复杂难支护巷道底臌防治技术.pdf

2 0 0 8年第 1 期 煤矿支护 2 9 复杂难支护巷道底臌防治技术 李军 李海亮 [ 1 一淮北矿业集团袁店一矿筹备处，安徽 淮北 2 3 5 1 3 7；2 一中国矿业大学，江苏徐州 2 2 1 0 0 8 ] 摘要针对祁南矿软岩高应力巷道和动压影响剧烈巷道底臌变形量大 ，不能满足 安全生产需要的实际状况，制定 了防治巷道底臌的反底拱 与锚注联合支护方案。采 用该方案后，提高 了支架的抵抗底臌的能力，减小 了底臌量 ，满足 了安全生产的需 要，并获得较好的技术经济效益。 关键词 软岩 锚注支护 底臌反底拱 前言 祁南煤矿地压大、岩石软，巷道底臌现 象较为严重。由于底臌 ，巷道断面缩小 ，通 风风速 提高 ，轨 道阴 阳道 ，运输安 全 间距 小，不能满足使用要求，危及安全生产。此 外 ，由于底 臌 ，水 沟被 挤坏 ，不能 正常 排 水 ，底板在水的浸泡下底臌加剧 。新掘进的 巷道不到一个月就有不同程度的底臌 ，为保 证工程质量和安全生产 ，每月都要对后路进 行卧底整治 。巷道整修工作 占用 了大量的劳 动用工 ，降低 了矿井单进水平 ，浪费了大量 的人力 、物力 、财力。由此可见 ，巷道的底 臌已经严重制约矿井发展 ，底臌防治问题已 成为亟待解决的难题。 1 底臌原因分析 根据对祁南煤矿已掘巷道破坏情况的深 入调查 ，并对 已掌握的地质及技术资料进行 分析，认为祁南煤矿的巷道破坏因素是多方 面的，下面就主要的几个 因素做一分析 。 1 上覆岩层压力大 原岩应力是巷道 围岩变形破坏 的根源。 矿井巷道是在原岩应力作用下开挖的 ，在巷 道开挖 的整个过程中，原岩应力一直对开挖 起作用 。原始地应力包括上覆岩层产生的重 力场应力及地质构造应力两大部分 ，对 于重 力场产生的地应力仅与上覆岩层及其采深有 关 。上覆岩层压力大 ，从而作用在支护结构 上的荷载亦较大 ，当支护结构承受不 了该荷 载作用时，必然产生变形 ，逐渐造成巷道支 护结构的破坏。 2 构造应力大 构造应力则是由长期的地质构造运动产 生的 ，矿井的地质构造越复杂 、越活跃则构 造应力越大 。构造应力对巷道稳定性影响极 大 ，构造应力方向通常受构造方向的影响 ， 在多数情况下 ，构 造应力要 比重 力大 1 ～ 1 ． 5 倍 ，与重力场 比，构造应力很不 稳定 ， 它的参数在时间和空间上有很大差异 ，它的 存在直接决定着巷道的稳定性。 3 受动压影响 受工作 面 回采 引起的强烈 支承压 力作 用，使围岩应力值数倍于原岩应力，当支护 结构承受不 了该荷 载作用 时，必然 产生变 形，造成巷道支护结构的破坏。 4 支护方式与围岩条件不相适应 祁南煤矿巷道曾采用锚、网、喷u 型钢可缩性支架联合支护方式 。因为巷道围 岩变形量大，变形持续时间长，锚、网、喷 支护强度小，不能及时有效地控制巷道围岩 变形，往往导致支护失效破坏，难以使围岩 处于受压状态而形成组合拱结构。u 型钢 可缩性支架是有一定变形能力的被动支护方 维普资讯 3 0 煤矿支护 2 0 0 8 年第 1 期 式 ，当巷道断面 不大 时，U 型钢可缩性 支 架具有一定 的支护强度 ，但 当断面较大 ，巷 道变形量大 ，虽 然采用 2 9 U 型钢 可缩性支 架支护 ，还 往往会 使可缩性 能失效 。在井 下 ，大量采 用 U 型钢 可缩 性 支架 的巷道 ， 在围岩 压力作用 下 ，产 生失稳性 变形 、扭 曲、弯曲和背板压碎断裂现象 ，使巷道不能 满足使用要求 。 5 巷道底板稳定性差 ， 祁南煤矿巷道 的底角和底板普遍没有采 取有效的支护措施 ，因此当巷道 的顶帮压力 较大时 ，造成巷道底板中的应力出现集 中现 象 ，从而使巷道 的底板产生塑性变形、出现 底臌 ，进而直接影响巷道顶帮的稳定 ，产生 顶板下沉 、两帮内挤 ，造成巷道支护结构的 全面破坏。 