深井高应力动压综放巷道支护技术研究与应用.pdf

第3 3 卷第3 期 2 0 1 3 年0 6 月 矿冶工程 M I N I N GA N Dh I E T A I J ．U R G I C A LE N G 耵q E E R 删G V 0 1 ．3 3 №3 J u n e2 0 1 3 深井高应力动压综放巷道支护技术研究与应用① 范育青1 ，刘玉成1 ，王昌琪1 ，魏艳敏1 ，安华明2 1 ．毕节学院资源与安全T 程学院，贵州毕节5 5 1 7 0 0 ；2 ．北京科技大学土木与环境工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要针对深部综放回采巷道高地应力、高地温、易受采动或构造应力影响、巷道围岩变形大、支护困难等问题，采用高强度、高刚 度、高可靠性和大延伸率的支护材料进行了初步支护设计，并对初步设计模拟结果进行了二次支护设计，确定了合理的支护方案及 参数。现场应用支护效果监测结果表明该支护方案有效控制了巷道变形与破坏，保证了巷道的安全与稳定。 关键词高应力；动压；巷道支护；数值模拟；支护效果监测 中图分类号T D 3 5 3文献标识码A d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 - 6 0 9 9 ．2 0 1 3 ．0 3 ．0 0 5 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 3 0 3 一0 0 1 7 0 4 R e s e a r c ha n dA p p l i c a t i o no fR o a d w a yS u p p o r t i n gT e c h n o l o g y i nF u l l yM e c h a n i z e dC a v i n gM i n i n gi nD e e pD r i f t w i t hl l i g hS t r e s sa n dD y n a m i cP r e s s u r e F A NY u q i n 9 1 ，L I UY u c h e n 9 1 ，W A N GC h a n g q i l ，W E IY a h - r a i n l ，A NH u a m i n g z 1 ．S c h o o lo f R e s o u r c ea n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，B 批U n ／v e r s ／t y ，B 批5 5 1 7 0 0 ，G u i z h o u ，C h i n a ；2 ．S c h o o lo fC i v i l ＆ E n v i r o n m e n tE n g i n e e r i n g ，U n w e r s i t yo fS c i e n c e T e c h n o l o g yB e 讲n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t I nv i e wo fe x i s t i n gp r o b l e m si nr o a d w a yf o rf u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gi nd e e pm i n i n g ，s u c ha sh i s hs t r e s s ，h i s h t e m p e r a t u r ea n ds u s c e p t i b l et om i n i n go rc o n s t r u c t i o ns t