深部开采高应力软岩巷道支护技术研究.pdf

第4 8 卷 第5 期 煤炭工程 C OAL E NGI NE ER I NG Vo 1 ． 4 8， No ． 5 do i 1 0 ．1 1 79 9 ／c e 2 01 6 05 01 7 深 部开采高应 力软岩巷道支护技术研 究 丁 自伟 ，吕文玉 ，邱华富 ，马 虎 ’。 1 ．西安科技大学 能源学院，陕西 西安7 1 0 0 5 4 ； 2 ． 教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安7 1 0 0 5 4 摘要 以开滦集团唐山矿软岩条件下 T 4 9 3风道绕道和 T 4 9 3溜子道绕道的支护作 为研 究 对象。通过现场地质详查对软岩巷道的工程地质力学性质进行评价分析，并采用理论分析、数值 模拟相结合的研究方法 ，研究了深部开采软岩巷道高应力环境下巷道的失稳机理，确定 了巷道的 支护参数，保 障了巷道在 开采过程 中的安全性 ，为其他矿井在相似地质条件下的软岩巷道支护提 供 一 定技 术借 鉴 关键词 深部开采 ；高应力；软岩 ；巷道支护 中图分类号T D 3 5 3 ． 6 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 6 0 5 ． 0 0 5 3 ． 0 4 Re s e a r c h o n s u pp o r t i ng t e c hno l o g y o f s o f t r o c k r o a dwa y wi t h hi g h s t r e s s i n de e p mi ni ng D I N G Z i w e i 一 ，L V We n y u ，Q I U H u a f u ，M A H u ， 1 ． S c h o o l o f En e r gy ，Xi “ a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，X i a l l 7 1 0 0 5 4 ，C h i n a ； 2 ． K e y L a b o r a t o r y o f We s t e r n M i n e a n d H a z a r d P r e v e n t i o n ，C h i n a M i n i s t r y o f E d u c a t i o n ，X i “a n S h a a n x i 7 1 0 0 5 4，C h i n a A b s t r a c t T a k i n g t h e s u p p o i n T l 4 9 3 a n d T 1 4 9 3 b y p a s s r o a d w a y s i n s o f t r o c k a s r e s e a r c h o b j e c t ，t h r o u g h i n s i t e g e o l o g i c a l s t r u c t u r e d e t e c t i o n， t h e p a p e r c a r r i e d o u t t h e e v a l u a t i o n a n a l y s i s o f e n g i n e e r i n g g e o me c h a n i c s ． T h e c o m p r e h e n s i v e me t h o d s w e r e a p p l i e d ，c o m b i n i n g t h e o r e t i c a l a n a l y s i s w i t h n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，t o a n a l y z e t h e d i s a b i l i t y me c h a n i s m o f s o f t r o c k r o a d w a y u n d e r h i g h s t r e s s ．