了一种新的隧道设计施工方法，被称为奥地利隧道新施工方法new austrian tunneling， NATM，简称新奥法[4]。1980 年，奥地利土木工程学会地下空间分会把新奥法定义为在 岩体或土体中设置的使地下空间的周围岩体形成一个中空筒状支撑环结构为目的的设计 施工方法。新奥法的核心是利用围岩的自承作用来支撑隧道，促使围岩本身变为支护结构 的重要组成部分，使围岩与构筑的支护结构共同形成为坚固的支撑环。 1.2.2 国内研究现状 1.2.2 国内研究现状 中国软岩巷道支护系统研究工作开始于 1958 年春，北京西部九龙山向斜北翼安家滩 井田西部近向斜长轴处，木支架大巷遇到灰黑色泥岩，发生强烈底鼓，后改为五节棚支护， 再加底梁均无效，从此提出软岩支护问题。特别是 20 世纪 80 年代以来，提出了很多软岩 3 巷道支护理论。 1 松动圈理论[5]。是由中国矿业大学董方庭教授提出的，其主要内容凡是坚硬围岩 的裸体巷道，其围岩的松动圈都接近于零，此时巷道围岩的弹性变形虽然存在，但并不需 要支护。松动圈越大，收敛变形越大，支护难度越大。因此，支护的目的在于防止围岩松 动圈发展过程中的有害变形。 2 联合支护理论[6-7]。冯豫、陆家梁、郑雨天、朱效嘉教授提出的联合支护技术是在 新奥法的基础上发展起来的，其观点可以概括为对于巷道支护，一味强调支护刚度是不 行的，要先柔后刚，先抗后让，柔让适度，稳定支护。由此发展起来的支护型式有锚网喷、 锚喷网、锚带网架、锚带喷架等联合支护技术。 3 锚喷-弧板支护理论[8-9]。孙均、郑雨天和朱效嘉教授提出的锚喷-弧板支护理论是 对联合支护理论的发展，该理论的要点是对软岩总是强调放压是不行的，放到一定程度， 要坚决顶住，即采用高标号、高强度钢筋混凝土弧板作为联合支护理论先柔后刚的刚性支 护形式，坚决限制和顶住围岩向中空位移。 4 应力控制理论[10]。也称围岩弱化法、泄压法等。该方法起源于前苏联，其基本原 理是通过一定的技术手段改变某些部分围岩的物理力学性质，改变围岩内的应力及能量分 布，认为降低支撑压力区围岩的承载能力，使支撑压力向围岩深部转移，以此来提高围岩 稳定的一种方法。 5 软岩工程力学理论[11-15]。是由何满潮教授运用工程地质学和现代大变形力学相结 合的方法，通过分析软岩变形力学机制，提出了以转化复合型变形力学机制为核心的一种 新的软岩巷道支护理论。 1.3 软岩巷道支护技术发展现状 1.3 软岩巷道支护技术发展现状 软岩本身所具有的大变形力学特性，决定了软岩巷道支护技术的复杂性，单一的支护 形式难以满足软岩巷道工程支护的需要[16-18]。因此，在软岩巷道工程支护技术方面，由过 去单一的支护形式逐步发展为各种多次支护、 联合支护形式， 并形成了各种系列支护技术， 如锚喷、锚网喷、锚喷网架、锚喷网架支护系列技术、钢架支护系列技术、钢筋混凝土支 护系列技术、料石碹支护系列技术、注浆加固系列技术和预应力锚索支护系列技术。但应 用范围最广的仍然是 U 型钢可缩性金属支架支护和锚喷支护。 1 U 型钢可缩性支架支护 德国是 U 型钢支架使用最早、技术上最为成熟的国家。早在 1932 年，德国海因茨曼 公司就研制了 U 型钢可缩性支架，后来得到不断的完善和迅速发展，支护比重很快达到了 90％以上，从井底车场一直到回采工作面，几乎都采用了 U 型钢可缩性支架[17-22]。 4 20 世纪 60 年代初期，我国开滦、淮南等矿务局也使用了 U 型钢可缩金属支架。60 年 代中期发展缓馒，直到 70 年代后期，U 型钢可缩性金属支架才有了较快的发展。在开滦矿 务局，采准巷道基本上使用了可缩性金属支架，支护巷道达 38 万多米。1983 年的比重已 占当年全部掘进巷道支架的 73％。 但是自 20 世纪 80 年代以来，随着矿井开采深度日益增加，软岩巷道也日益增多，此 外， 矿井机械化开采程度提高而引起巷道断面的不断扩大， 由此造成巷道围岩变形量增加， 维护日益困难。为此，不得不采用不断增加金属支架的型钢质量、逐步减小棚距的做法。 不仅使巷道支护费用增加，而且施工、运输更加困难和复杂。 2 锚喷支护 早在 1872 年，英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡，1912 年德国谢列兹 矿最先使用锚枰支护井下隧道，40 年代即开始实验和系统研究锚喷支护，50 年代以来已 经在金属矿山、煤矿、水利及土木工程地下结构物中广泛应用锚喷支护这项新技术。由于 锚喷支护能从根本上改变岩石强度特征，使巷道支护由以前的被动支护变为主动支护，有 着传统外部支撑结构所不具备的技术优势与经济效果，因而在世界各国发展很快[23-25]。 1956 年，我国开始在煤矿岩巷中使用锚杆支护，60 年代在岩巷中试用喷射混凝土支 护，70 年代开始推广光面爆破，配合使用锚杆、喷射混凝土并加金属网的锚网喷联合支护 方式，从而逐步形成了一整套完整的锚喷支护体系。 