深部软岩巷道卸压支护技术研究.pdf

第 2 4卷第 2期 2 0 0 9年 6月 矿 业 工 程 研 究 Mi n e r a l E n gin e e r i n g Re s e a r c h V0 1 ． 2 4 No ． 2 J u n ． 2 0 0 9 深部软岩巷道卸压支护技术研究 李达军 湖南湘煤集团牛马司矿业公 司， 湖 南 邵东 4 2 2 8 0 7 摘要 针对深部软岩巷道围岩应力高、 松动范围大、 围岩变形严重的特点， 应用深部巷道 围岩控制“ 内、 外承载结构” 耦合稳定 原理， 分析 了水井头煤矿 一 5 0 0水平 4 1 2下山巷道破坏原因， 提 出了深部软岩巷道卸压支护技术． 该技术采用围岩卸压、 锚梁网喷支护 和 u型钢支护控制外承载结构移动过程， 采用围岩注浆和锚索加强支护促使外承栽结构稳定． 现场支护试验表明该技术能够保证巷 道围岩的长期稳定， 并取得了很好的经济效益． 为同类软岩巷道支护提供了借鉴． 关键词 深部开采； 软岩巷道； 内、 外承栽结构； 卸压； 联合支护 中图分类号 T D3 5 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 4 5 8 7 6 2 0 0 9 0 2 0 0 1 0 0 4 随着煤炭连续的开采 ， 浅、 表部煤炭资源越来越 少 ，目前我国大部分矿井的开采深度已达到 6 0 0 ～ 8 0 0 IT I ， 一部分矿井开采深度 已超过 1 0 0 0 m， 且正 以每年 1 O 一 1 5 IT I 以上的平均速度向深部延伸【 ” ． 由于采深 的加 大 ， 巷道掘进和维护的环境越来越差， 软岩问题更加 突出． 对于深部软岩巷道， 巷道围岩应力升高， 松动范 围扩大 ， 围岩变形 呈现明显 的软化特性 ， 巷道不仅顶 板下沉 ， 而且两帮变形严重 ， 尤其是底臌强烈， 且持续 变形 ， 给巷道 围岩控制带来极大 的困难 ， 一些巷道 的 维护费用达到了掘进费用的 2 3 倍嘲 ， 并且大部分时 间处于修理或待修状态， 不能正常使用． 深部高应力软 岩巷道的围岩控制已成为煤矿开采急待解决的关键 技术问题翻 ． 本文应用深部巷道围岩控制“ 内、 外承载结 构” 耦合原理， 提出了深部软岩巷道卸压支护技术， 并 在水井头煤矿 一 5 0 0 水平 4 1 2 下山巷道成功实施． 1 深部巷道 围岩控制“ 内、 外承载结构” 耦合稳定原理 现场矿压观测表 明， 深部软岩巷道变形具有 以下 特征 1 巷道变形速度快， 变形量大 ， 巷道周边塑性 区范围大， 尤其是两帮和底板岩层 ， 尽管掘出后及时 1 0 支护 ，但 只需 5 ～ 1 5 d两帮连同支护结构一起鼓 出， 难 以限制松动圈初期 的发展 ； 2 岩性对深部巷道围岩变 形具有 明显的影响 ， 到深部后 由于岩性的差异 引起 的 巷道变形的差异强烈地表现出来， 采深对软岩巷道影 响强烈 ； 3 巷道从使用期间维护困难已发展到掘进期 间就维护困难， 掘出后不久就不得不废弃的巷道大量 增加 ； 4 巷道持续变形 、 流变 已成为深井巷道变形 的 主要特征 ， 随着时间的延 续 ， 多数 软岩巷道 围岩变形 不止 ， 直到巷道全封闭． 