r e s s ，s e r i o u sd e f o r m a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c kr e s u l t i n gi nd i f f i c u l t s u p p o r t ，ak i n do fs u p p o r t i n gm a t e r i a lw i t hhJ i g hs t r e n g t h ，h i g hs t i f f n e s sa n dh i g hd u c t i l i t yW a Sa d o p t e di nt h ep r e l i m i n a r y s u p p o r t i n gd e s i g n ．T h es e c o n d a r ys u p p o r t i n gd e s i g nW a sa l s op r e p a r e db a s e dO i lt h es i m u l a t i o nr e s u l t sf r o mp r e l i m i n a r y d e s i g n ，a n dr e a s o n a b l es u p p o r ts c h e m ea n dp a r a m e t e r sw e r ef i n a l l yd e t e r m i n e d ． I tC a nb es e e nf r o mt h em o n i t o r i n g r e s u l to fo n s i t es u p p o r t i n ge f f e c tt h a t ，s u c hs u p p o r ts c h e m ec a r le f f e c t i v e l yc o n t r o lt h ed e f o r m a t i o na n dd e s t r u c t i o no f r o a d w a y ，e n s u r i n gt h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo ft h er o a d w a y ． K e yw o r d s h i g hs t r e s s ；d y n a m i cp r e s s u r e ；r o a d w a ys u p p o r t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s u p p o r t i n ge f f e c tm o n i t o r i n g 近年来，随着综采放顶煤技术的进步和提高，其应 用范围不断扩大，逐渐成为我国煤炭系统实现高产高 效矿井的主要途径之一。随着浅部煤炭资源日趋减 少，我国许多矿井逐渐进入深部煤炭资源开采状 态[ 1 以] 。由于深部巷道易受采动或构造应力的影响， 巷道围岩及支护结构受力情况较为复杂”1 ，常规的支 护手段难以维持巷道围岩的稳定H 1 ，且存在地应力 高、地温高、变形大、支护困难等特点，严重影响矿井安 全生产‘5 6 | 。 本文针对国内某矿一9 6 0m 水平综放首采1 2 0 2 工作面巷道支护问题，开展了深井高应力动压条件下 综放巷道支护技术研究，现场应用支护效果监测结果 表明该支护方案有效控制了巷道变形与破坏，取得了 良好的支护效果。 1 工程概况及影响巷道支护的因素分析 1 ．1 工程概况 1 2 0 2 工作面位于矿井东南部一9 6 0m 水平，主采 煤层为2 4 煤层，平均厚度6 ．2 3m ，设计采用综合机械 化放顶煤采煤工艺，工作面上下顺槽及切眼沿底掘进。 