但在软岩巷道中，仅增加一层金属网仍然不能抵抗强大的变形压力。近些年来，有不 少生产单位在适当增大锚杆长度与锚固力的同时，改单层网喷为双层网喷。取得了一定支 护效果。此外，还进～步发展了锚网喷加钢拱架支护结构、锚喷加可伸缩金属支架结构， 以及进一步在这些支护结构基础上再加上衬砌支护，构成具有“先柔后刚、先让后抗、柔 让适度、稳定支护”特点的混合支护结构”。这种工程实践很有借鉴意义，说明软岩巷道 中锚杆支护能力不足，可以用加筋喷层或增加金属支架来弥补。因此，改进筋网结构、提 高筋网的支撑能力，是发展软岩巷道锚喷支护的有效途径。由此，发展出钢筋网壳锚喷支 护。 3 钢筋网壳锚喷支护 钢筋网壳锚喷支护上是一种特殊的锚网喷支护，它的特点是用一种特殊的钢筋网壳支 架代替普通的钢筋网，它将通常的金属棚子、钢筋梁、架间联结杆等各部分合并为整体， 汲取了地面大跨度网壳结构物的优点，制成一种特殊的钢筋网壳支架，大幅度提高了锚网 喷结构的刚度和支撑能力[26-28]。 构件的两侧为钢筋组成的格构式边框，两端为钢板制作并带有数个螺栓孔的联结板。 以格构式边框及两端钢板为周边，支撑着内部的双层钢筋网。外层钢筋网为弧面，可与巷 5 道表面贴合，内层为拱形网或多跨连续拱形网，并由它对外层钢筋网提供跨内支撑。各种 钢筋又在空间交叉组合，形成了众多小跨度空间拱架，从而使结构整体具有良好的三向稳 定性及较强的承载能力。每架钢筋网壳支架由数榀网壳构件对头拼装、加螺栓联结而成。 支撑外形可为拱形、封闭马蹄形、圆形或梯形等，其外表面贴紧围岩，并将超挖部分填 实，架与架之间互相拼接，不留间隙，可对巷道进行连续支护。支架本身有一定的柔性让 压性能，此外还可以在每架支架的构件接头处嵌入木质或橡胶质垫板，使整架支架在周向 也有一定的可缩性。 对于煤矿软岩巷道，网壳锚喷支护分为初期支护与二次支护两步骤进行施工，初期支 护用厚度 25mm 左右的喷层封闭岩面，必要时安装间距为 0.8m 左右的树脂锚杆，作为工 作面临时支护措施，且可作为钢筋网壳支架的限位补强锚杆，降低了网壳支架柔性，提高 了网壳支架的稳定性。随即连续安设钢筋网壳支架，利用支架自身的柔性逐渐释放一部分 围岩变形。这种钢筋网壳支架具有与普通型钢支架相当的支撑能力，并且是对围岩进行连 续支撑，可有效地阻止围岩松动破坏，并使围岩变形速率减小。完成初次支护后，根据围 岩变形继续显现的程度不同，进行二次支护。如果围岩变形逐渐趋稳，则可在巷道施工完 毕后，复喷厚度 25mm 左右的混凝土将外层钢筋网覆盖，便完成了永久支护。 如果巷道变形仍较强，则不必消极等待变形趋稳，可复喷厚度 100mm 左右的混凝土， 将钢筋网壳支架的各小跨双向钢筋拱壳全部覆盖， 形成网壳配筋衬砌结构， 作为永久支护。 钢筋网壳锚喷支护在我国的发展和应用历史不长，但由于其具有结构合理、施工方便、节 省投资、技术先进、安全可靠等特点，已显现出很强的活力，应用范围在不断扩大。但由 于人们对软岩的变形和破坏机制、网壳锚喷支护机理等仍缺乏系统深入的认识，在一定程 度上限制了网壳锚喷支护技术的发展及进一步推广应用[29-32]。 1.4 软岩巷道支护技术新发展 1.4 软岩巷道支护技术新发展 常规的巷道支护方式不完全适合于软岩，故在常规支护方式的基础上，发展了适合于 软岩的多种支护形式，尽管形式多样，但基本的支护形式有 4 种锚喷支护、可缩性金属支 架支护、石材或混凝土碹体支护及多种支护形式的联合支护[31 ，33-36]。近年来锚杆支护技术 得到了长足发展，为软岩巷道支护的发展创造了条件，形成了适合不同类型软岩巷道的支 护新技术。 1 高应力软岩高预应力强力锚杆组合支护系统。天地科技股份有限公司开采设 计事业部针对深井高应力巷道围岩变形的流变性、扩容性和冲击性，提出高预应力强力锚 杆组合支护系统，其要点为采用高强度锚杆锚索配合由托板、钢带和金属网等构件组成的 高刚度护表结构;施加高预应力达到杆体屈服强度的 50 ，形成主动支护；一次支护既有 6 效控制围岩变形与破坏，避免二次支护和巷道维修，以充分保护和利用围岩的自承能力。 高预应力、强力锚杆支护系统先后应用于新汶、金川等高应力矿区巷道支护中，使巷道支 护状况发生了本质变化，大幅度提高了巷道支护效果和安全程度，实现了巷道支护技术的 新突破。 2 极破碎软岩锚注一体化支护系统。对于极破碎软岩，一般在巷道支护中使用 锚杆支护系统，不能收到良好的支护效果。因为在破碎巷道中，围岩的松动范围较大、岩 体整体强度低，锚固性能差，单纯使用锚杆支护难以使破碎岩块完全处于受压状态而形成 组合拱。要想在软岩巷道中发挥锚杆支护的优势，必须提高围岩的强度和整体性，改善其 可锚性。锚杆和注浆均为巷道支护的基本形式，利用中空锚杆兼作注浆管，外锚内注，实 现锚注一体化是解决破碎软岩巷道支护的新途径。采用注浆锚杆加固，可以利用浆液封堵 围