A r e a s o n a b l e s u p p o s i n g d e s i g n wa s d e t e r mi n e d t o e n s u r e t h e s a f e t y i n mi ni n g． Ke y wo r d s d e e p mi n i n g ；h i g h s t r e s s ； s o f t r o c k；r o a d wa y s u p p o 随着煤矿井工开采强度和规模 的不断扩大，矿井开采 逐渐向深部推进。深部开采使得地下巷道 围岩所处的应力 状态趋于复杂。进而可能改变岩体的工程地质力学特性 ， 浅部的硬岩在深部高应力环境下会表现出软 岩的力学特 性『 1 ， 。高应力软岩巷道具有来压迅猛 ，围岩变形量大，巷 道四周同时来压和持续流变 ，巷道返修率高等特点。不 同 矿区的高应力巷道支护方式也不一样 ，诸多学者对深部开 采高应力软岩巷道的变形机理及对应的支护方式进行 了分 析研究。何满潮等[ 3 ， 通过对深部开采软岩巷道数值模拟进 行研究 ，认为耦合支护方式可以充分利用深部围岩强度来 实现对围岩的支护；陈炎光等_ 5 ．6 ] 认为软岩巷道中支护阻力 提供围压，影响周边岩体的软化性 ；姜耀东等“ ] 借助数值 模拟手段对软岩巷道锚注支护机理进行研究，认为 “ 外锚 内注”能够使一部分破碎岩体形成一个承载环和锚杆共同 作用李国峰等[ 1 0 ,1 1 借助 F L A C 如再现了巷道原支护破坏过 程，提出 “ 一体化”耦合支护技术。本文以唐山 T 4 9 3矿 风道绕道和溜子绕道为研究对象，对高应力软岩条件下的 巷道应力状态进行分析研究并提出相应的支护措施。 1 工程概 况 唐山矿 T 1 4 9 3风道绕道开 门于 0 0 4 4 里 回风巷往前 1 7 ． 6 5 2 m北侧 ，巷 道断面 4 ． 6 m3 ． 3 m。埋藏深度为 8 1 0～ 收稿 日期 2 0 1 5 - 1 1 一 l 3 基金项 目国家自然科学基金项 目资助 5 1 5 0 4 1 8 3 ；陕西省 自然科学基础研究计划 2 O 1 5 J Q 5 1 3 2 ，2 o 1 5 J Q 5 1 2 1 ；西安 科技大学博士启动基金 2 0 1 4 Q D J 0 3 3 作者简介丁自伟 1 9 8 7 一 ，男，山东临沂人，博士，讲师，主要从事矿山岩石力学、矿山压力与岩层控制等方面的 教学与科研工作，E m a i l z w d i n g 5 1 9 1 6 3 ． e o m。 引用格式丁自伟，吕文玉，邱华 富，等． 深部开采高应力软岩巷道支护技术研究 [ J ] ． 煤炭工程，2 0 1 6 ， 4 8 5 5 3 5 5 ． 5 8 ． 5 3 煤炭工程 2 0 1 6 年第5 期 8 1 9 m。T 1 4 9 3 溜子道绕道开门于 0 0 4 4 里 回风巷往前 1 0 ． 0 m 南侧，巷道断面4 ． 6 rex 3 ． 3 m。巷道平面位置如图 1 所示。 图 1 T 。 4 9 3风道绕道和溜子道绕道平面位置 图 7 9 3 出 生 线 巷道老顶为厚度 1 8 m的浅灰色细砂岩，主要成份石英， 单向抗压强度 R 1 4 4 MP a ；直接顶为厚度 4 ． 1 6 m的泥岩、 泥质粉砂岩互层 ，具有较大膨胀性，单 向抗压强度 R 3 0 M P a ；底板为厚度 4 ． 7 m的深灰色泥岩，单向抗压强度 R 8 0． 4MPa。 2 工程地质力学评价 2 ． 1原岩应 力 测量 选用 K X 一 8 1空芯包体应力计进行原岩应力测量 ，各测 点地应力大小与方向见表 1 。实测地应力分量见表 2 。 可见 ，最大主应力为最大水平主应力 ，中间主应力为 垂直主应力．最小主应力为最小水平主应力 。并且各主应 力值较大，由最大水平应力理论可知，巷道顶、底板的稳 定性主要受水平应力影响，巷道轴向与最大水平应力方向 垂直时，巷道所受水平应力影响最大，巷道最难维护。实 测两测点最大主应力值为 3 0 ． 5 3 3 ． 3 MP a ，方位角 1 3 3 。 ～ 1 4 4 。 ，巷道在深部高应力作用下，最大水平应力的作用会 使得巷道顶底板岩层发生剪切破坏，因此 ，在巷道支护设 计时，应在巷道围岩变形早期阶段进行控制，进而提高围 岩稳定性，以控制后期围岩变形。 表 1 各 测点地应力大小与方向情况 表 2 实测地 应力分量表 MP a 注 地应力分量取地理坐 标系 ，即 x轴指 向东 ，Y轴指 向北 z轴 向上 ；取 压应力 为正 。 2 ． 2 围岩 强度 测试 采用 WQ C Z - I 围岩强度测定装置对围岩强度进行测试， 仪器安装在 T 4 9 3溜子道 ，布置 2个钻孑 L ，顶板钻孔上扬 3 5 。 ，孔深 1 2 ． 6 m；侧帮钻孔上扬 5 。 ，孔深 4 m。由式 1 计 算 ，便可得到该点的岩体单轴抗压强度。 R 。P 叼 1 式中，R 。 为岩体单轴抗压强度，MP a ；P 为岩体临界 强度 ，M P a ；叼为探头系数 ，取 1 ． 3 8 。 测试巷道顶板及侧帮岩体强度测定结果如下 浅灰色 细砂岩单轴抗压强度为 1 3 7 1 5 5 MP a ，平均 1 4 4 MP a ；深灰 色泥岩、砂质泥岩单轴抗压强度为 6 7 ． 6 8 8 ． 3 MP a ，平均抗 压单轴强度为 7 6 M P a 泥岩、泥质粉砂岩互层单轴抗压强 5 4 度为 1 9 ． 3 ～ 4 8 ． 6 MP a ，平均抗压单轴强度为 3 0 M P a 。 围岩强度 测试 结 果表 明，巷道 直 接顶 岩 石强 度 较小 ， 且 由于泥岩 、泥 质粉砂 岩互层 具有 较大 的膨胀 性 ，因此 支 护设计应当加强围岩的整体性 ，设计采用锚网喷支护技术 进行巷道围岩控制。 3 巷道锚网喷支护设计 锚网喷支护技术是 目前高应力软岩巷道支护最为有效 和实用的技术。喷射混凝土能及时封闭围岩和隔离水网 不仅可以支撑锚杆之间的围岩．还能将单一的锚杆连接成 为整体。该支护方式允许围岩有一定的变形，符合对于软 岩一次支护的要求。 T 4 9 3风道绕道采用全断面锚网喷支护，使用 2 2 m mx 2 0 0 0 m m右旋无纵筋螺纹钢等强树脂锚杆 ，间排距 8 0 0 m mx 8 0 0 m m．自底板以上 4 0 0 mm处开始往上呈方形布置，使用 C K 2 8 6 0型锚固剂 网与锚杆同时布置。金属 网片由大于或等于 4 ． 5 m m 钢筋焊接而成，其规格为 1 ． 2 mx1 ． 7 m，预应力铁托板尺寸 为 1 5 0 mm x 1 5 0 m inx 1 0 mm。 煤炭工程 2 0 1 6年第5 期 排水、机修工及瓦检工是否到位 ，否则要停止施工 ③终 孔验收 钻孔施工结束，区队、科室跟班人员现场验收合 格后方可施工下一个钻孔 ，每个钻孔进行挂牌管理。 钻孔施工重点环节控制 钻孔放线由生产科测量技术 员和区队技术员按设计测放钻孔方位及倾角，钻孔方位误 差控制在 1 。 。倾角误差控制在 0 ． 5 。 ；套管固结工艺 5 采 用内返浆循环法注浆 固结套管．使用水泥水玻璃双液浆． 1 6 h后，孔口上好法兰盘、4时闸阀进行扫孔试压。 4 实施效果及创新点 4 ． 1 实施 效果 2 1 2 0 3 切眼探放水专用探水巷迎头钻场按设计要求形成 后 ，通过研究实施上述安全保障技术及管理措施，从 2 0 1 2 年 1 1 月 1 6日开始施工探水巷迎头探放水孔，至 1 2月2 5日 施工完毕探水绕巷探放水钻孔 ，两轮共设计施工 2 l 孔 ，总 放水量 9 9 0 0余 立方米，采空 区水 患彻底消 除，保证 了 2 1 2 0 3 切眼正常掘进贯通，并且由于专用探水巷的存在 ，动 态补给水量通过专用探水巷流出，改善了 2 1 2 0 3综采 面切 眼的安装条件。2 1 2 0 3切眼沿底安装计算多回收煤炭资源 2 万余吨，在保证探放水安全的前提条件下取得了可观的经 济效 益。 4 ． 2创新 点 1 松软厚煤层条件下双巷结合 ，安全、效益兼顾。专 用探水巷沿顶掘进设计保证了探放水安全施工 ，切眼沿底 掘进最大限度回收了煤炭资源。 2 煤巷钻场混凝土浇筑岩巷化。钻场迎头、两帮及地 坪混凝土浇筑硬化实现了煤巷钻场岩巷化 ，保证了钻孔施 工安全基础条件。 3 叠瓦式铁水槽安装使用。