深井高应力软岩回采巷道支护对策.docx

深井高应力软岩回采巷道支护对策 摘要通过对某矿回采巷道支护效果的调查，总结了该矿高应力软岩回采巷道现有支护方式存在的问题，阐述了该矿高应力软岩回采巷道在低围岩状态下的独特变形破坏特征，并且针对该矿井回采巷道提出了具体的支护对策。 关键词高应力；软岩；巷道结构；变形破坏；支护对策 随着浅部煤炭资源的逐渐减少和枯竭，开采深度越来越大，井巷工程的环境地应力水平也越来越高，有些在浅部低应力状态下表现为硬岩特征的岩石，在深部高应力 状态下则表现出大变形、大地压、难支护的软岩特征，成为一类特殊的高应力软岩。如世纪末煤矿开采深度以每年8～12m的速度增加，东部矿井正以每年 10～25m的速度发展。前苏联、德国、英国等主要产煤国的部分或全部矿井目前也都已进入了深部开采，在深部高应力软岩支护上积累了许多宝贵的经验。然 而，直至目前还未能真正形成针对高应力软岩工程地质特征的支护方式。 为此，笔者对某矿井正在服务的回采巷道和正在施工的回采巷道支护状况进行了调研共调查了3个回采工作面和3个掘进工作面，总结了矿井高应力软岩回采巷道支护中目前存在的问题，分析了其变形破坏特点。 1 地质环境特征 某矿东12采区12117工作面回风顺槽工程特性为 1采深大，应力高。该巷道地面标高＋27.5＋27.64m，工作面标高-650-690m，大采深引起的环境地应力的增强，是形成高应力软岩的外在因素。 本文来自-----中国煤炭论坛----- 2岩层软弱破碎。工作面总体为NE向单斜构造，煤岩层产状为20o～60o，∠8o～30o，断层构造和褶曲发育，受构造影响，煤岩层倾角变化大，巷道起伏变化大，岩石破碎。 3瓦斯含量高，由于瓦斯含量较大，掘进时要经常进行钻孔提前抽放，破坏了煤层的稳定性，不利于巷道的维护。 4煤层顶底板砂岩裂隙水与上阶段老空区水耦合作用严重。正常涌水量为3～5m3/h，最大涌水量为10m3/h。 5巷道断面的非对称性。巷道断面为直墙梯形净宽4.0m，中高2.6m。巷道断面高帮底角处要破帮破底，对煤帮维护特别是高帮煤柱的完整性不利。 2 岩体力学性质实验 实验室研究表明，岩石在不同围压下表现出不同的峰后特性，在较低围压下表现为脆性的岩石可以在高围压下转化为延性，当岩石呈延性破坏时，其永久应变通常较 大。根据研究的需求，主要对砂岩、泥岩的物理性质及自然状态以及饱和状态下的力学及变形特性测试，为最终成功进行工程治理提供可靠的依据。表1为岩石物理 一力学性质实验结果。 见表 3 深部高应力软岩回采巷道支护存在的问题 1采用常规的端锚锚杆支护，其所形成的围岩自承圈厚度较小，一般情况，锚固后围岩的自承圈厚度约为600mm，难以抵抗较大的围岩压力。 2采用工字钢棚支护时，初期支架对围岩约束力很小，围岩变形无法控制，松动范围大，后期支架受压后难以承受围岩变形带来的巨大压力，造成棚粱弯曲下沉，棚腿挤出，支护失效，巷道断面快速减小，影响行人、运输、通风等安全。 3由于高应力或构造应力的影响，使得巷道结构首先在较为薄弱的地方出现过量变形、围岩松动和破坏，进而形成破碎区，破碎区的发展导致围岩自承圈破坏。 4 高应力软岩回采巷道围岩变形破坏特点 1巷道变形量大。服务期间观测其巷道两帮移近量达到300～900mm；顶底板移近量为300700mm。 2自稳时间短，初期变形率大。巷道掘进的第1～2d，变形速度少的5～10mm/d，多的达50～100mm/d。动压作用时还会影响自稳时间。 3围岩的四周来压。 4巷道变形的非对称性。巷道高帮变形比低帮变形大，沿空侧比实体侧大；巷道两帮移近速度大于顶板下沉速度。 5对外界扰动的敏感性。高应力软岩巷道一旦受到采动影响时，围岩破坏速度急剧增快、破坏更加严重、破坏区域加大。 5 深井高应力软岩回采巷道支护对策 1强化锚杆支护系统，选择合理的锚杆支护形式。选择高强度、高初锚力、高阻特性的锚杆系统，加强网梁带的强度和刚度，以增强围岩表面约束能力，限制围岩变形破坏破碎区向纵深发展。 2锚固剂选用高性能树脂药卷，采用全长或加长锚固方式，实现深部高应力软岩回采巷道厚壁支护。一是采用全长锚固全螺纹钢等强锚杆，增加围岩自承圈厚 度，实现厚壁支护；二是进行锚索加固，由于锚索长度较大，能够深入到深部较稳定的岩层中，锚索对被加固岩体施加的预紧力高达200kN，限制围岩有害变形 的发展，改善了围岩的受力状态，增加围岩自承圈厚度，实现厚壁支护；三是改变支护结构，在巷道的两底脚增加斜拉锚杆。 3减少围岩的破坏，增大围岩的强度，提高围岩自承能力。巷道帮由于煤体松软，应采取良好的护帮金属格网里加铺塑料网，一方面可以防治片帮，保证锚杆的作用充分发挥，另一方面服务周期加长。 