地面平均标高为 4 2 ．5 3m ，工作面平均标高一9 5 0 ．2 5 m ，该工作面煤层起伏变化较小，煤层走向以N W 向为 主，总体趋势东北高、西南低，宽缓褶曲发育，工作面内 有3 条断层，在接近断层施工时对掘进有较大影响，地 ①收稿日期2 0 1 3 4 1 - 2 0 基金项目贵州省科学技术基金资助项目 黔科合J 字[ 2 0 1 2 1 2 0 0 6 号 ；贵州省重点支持学科建设基金资助项目 作者简介范育青 1 9 8 0 一 ，男，江苏灌云人，硕士，讲师，主要从事矿井开采及灾害防治方面的教学与科研。 万方数据 矿冶工程 第3 3 卷 质条件比较复杂；工作面主要充水水源是煤层顶底板 砂岩水、三灰水，类比预测正常涌水量1 0 ～2 5m 3 ／h ， 最大涌水量5 0m 3 ／h ；老顶以中细砂岩为主，大部有粉 砂岩直接顶，局部有泥岩伪顶；煤层底板以泥岩为主， 具膨胀性，煤层顶底板具体情况见表1 。 表12 。煤层顶底扳情况 l 。2 影响巷道支护的因素分析 综放开采具有高产、高效、低耗等优点，但深井综 放开采顺槽沿底掘进留顶煤，巷道支护存在以下影响 因素 1 地应力高。该矿地应力测试结果显示其最大水 平应力为3 5 ．9 0M P a ，对应的垂直应力为2 3 ．7 0M P a ，大 于煤体的强度，由于应力集中效应，巷道周围一定范围 内的次生应力甚至会明显高于某些顶底板岩层的强度， 且断层较多，再加上综放面回采动压的影响，巷道顶板 很容易发生松散、破碎，巷道支护与维护难度要比一般 巷道大得多，具有典型的高应力动压特点。 2 地温高。树脂锚杆通过树脂锚固剂粘结锚杆 和围岩，温度升高，树脂的凝胶时间显著下降o7 | 。掘 进期间现场测得煤岩体温度为4 1 4 3 ℃。 3 淋水大。当顶板淋水增大时，锚杆的锚固力逐 渐下降。根据现场揭露顶板砂岩含水，巷道淋水现象 较普遍且较大。 4 底臌。直接底为厚度1 ．0m 左右的泥岩，泥质 结构，强度低，在高应力和水的作用下，会发生膨胀而 引起底臌。 2 支护设计与数值模拟 2 ．1 初步支护设计 基于巷道支护的影响因素分析，在进行支护方案 设计时，要着眼于高强度支护体系，以充分利用围岩自 承载能力，减小温度、淋水对支护体的影响，提高支护 体的强度和刚度，保证支护结构的稳定；在支护材料选 择上，应采用具备高强度、高刚度、高可靠性和大延伸 率的支护材料，同时要求支护系统各组成部分的参数 和力学性能与高强度锚注支护系统相匹配。结合 1 2 0 2 工作面工程地质条件，初步设计的巷道支护方案 如图1 所示，具体支护参数如下 图1 初步支护方案断面 1 顶板锚杆采用0 2 2m I nx 2 4 0 0I n m 高强度左 旋无纵筋螺纹钢锚杆 破断力达2 7 0k N ，延伸率不低 于2 0 ％ 。间排距8 0 0m mX8 0 0m m ，每孔使用 M S C K 2 3 6 0 和M S K 2 3 6 0 各一块树脂锚固剂，采用u 型 钢带与拱形托盘配合使用，并铺设金属网。顶板锚杆 预紧力不低于1 2 0N m ，设计锚固力1 5 0k N 。 2 顶板锚索采用0 1 7 ．8m i l lx 62 0 0m i l l 高强度 矿用锚索，沿巷道掘进方向距中心线9 0 0m m 对称布 置，每排2 根，排距为16 0 0m m ；每孔使用M S C K 2 3 6 0 一块和M S K 2 3 6 0 两块树脂锚固剂，树脂锚固段设计长 度18 0 0m m ，锚索要求紧跟迎头施工，采用一体化快 速安装，以保持与顶板锚杆同步承载，锚索预紧力不小 于8 0k N ，锚固力不低于1 8 0k N 。 3 U 型钢带钢带的形状采用u 形，避开钻孔，扩 大锚杆的作用范围。钢带将托盘与母材固结在一起， 克服了钢带因钻锚杆孔产生的弱面和因锚杆受力在钢 带中产生应力集中的问题，使钢带与锚杆成为统一的 整体。