叠瓦一体式铁水槽安装使 用确保了排水系统畅通无阻，杜绝了水流渗漏造成的对松 软煤层底板的冲刷毁巷危险。 4 钻孔防喷控水装置。解决了钻孔施工过程中停电等 极端条件下钻孔难于关闭的水量控制难题 。 5 自制无 内出刃导向钻头。方便 了套管施工及后期透 孔等放水管理。 6 创新工作标准。通过对本次探放水工程施工的安全 保障技术、管理手段总结完善，形成了 “ 永锦矿区二 煤层 上山掘进探放老空水工作标准” ，在公司层面进行了推广固 化，指导了公司各矿的探放水设计施工管理。 5结语 通过对 煤矿防治水规定 的深刻解读 ，在云盖山井 田二． 煤松软厚煤层条件下，对 2 1 2 0 3综采面切眼探放采空 区积水工程设计施工进行实践中．成功研究应用煤巷钻场 混凝土浇筑岩巷化、孔 口防喷控水装置、叠瓦一体式铁水 槽及钻孔三验收等一系列技术、管理安全保障措施，确保 了探放水工程顺利施工，取得了显著的安全、经济效益。 参考文献 [ 1 ] 王洪林 ，吴华庭 ，陈国伟 ，等．河南 省禹县 矿区云盖 山井 田 精查地质报告 [ R] ．煤炭部一二九煤 田地质 队 ，1 9 8 3 ． [ 2 ] 武强，赵苏启． 煤矿防治水手册 [ M] ． 北京煤炭工业 出版社 ，2 0 1 3 ． [ 3 ] 国家安全生产监督管理总局 ，国家煤矿安全监察 局．煤矿 防 治水规定 [ M] ． 北京煤炭工业出版社，2 0 0 9 ． [ 4 ] 袁 亮 ，葛世 荣 ，黄 盛 初 ，等．煤 矿 总 工 程 师 技 术 手册 [ M] ．北京 煤炭工业出版社 ，2 0 1 0 ． [ 5 ] 刘文永 ，王新刚．注浆材 料与施 工工 艺 [ M] ．北 京 中国 建材工业出版社， 2 0 0 8 ． 责任编辑 郭继圣 上接第 5 5页 5结论 1 高应力软岩巷道具有变形大 、支护难等特点，是同 时具有多种变形力学机制复合体，围岩强度是巷道稳定性 的首要影响因素。 2 高应力软岩巷道锚网喷支护后，一方面表现在锚固 提高了岩体的完整性 ，增强了岩体强度；另一方面也表现 在锚固活动改变了外载作用下巷道 自由表面附近岩体内的 应力分布状态。 参考文献 [ 1 ] 古德生 ，李夕兵．有色金 属深井采矿 研究现 状与科学前 沿 [ C ]／ ／ 中国有色金属学会．中国有色金属学会第五届学术 年会论文集．2 0 0 3 1 5 ． [ 2 ] 何满潮．软岩巷道工程概论 [ M] ， 徐州中国矿业大学出 版社 ．1 9 9 3 ． [ 3 ] 何满潮，齐干，许云良，等． 深部软岩巷道锚网索耦合 支护设计及施工技术 [ J ] ． 煤炭工程，2 0 0 7 3 3 0 - 3 3 ． 58 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 O ] [ 1 1 ] 孙晓明 ，何满潮．深 部开采 软岩巷道耦合 支护数 值模拟研 究[ J ] ．中国矿业大学学报 ，2 0 0 5 2 3 7 4 O ． 陈炎光 ，陆士 良．中国煤矿巷道 围岩 控制 [ M] ．徐州 中 国矿业大学 出版社 ．1 9 9 4 ． 谢文兵 ，陈玉 华 ，陆士 良．软 岩硐 室 围岩 作 用关 系 分 析 [ J ] ．湖南科技大学学报自然科学版 ，2 0 0 4 2 6 - 9 ． 姜耀东 ，王宏伟 ，赵毅鑫 ，等．极 软岩 回采巷道 互补控 制 支护技 术研 究[ J ] ．岩石 力 学 与 工 程 学 报 ，2 0 0 9 1 2 2 3 8 3 -2 3 9 0． 杨超 ，姜耀东．软岩巷道锚注支护机理 的数值分析 f J ] ． 矿 山压力与顶板管理 ，1 9 9 9 1 1 2 1 5 ． 杨超 ，陆士 良，姜耀东．支护阻力对 不 同岩性 围岩 变形 的控制作用 [ J ] ．中国矿业大学学报， 2 0 0 0 2 1 7 0 1 7 3 ． 李国峰，李占金，唐强达．鹤煤五矿深部软岩巷道变形机 理及控制对策研究 [ J ] ． 煤炭工程，2 0 1 0 ，4 2 1 6 0 - 6 3 ． 李 国峰 ，王炯 ，王福强 ，等．兴安煤 矿深部 高应力 强膨 胀型软岩巷 道 支 护对 策 研 究 [ J ] ．煤 炭 工 程 ，2 0 0 9 ，4 1 责任 编辑张 宝优