2底臌防治措施 防治巷道底 臌 ，一般 有 “ 让 ”和 “ 抗” 两种方式 。所谓 “ 让” ，就是通过人 工开切 卸压槽 ，予留卸压空间，减少对支护体的破 坏 ，典型的做 法有巷 中挖沟 和底角深 孔爆 破。对于 “ 让”的策略，不适用于松软、破 碎围岩及具有扩容性和遇水膨胀 的软岩 ，因 为该类岩石即使开切卸压槽也很快会被岩石 的扩容和膨胀挤压密实，起不到卸压的作 用 ，祁南 矿 的 围岩 即为 此类。所谓 “ 抗” ， 就是提高底板及巷道围岩的抗变形能力 ，它 通过改善围岩结构、提高围岩的自 稳性和增 加支护体两个方面来实现。我们常见的封闭 支架 、反底拱 、底板注浆加 固即属此类。 通过 以上分析 ，我们看到大断面软岩巷 道发挥锚杆支护的优势要从提高围岩的强度 和弹性模量，改变围岩 的变形规律人手 ，祁 南煤矿复杂难支护巷道底臌防治采用反底拱 与锚注联合支护体系正是基于这一思路提出 来的。 3 锚注支护机理分析 、一、 由内注浆锚杆为核心所形成的锚注支护 体系，其实质是采用注浆锚杆兼作注浆管使 用 ，一方面通过注浆改变 围岩 的力学性能 ， 另一方面为锚杆提供了可靠的着力基础， 提 高了锚杆 的支护效果。其支护机理主要包括 以下几个方面 ① 采用 注浆锚杆注浆 ，可 以利用浆 液 封堵围岩裂隙，隔绝空气 ，防止 围岩风化 ， 且能防止 围岩被水浸湿而 降低 围岩 的本 身 强度。 ② 注浆后 ，浆液将松散 破碎的围岩胶 结成整体 ，提高了岩体强度 ，实现围岩本身 成为支护结构的一部分 ，与原岩形成一个整 体 ，使巷道保持稳定而不易产生破坏 。 ③ 注浆 后 ，使 得 喷层 壁后 充填 密实 ， 保证荷载能均匀地作用在喷层和支护上 ，避 免出现应力集 中点而首先破坏。 ④ 利用 注浆锚 杆注浆 充填 围岩裂 隙， 配合锚喷支护，可以形成一个多层有效组合 拱 ，即锚 杆压缩 区组 合拱及 浆液扩散加 固 拱 ，从而扩大了支护结构的有效承载范围， 提高了支护结构的整体性和承载能力。 ⑤ 注浆后使得作用在顶板 上的压力能 有效地传递到两帮 ，通过对帮的加固，又能 把荷载传递到底板；同时由于组合拱厚度的 加大 ，这样又能减小作用在底板上的荷载集 中度 ，从而减小底板岩石中的应力 ，减弱底 板 的塑性变形 ，减轻底臌 。底板 的稳定 ，有 助于两帮的稳定 ，在底板及两帮稳定的情况 下 ，又能保持顶板 的稳定。 ⑥ 注浆 加 固后 ，能使端锚锚 杆实 现全 长锚固，从而提高了锚杆的锚 固力和可靠 性 ，保证了支护结构的稳定 ，且注浆锚杆的 本身亦为全长锚固锚杆 ，它们共 同将多层组 合拱连成一体，共同承载，提高了支护结构 的整体性 。 ⑦ 注浆使 支护结构 的断 面尺寸 加大 ， 这样围岩作用在支护结构上的荷载所产生的 弯矩较小 ，这降低了支护结构 中产生的拉应 力和压应力，因此能承受更大的荷载，从而 提高了支护结构的承载能力 ，扩大了支护结 构的适应性 。 维普资讯 2 0 0 8年第 1期 煤矿支护 3 1 4 工程实例 8 2采区五 中车场位于祁南煤 矿井 田西 南部，井下位置在 8 2 采区中下部，拨门于 8 2采 区轨道 上 山，跨过 8 2采 区运输 上 山 两巷道净岩柱设计为 2 ． 6 m ，与 8 2采区回 风上 山贯通 。该 巷 道地 下 标 高 一 5 2 1 ． 4 ～ -- 5 1 4 ． 6 m，位于 7 2 煤层底板下3 0 5 0 m范 围内，巷道穿过岩层岩性以泥岩和细砂岩为 主 ，次为薄层粉砂岩 、砂岩，并穿过一层铝 质泥岩，局部可能见 1 ～2层煤线 。岩层倾 角 6 ～1 0 。 ，平均 7 。 ，局部 为薄层 中粒砂岩 ， 砂岩裂隙较为发育 。8 2采 区五中车场断面 为半 圆拱形 ，净宽 3 ． 4 m，净高 3 ． 3 m，原设 计采用锚、绳、喷支护，锚杆间排距 7 0 0 7 0 0 mm ，纵 横 挂 绳 ，混 凝 土 喷 层 厚 1 0 0 mm 。 该巷道 2 0 0 6年完成施工并投入使用后 ， 由于受动压影响等原因 ，现巷道破坏依然比 较严重 ，破坏主要表现为顶板下沉 、两帮内 挤和底 臌，底 臌量最 大值 达 7 5 0 ～ 1 0 0 0 m。 为了保证车场的正常使用，必须对巷道进行 治理。 4 ． 1 支护方案 修复加固方案为反底拱与锚注联合支护 方案 ，即刷大顶帮至要求尺寸 巷道高度较 设计 值 加 大 1 0 0 mm，宽 度 较设 计 值 加 大 2 0 0 mm后 ，初 喷一层混 凝 土，布 置普通 树脂锚杆 ，纵 、横挂钢丝绳 或钢筋带并 用托盘压紧， 在顶、帮布置注浆锚杆注浆加 固后 ，再对顶板实施锚索加 固，使锚注加固 圈和原岩体紧密结合，在更大范围内形成有 效的支护结构 ，然后复喷混凝土 ，最后砌混 凝土反底拱，再布置注浆锚杆注浆加固后， 用碎石填平 。 4 ． 2 支护参数 普通锚杆采用直径 2 0 mm、长 2 0 0 0 mm 的等强左旋螺纹钢树脂锚杆，问排距为 8 0 0 8 0 0 mm ，每根锚杆用 2卷树脂锚 固剂 卷锚固，锚 固力不小 于 7 0 k N。锚索采用直 径 1 5 ． 2 4 mm、长 5 0 0 0 mm 的钢 绞线 ，用 4 卷树脂锚固剂卷锚固。在巷道拱部与竖直线 夹角 4 5 。 位置左 右 各打 一根 锚索 ，排 距 为 3 ． 2 m。顶帮及底 角注浆锚杆均用无缝 钢管 制作 ，顶 、帮用直径 2 2 mm、长 2 0 5 0 mm 的 注浆锚杆 ，顶 、帮注浆锚 杆间排距 为 1 6 0 0 1 6 0 0 mm ；底 板 用 直 径 2 2 mm 长 1 5 0 0 mm 的 注 浆 锚 杆 ，间 排 距 为 1 2 0 0 1 2 0 0 m m 。喷射混凝土强度等级为 C 2 0 ， 初喷层厚 7 0 mm，复喷层厚 5 0 mm。 注浆材料由普通硅酸盐水泥和添加剂组 成 ，水泥采用 5 2 5 普通硅 酸盐水 泥，添加 剂用量为水泥重量的 4 ～6 。注浆浆液 水灰比为 0 ． 7 1 ～1 1 ；注浆压力为 2 ． 0 ～ 3 ． 0 MP a ，最大注浆压力为 3 ． 0 MP a 。 4 ． 3支护效果分析 为验证巷道修复方案的支护效果 ，选择 一 段采用一般支护的新掘巷道的底臌量进行 观测 比较 ，观测结果见图 1 和图 2。从两图 中可以清楚看到 ① 采用锚 注修 复加 固后 ，巷道 的底臌 量明显减小 ，成功地改变了巷道底板围岩的 力学 性 质，使 巷道 被 动 支 护 变 成 了 主动 支护 。 ② 采用锚注修 复加 固后 ，巷道变形 速 率大幅降低，延长了巷道的修复周期，提高 了生产效率，同时还节约了成本。 ③ 从 图 2中我们看 到，一般 支护下 巷 道底板在掘进大约 2 0 天和 9 0天时底板变形 速率出现峰值，由此可以看出祁南煤矿 8 2 采区五中车场巷道 围岩的破坏规律 巷道刚 掘后 ，围岩没有完全破坏 ，十几天的释压使 得巷道围岩较充分破坏，出现第一个变形速 率峰值；破坏后的巷道围岩在一般支护下应 力重新分布 ，重新具有承载能力 ，在近两月 的风化和水的侵蚀的作用下，围岩再次严重 破坏，导致第二次变形速率高峰出现。 