4在构造段适当调整支护参数，加补锚索增强支护强度。 5受煤层倾角影响，当巷道两帮的高差超过700mm时，巷道顶板锚杆应根据顶板的斜长适当增加锚杆根数，巷道两帮锚杆应采用不对称布置，较高的一帮应提高支护等级。 6实施动态设计和动态施工，遵循设计→实施→监测→反馈→改进→总结完善的程序，合理调整设计参数并指导施工。 6 实例分析 针对以上对12117工作面回风顺槽的地质环境特征以及岩石力学变形性质分析，结合矿井实际开采情况得出，该巷道属于深井高应力软岩沿空巷道围岩稳定性控 制问题，关键技术是顶板安全和高帮变形控制。依据高应力软岩回采巷道支护对策，通过试验确定了巷道支护方案和支护参数，如图1所示。 巷道顶板采用5根螺纹钢等强预拉力锚杆和4.0m长M4型钢带、菱形金属网加铺塑料网联合支护，锚杆规格为M22mm2400mm，间距950mm，排 距800mm。在巷道顶板中间位置布置排距1.6m，间距2.0m两套高预应力锚索，钢绞线规格为15.24mm5.1m。巷道高帮采用4根螺纹钢等 强预拉力锚杆和3.0m长M3型钢带、菱形金属网加铺塑料网联合支护，锚杆规格为M22mm2400mm，间距为900mm；排距为800mm；高帮每 隔2排钢带布置两套高预应力桁架系统，钢绞线规格为15.24mm5.1m，桁架梁采用2.8m的M4钢带，桁架孔间距2.6m，上部钢绞线眼深 3.5m，下部眼深3.0m。巷道低帮采用3根螺纹钢等强预拉力锚杆和1.9m长M3型钢带、菱形金属网加铺塑料网联合支护，锚杆规格为 M22mm2200mm，锚杆间距为850mm；排距为800mm。 采用加长锚固方式，每根锚杆用2节Z2353型中速树脂药卷加长锚固，锚索每孔采用1节K2555快速树脂药卷和3节22555中速树脂药卷加长锚固，以保证锚固效果。 7 现场监测设计与分析 根据现场工程实际，对12117工作面顺槽进行了收敛变形监测和顶板离层监测2个部分。巷道变形监测为巷道收敛变形监测，监测内容主要包括顶底板相对移近 量反映垂直变形、两帮相对移近量反映水平变形。顶板离层监测锚固区内5.5m处顶板离层量和2m处顶板离层量。 7.1 变形监测 从2006年7月1日到8月1日，在距离工作面100m处，从里向外分别在回风顺槽顶底板距离巷道中心线500mm偏巷道上帮处，以及巷道两帮距离底板 1200mm处分别在现场布置了6个表面位移收敛监测断面，每天监测1次，获得了6个监测断面的巷道表面位移收敛可靠的数据。回风顺槽由于开采深度较大， 工程地质环境复杂，造成围岩变形也非常复杂。图2分别描述了监测巷道顶一底移近量、帮一帮围岩最大收敛变形统计规律。从图2中可以看出，监测断面距离回采 工作面较远时，巷道顶一底移近量和上下两帮变形量比较小，这时的变形量主要是随时间变化巷道围岩发生的流变而已；当监测断面距离回采工作面较近时，巷道顶 一底移近量和上下两帮变形量比较大，究其原因主要是巷道已经进入采动影响变形阶段，同时，受地质构造和断层以及断层水的在此活动对其施加了不同的藕合作 用，使得巷道围岩收敛变形增大。但是在超前支护的条件下，巷道支护状况良好，在整个回采期间巷道的顶底板最大移近量为391mm，两帮最大移近量为 450mm；巷道的宽度始终保持在3.5m以上。 图2 采动影响阶段巷道表面位移状态 7.2 项板离层监侧 采用LBY-3型顶板离层指示仪对顶板离层进行观测。根据顶板条件从回采工作面向外每30 m安装1个，共安装了3个，安装深度5.5m和2m，监测5.5m和2m离层变化规律，从而为最终有效、合理的支护设计提供科学的参考依据。图3反映了现 场顶板离层监测结果与统计规律。从图3中可以看出，3个顶板离层指示仪反映的顶板离层量随工作面推进至测点一直处于增加趋势，锚固范围02m内的变形量 最大为57mm，0～5.5m深度范围内顶板最大变形量为65mm。 图3 采动影响阶段巷道顶板离层状态 通过对实验巷道围岩变形和顶板离层的监测，说明支护巷道在回采超前支承压力影响范围内有效的控制了围岩的变形破坏。 8 结论 1通过某矿回采巷道支护效果的调研，得出该矿高应力软岩巷道变形破坏特点为巷道动压显现剧烈、巷道围岩变形量大、破坏严重、自稳时间短，初期变形率大、围岩的四周来压、巷道变形的非对称性和对外界扰动的敏感性。 2巷道结构失稳包括巷道围岩结构失稳和支护结构失稳两大方面。支护结构和围岩结构共同构成一个巷道整体系统，相互作用，共同受力。 3以工程实践为倒，确定了合理可行的适合某矿深井高应力沿空回采巷道综合控制技术方案及参数。在整个回采期间在超前支护的条件下，巷道支护状况良好，顶板及帮部尤其是高帮围岩稳定，巷道的宽度始终保持在3.5m以上，保证了巷道的有效使用断面。