根据深部软岩巷道上述矿压显现特征，文献[ 7 ， 8 ] 提出了深部巷道围岩控制“ 内、 外承载结构” 耦合原理． 基本观点是 1 “ 内承载结构” 简称内结构 是指锚固体、 注浆体 及支架等巷道支护结构 ； “ 外承载结构” 简称外结构 指巷道围岩应力峰值点附近， 以部分塑性硬化区和软 化区岩体为主体组成的承载结构， 为主承载结构． 在巷 道使用维护过程中， 内、 外结构相互作用、 相互影响， 共 同维护巷道围岩的稳定． 2 油 于深部巷道围岩在高应力作用下形成较大的 破碎 区和塑性 区 ， 并且两 区范 围随时间扩展 ， 相对 而 言 ， 外结构围岩是不稳定的， 应力峰值持续外移 ， 使得 收稿 日期 2 0 0 9 0 4 一 l 1 基金项目 国家自 然科学基金资助项目 5 0 6 7 4 0 4 5 作者简介 李达军 1 9 6 3 一 ， 男 ， 湖南邵东人， 工程师 ， 研究方向 采矿工程． E m a i l 1 3 8 7 4 2 9 6 2 0 9 ．1 o v e 1 6 3 ． c o rn 巷道 围岩持续变形． 因此 ， 深部巷道支护的 目的不能只 是阻止破碎岩体垮落和蠕变变形， 而且还需保证外结 构稳定， 即限制围岩应力峰值的外移． 3 1 当巷道围岩应力较低时 ， 巷道掘出后 ， 围岩经过 短暂的应力调整 ， 形成稳定的外结构． 当巷道位于深部 时， 巷道掘出后 ， 在应力调整过程中， 围岩破碎区、 塑 性区迅速扩大， 外结构迅速外移 远离巷道周边 ， 在外 结构外移的过程中， 若没有内结构来调整应力场并达 到新的平衡， 则外结构将持续外移 ， 直至巷道破坏形 成平衡的应力场为止 ； 但是若内结构过早形成， 围岩 应力场尚处在初期剧烈的调整阶段， 则内结构难以承 受围岩应力场的作用而失稳 ， 达不到调整应力场和缩 小 围岩松动范 围、 维护巷道稳定 的 目的． 因此 ， 内结构 通过围岩应力场影响外结构的形成过程 ， 当内结构在 强度、 支护时间与外结构的形成实现耦合 ， 外结构就 能较早形成， 巷道围岩才能稳定． 4 内、 外结构相互作用过程可以划分为两个阶段， 第一个阶段指内结构保持较高阻力控制外结构的外 移速度； 第二个阶段指内结构促使外结构稳定， 这是 深部巷道围岩稳定性控制的关键 ． 第一个 阶段的支护 原则是“ 及时支护 ， 高阻让压” ， 即支护时机应当尽量 早 ， 支护手段应当增阻快 ， 有较高的支护阻力 ， 又能允 许 围岩发生一定的变形． 第二个阶段的原则是 “ 高强 度、 高刚度支护” ． 2 深部软岩巷道卸压支护技术 2 ． 1 工程背景 湖南湘煤集团牛马司实业有限公司水井头煤矿 一 5 0 0水平 4 1 2下 山埋 深 7 5 0 ～ 8 0 0 I T I ，布置在 Ⅶ煤底 板 ， 主要 围岩岩性为砂质 泥岩 ， 部分泥岩 ． 岩层呈薄层 状， 平均分层厚度小于 8 0 in ／ n ， 岩层倾角较大， 层间粘 结性极差， 各分层裂隙发育．该巷道原支护方案为锚梁 网喷 注浆联合支护．巷道掘进断面为半圆拱形， 宽度 2 ． 8 m， 高 2 ． 4 m； 采用 2 O 0 0 mm 2 0 mm等强螺纹钢 无纵筋锚杆， 间排距 7 0 0 m m 7 0 0 m i ll ， 锚固方式为树 脂锚固， 采用 1 2 I11 1 1“1 钢筋梯子梁 ， 喷层厚度 8 0 1 0 0 m m； 采用高水材料注浆加固， 加固厚度为 3 0 0 0 m m ．