5 效益分析 通过采用反底拱与锚注联合支护方案 ， 维普资讯 3 2 煤矿支护 2 0 0 8 年第 l 期 量 毒 蒯 餐 蜓 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 O 5 1 5 2 5 3 5 5 O 7 O 9 O 1 5 O 观测天 数 d 锚注修复加固后底臌量 一 一般支护底臌 量 图 1 巷道底板位移 比较 6 00 5 00 4 00 3 00 2 0 0 1 O O O 5 1 5 2 5 3 5 5 0 7 0 9 0 1 5 0 观测天数 f d 锚注修复加固后底臌量 一 一 一 般支护底臌量 图 2 巷道底板位移速率比较 增大了巷道支护体的强度 ，减少 了巷道的破 坏现象 。虽然采用该方案一次性修复投入成 本较普通修复方案有所增加 主要是增加了 注浆及反底拱 的材料费用 ，但是 降低 了巷 道的失修率 ，减少了修复次数 ，从而仍然大 大降低了修复成本 。 以 8 2 采区五 中车场修复为例，采用普 通方案进行全断面修复 ，平均每米修复成本 为 3 8 0 0 元 ，采用反底拱与锚注联合支护方 案 ，每米修复成本 5 1 0 0元 ，而采用反底拱 与锚注联合支护每年可减少一次修复 ，则可 节约资金 1 3 0 0元／ m。从理论上说，按照 8 2 采区五中车场 的条件 ，普通支护根本达不到 保证支护强度 的要求 ，减少一次全断面修复 完全 是 有 可 能 的，按 照该 矿 年 修 复 巷 道 2 0 0 0 m 计 算 2 0 0 6年 实 际 全 年 修 复 9 0 0 0 m ，这样 ，修复 巷道 每年节约资金 约 2 6 0万元 。 另外，从安全的角度来说，消除巷道的 安全隐患，避免事故发生，保证了安全生 产 。从生产 的角度来 说，巷道 变形破 坏减 少 ，能够满足使用要求，生产正常有序 ，经 济效益巨大。 参考文献 E 1 3 王卫军 ，侯朝炯 ，冯涛．动压巷道底 臌 E M] ．北 京煤 炭 工 业 出版 社． 2 0 03， 4 ． E 2 ] 李明远 ，王连 国，易恭酞 ，等．软岩 巷道锚 注支护 理论 与实践 [ J ] ．北 京 煤炭工业 出版社，2 0 0 1 ，9 ． [ 3 3 钱鸣高 ，刘听成．矿山压力及其控制 E M] ．徐 州 中 国 矿 业 大 学 出 版 社 ，2 0 0 4 ． E 4 ] 党 冒志．围岩松动圈理论在优化巷道 支护设计中的应 用 E J ] ．煤 炭技术． 2 0 0 4 ， 2 3 1 ． E 5 3 陈庆敏 ，王彩根．极软岩巷道的 “ 高 阻一让压”支护原则 [ J ] ．矿 山压力 与顶板管理 ，1 9 9 8 ， 4 ． E 6 ] 尤春 安．U 型钢可伸缩性 支架 的稳 定性 分析 E J ] ．岩 石力 学 与工程 学 报，2 0 0 2 ，2 l 1 1 ． E 7 ] 刘刚，靖洪文．深井软岩巷道变形和加 固对策 D] ．矿冶工程，2 0 0 5 ，2 5 3 ． 第一作者简介李 军男，1 9 7 2 年出生， 1 9 9 6年毕业于淮南矿业学 院矿山建设专业， 现在淮北矿业集 团公司袁店 一矿筹备 处工 作 ，工程师 。地址 安徽省淮北矿业集团袁 店一矿筹备处，邮编2 3 5 1 3 7 ；联系电话 0 5 6 1 ～4 9 5 9 6 3 0 E ma i l q n k I j 1 6 3 ． c o rn。 收稿 日期 2 0 0 8 --0 1 --2 2 ；责任编辑 黄翔 上接第 3 5页 第一作者简介李建营男，1 9 6 3 年出生， 毕业于河南理工大学，现任郑州煤业集 团公 司裴 沟煤 矿 副 矿 长，高 级 工 程 师。电话 0 3 7 1 6 9 7 3 2 8 8 6 ；手机 1 3 9 3 8 2 6 8 7 5 6 。 收稿 日期 2 O O 7 9 1 8 ；责任编辑陈桂娥 维普资讯