钢带规格为4 3 0 0m m 1 4 0m mx 4n L r n ，钢带破 断力达2 0 0k N 。 4 帮锚杆采用0 2 0m i l l 20 0 0m m 高强左旋连 续螺纹树脂锚杆 破断强度不低于7 0 0M P a ，延伸率不 低于2 0 ％ ，间排距9 0 0m m 8 0 0m m ，每孔使用一卷 M S C K 2 3 4 0 和一卷M S K 2 3 4 0 树脂锚固剂，护表采用铺 设金属编织菱形网及0 1 0m m 钢筋梯，帮锚杆预紧力 不小于8 0N m ，锚固力不小于1 0 0k N 。 5 锚杆、锚索托盘顶、帮锚杆均配套高承载力拱 型托盘，托盘承载力不低于2 0 0k N ，能与球面螺母配 合，使锚杆杆体能在一定范围内调节与围岩表面的夹 角，锚杆托盘规格为1 2 0m m 1 2 0r a i n 1 0m i l l ；锚索 金属托盘规格0 2 0 0m m 2 0m m 。 万方数据 第3 期范育青等深井高应力动压综放巷道支护技术研究与应用 6 注浆材料注浆材料采用5 2 5 ’水泥，加入8 ％ 添加剂。水灰比为1 1 ．2 2 。 7 注浆添加剂采用A C Z I 型水泥注浆添加剂， 其主要作用是减水、增塑、增强、微膨胀。 8 高应力回采巷道加强巷帮、肩窝及底角的加固 可达到控制巷道底臌的目的。因此，在巷道肩窝及底 角打倾斜长锚杆进行加强支护，其中巷道肩窝顶锚杆 和帮锚杆分别与垂直线及水平线呈1 0 。～1 5 0 ，巷道底 角帮锚杆与水平线呈2 0 0 ～3 0 0 。 9 遇到破碎带时，顶板采用①2 2m m 6 0 0 0m m 树脂端锚螺纹锁紧高强锚注锚索，沿巷道掘进方向距 中心线9 0 0m m 对称布置，每排2 根，排距为16 0 0 m m ，锚索注浆原则上安排在掘进影响阶段过后进行， 按滞后迎头2 5m 实施；巷道两帮在基本支护的基础 上，按五花形布置增加树脂端锚中空注浆锚杆，即将中 空注浆锚杆与高强度全螺纹树脂锚杆隔排布置，树脂 端锚中空注浆锚杆长度为30 0 0m l n ，注浆可与顶板高 强锚注锚索注浆同时进行。 2 ．2 数值模拟 在初步支护设计方案形成之后，根据原岩应力测 量的结果，结合现场地质条件，采用F L A C 5 ．0 有限差 分软件对1 2 0 2 工作面巷道开挖及按初步设计方案支 护后宏观巷围岩应力分布状态、变形特性进行数值模 拟，以掌握围岩变形特征以及巷道支护状况，为完善设 计提供依据。 模拟的范围为巷道中心线两侧各1 0 0m ，巷道底 板以下1 0 0m ，顶板以上2 0 0m 。模拟巷道所在煤层往 上8 层，往下3 层，共1 2 层。建立1 2 0 1 7 2 2 06 4 0 个单元，模拟实际尺寸为2 0 0m 3 0 0m 。煤层倾角取 平均倾角3 。。模型两侧固定戈方向水平移动，模型底 部固定y 方向垂直移动和石方向水平移动。初始模型 体积模量如图2 所示。初始模型建立以后，开挖并．支 护相邻巷道至运行稳定。开挖后巷道围岩应力情况如 图3 4 所示，支护后巷道围岩应力变形情况如图5 ～ 7 所示。 由图3 可以看出，巷道开挖后水平应力在巷道顶、 底板泥岩集中，其中在巷道顶、底板砂岩中的水平应力 集中强度较大，有可能出现底臌现象或底板砂岩应力 集中显现。由图4 可以看出，巷道开挖后其顶底板存 在大范围的垂直应力降低区，垂直应力在巷道两帮集 中，巷帮一侧的应力集中范围约为巷道跨度的2 ．5 倍。 由图5 可以看出，巷道支护后剪切应力在巷道帮 角处集中，也就是说巷道帮角处容易产生破坏，进而破 坏整个支护系统，因此，支护设计要充分考虑巷道帮角 的加固。由图6 7 可以看出，巷道支护后顶板及两帮 位移均超过锚杆长度，需进行二次补强支护。 图2 初始模型体积模量图 图3开挖后巷道围岩水平应力图 图4 开挖后巷道围岩垂直应力图 图5支护后巷道围岩剪切应力图 万方数据 矿冶工程第3 3 卷 图6 支护后巷道围岩垂直位移图 图7 支护后巷道围岩水平位移图 2 ．3 二次支护 二次补强支护采用中2 2m i l l 80 0 0m m 树脂端锚 螺纹锁紧高强锚注锚索，即将高强锚注锚索与高强矿 用锚索隔排布置，间排距l8 0 0m m 16 0 0m m ，每孔使 用M S C K 2 3 6 0 一块和M S K 2 3 6 0 一块树脂锚固剂，树脂 锚固段设计长度12 0 0m m ；锚注锚索配专用托盘，锚 注锚索要求紧跟迎头施工，采用螺纹紧固，以保持与顶 板锚杆同步承载；滞后注浆，滞后距离为2 0 ～2 5m 。 二次支护方案平面如图8 所示。 一l ’1 1’11 1 F lI lIP } ’l -l { I t ，l1 1 r hl 一、I f ’ ，l ’．‘If I ，Ir 奏 ，l ⋯k ，。。【 一『，lL 星 -l 一_ r】～ 一 ．I 】k {i‘I。 ●l．Tr曷 鲁 L } I} k I i ∞t hI ， L d 1 一’ b { ；} b I ；{ 1 m { 10 -I ●-D -1 _ rP 【1p p l 。’P P 【l口 I 十{ lr r i r I ．1 8 0 0。J 一 ‘’ 4 2 ∞ 一 ．．4400 o 初次支护矿用锚索●二次支护高强锚注锚索 图8 二次支护方案平面 3 现场应用支护效果监测 为验证该支护方案的效果，在对1 2 0 2 工作面回采 巷道进行初次支护与二次锚注支护后，采用表面位移 监测法对巷道围岩变形情况进行了实时监测，监测数 据整理后如图9 所示。 暑 暑 ＼ 删 碘 制 士 略 监测时间／d 图9 巷道表面位移监测结果 由图9 可以看出顶底板移近量与两帮移近量基 本同步，说明巷道顶底板及两帮的应力集中基本同步； 在巷道成巷3 0d 内，巷道围岩变形量增长较快，顶底 板最大移近量2 3r f i r e ，两帮最大移近量5 6r t m a ，说明初 次支护阻止了巷道围岩的初期过度大变形；在巷道成 巷3 0d 后，围岩变形速率趋于缓和稳定，变形量明显 得到控制，说明采用高强锚注锚索进行二次支护及时 加固了围岩，提高了围岩的承载能力和稳定性，有效控 制了整个巷道围岩的继续变形与破坏，保证了巷道围 岩与支护结构的长期安全与稳定。 4 结论 1 1 2 0 2 工作面回采巷道具有典型的高应力动压 特点，且存在地温高、淋水大及底臌等问题，在进行支 护方案设计时，采用具备高强度、高刚度、高可靠性和 大延伸率的支护材料进行巷道支护设计，并考虑在遇 到破碎带时的支护设计。 2 采用F L A C 5 ．0 有限差分软件对初步设计支护 方案进行模拟，结果表明巷道开挖后，巷道顶、底板的 水平应力集中强度较大，而垂直应力在巷道两帮集中； 巷道初次支护后，剪切应力在巷道帮角处集中，顶板及 两帮围岩位移超过锚杆长度，难以满足支护要求。 3 根据数值模拟结果对巷道进行了二次补强支 护设计，确定了合理的支护参数。现场应用支护效果 监测结果表明巷道顶底板及两帮的应力集中基本同 步；在巷道成巷3 0d 内，初次支护阻止了巷道围岩的 初期过度大变形，顶底板最大移近量2 3m m ，两帮最大 移近量5 6m m ；在巷道成巷3 0d 后，二次支护及时加 下转第2 3 页 万方数据 第3 期 李伟等中深孔光面爆破技术在岩石巷道掘进中的应用研究 2 3 懦。 炮眼深度炮眼利用率循环进尺炸药单耗雷管单耗 每米巷道炸药消耗量每米巷道雷管消耗量每米巷道炮眼消耗量眼痕率 懊目 ／m ／％／m ／ k g m 一3 ／ 发m 一3 ／ k g m 一1 ／ 发m 一1 ／ m m ～1 ／％ 结果表明，平均炮眼深度由1 ．1 2m 增加到2 ．0 0 r a ，增加了0 ．8 8m ；平均炮眼利用率由原来的8 5 。5 ％ 增加到9 5 ．0 ％，提高了9 ．5 ％；通过这两项提高，大大地 提高了巷道掘进循环进尺，循环进尺增加了0 ．9 4m 。因 此降低了循环次数，减少了辅助作业时间，提高了工效。 炸药单耗和雷管单耗分别降低了0 ．5 3k g ／m 3 和3 ．1 4 发／m 3 ；每米巷道炸药消耗量和每米巷道雷管消耗量 分别降低了1 7 ．8 6k g ／m 和5 0 ．7 发／m 。从而大大地 降低了材料消耗，节约了成本。另一方面，由于炸药使 用量的降低，也降低了爆破对巷道围岩的震动和破坏， 增加了围岩的稳定性。 据不完全统计，试验阶段的周边眼痕率能达到 5 0 ％～8 0 ％。保证了良好的巷道成形，超欠挖量基本 上控制在1 5 0i n l n 以内，光面爆破效果大幅改善，巷道 成型质量明显提高。 3 结论 中深孔爆破和光面爆破技术成功地应用于试验巷 道，与原有施工现场相比，得出了如下结论 1 试验岩巷的平均炮眼利用率提高了9 ．5 ％；平 均单循环进尺增加了0 ．9 4m 。 2 炸药和雷管的单耗分别降低了O ．5 3k g ／m 3 和 3 ．1 4 发／o ；每米巷道的炸药消耗量和雷管消耗量分 别降低了1 7 ．8 6k g ／m 和5 0 ．7 发／m 。 3 周边眼痕率达到了5 0 ％一8 0 ％。 参考文献 [ 1 ] 张少波．我国煤矿中深孔光爆关键技术探讨[ J ] ．煤矿支护，2 0 0 6 1 7 1 4 ． [ 2 ] 赵国彦，张磊，陈志强，等．中深孔爆破效果的非线性预测[ L 矿冶工程，2 0 1 0 ，3 0 2 1 4 ． [ 3 ] 宗琦，张国勇．岩巷掘进中深孔爆破中的掏槽和光爆问题【J ] ． 淮南工业学院学报，2 0 0 1 ，2 1 2 1 8 2 1 ． [ 4 ]张运福．东安矿深孔爆破炸药单耗的确定[ J ] ．矿冶工程，1 9 9 9 ， 1 9 4 6 7 6 8 ． 【5 ] 周传波，范效锋，李政，等．基于爆破漏斗试验的大直径深孔爆 破参数研究[ J ] ．矿冶工程，2 0 0 6 ，2 6 2 9 一1 3 ． [ 6 ]刘广美，王海龙。杨耀文．中深孔反向光面爆破工艺在岩石巷道 中的应用[ J ] ．煤炭技术，2 0 0 8 ，2 7 5 1 0 6 1 0 7 ． 上接第2 0 页 固了围岩，有效控制了整个巷道围岩的继续变形与破 坏，保证了巷道围岩与支护结构的长期安全与稳定。 参考文献 [ 1 ] 孟庆彬，韩立军，乔卫国，等．赵楼矿深部软岩巷道变形破坏机理 及控制技术[ J ] ．采矿与安全工程学报，2 0 1 3 ，3 0 2 1 6 5 1 7 2 ． [ 2 ] 刘朝晖，李泽荃，唐振坤．急倾斜厚煤层综放开采覆岩运动规律 研究[ J ] ．煤炭工程，2 0 1 2 1 0 7 0 7 3 ． [ 3 ] 康红普．煤矿井下应力场类型及相互作用分析[ J ] ．煤炭学报， 2 0 0 8 ，3 3 1 2 1 3 2 9 1 3 3 5 ． [ 4 ]刘泉声，康永水，白运强．顾桥煤矿深井岩巷破碎软弱围岩支护 方法探索[ J ] ．岩土力学，2 0 1 1 ，3 2 1 0 3 0 9 7 3 1 0 4 ． [ 5 ] 李向阳，韩立军，宗义江．深埋软岩巷道破坏机理与控制技术研 究[ J ] ．矿冶工程，2 0 1 2 ，3 2 6 2 1 2 5 ． [ 6 ] 郭子源，赵国彦，彭康．深部高应力软岩巷道开挖与支护围岩 变形的F L A C 3 D 模拟[ J ] ．矿冶工程，2 0 1 2 ，3 2 2 1 8 2 2 ． [ 7 ] 王继勇，郭建明．温度对树脂锚杆锚固剂凝胶时间的影响[ J ] ． 煤炭学报，2 0 0 8 ，3 3 6 6 1 9 6 2 2 ． 万方数据