巷 道掘进后变形非常严重， 宽度较窄处只有 1 ． 8 m宽， 底 鼓严重处只有 1 ．6 m高， 一般经过 2 个月就须维修， 修 复后仍然有较大变形 ， 导致巷道掘进进度极慢 ， 平均 月推进度不到 2 0 m， 严重制约着矿井的安全和生产． 2 ． 2 原支护失效原 因分析 按深部巷道围岩控制“ 内、 外承载结构” 耦合原理 分析， 锚杆支护虽有及时承载的特点， 但内、 外结构耦 合过程的第一个阶段 ， 由于锚杆支护强度较低 ， 预紧 力较小， 又没有进行 u型钢支护 ， 提供的支护强度较 小， 内结构的承载能力低 ， 且不能及时提供较大的承 载力， 导致外结构向外持续移动 ， 巷道周边的破碎区 和塑性区范围随之加 大 ， 巷道 围岩变形速率大 ； 在第 二个阶段，虽然围岩注浆后提高了内结构承载能力 ， 但提高的幅度仍然不大， 随着围岩变形发展 ， 锚喷层 发生破裂 ， 围岩和高水材料风化使得内结构 承载能力 进一步降低 ， 不能促使外结构稳定．所以， 在原有锚粱 网喷 注浆联合支护方案下， 巷道变形量大． 2 ． 3 卸压支护技术的提出 根据深部巷道围岩控制“ 内、 外承载结构” 耦合原 理， 提出了深部软岩巷道卸压支护新技术．该技术综合 采用了围岩卸压、 锚梁网喷支护、 u型钢支护、 注浆和 锚索加强支护等手段， 其原理如下 1 采用导硐卸压， 促使开巷后集中应力向深部围 岩转移， 而周边围岩应力降低 ， 以便外结构在深部围 岩中逐步形成． 2 采用锚梁网喷支护和 u型钢支架联合支 护 ， 以形成承载能力较强 的内结构 ，又可 以适度让压 ， 控 制外结构向外移动过程， 使外结构离巷道周边距离合 理 ， 塑性区及破碎区范 围较小 ， 围岩变形量较小． 3 通过注浆， 大范围改善围岩的强度参数， 充填围 岩裂隙， 采用锚索加强支护， 进一步提高内结构的强 度和刚度， 促使外结构稳定． 通过上述围岩卸压和联合支护 ，一方面使得外 承载结构到巷道周边的距离比较合理 ， 且能长期稳 定 ， 另一方面使得巷道周边破裂围岩的强度软化和 碎胀 变形 得 到有效 控 制 ， 从 而 ， 实现 巷 道 围岩长 期 稳定 的 目标． 3 工程应用 3 ． 1 导硐卸压及支护参数 3 ． 1 ． 1 导硐几何形状及尺寸 导硐的方位与设计巷道的方位完全一致． 断面采 用半圆拱形， 墙高 1 m， 宽 2 ． 4 m， 如图 l 所示． 3 ． 1 ． 2 导硐 支护 导硐采用锚网喷支护． 采用 L 1 8 0 0 m m， l 8 m m 的圆钢锚杆 ，每根锚杆采用 1 支 L 6 0 0 mm q b 2 3 m m的 树脂药卷锚 固 ， 锚杆间排距为 8 0 0 m m x 8 0 0 mm． 采用 m m的 1 0 0 m m X 1 0 0 m m 网孑 L 铁丝网护帮护顶 ． 全 断面喷射混凝土 3 0 ／／ 2 ／／ ／ 厚．支护断面如图 l 所示． 图 1卸压导硐锚 杆布置示意图 Fi g． 1 S k e t c h ma p o fr oc kb ol t a r r a n ge me nt f or s t r e s s r e l i e f r oa dwa y 3 ． 1 ． 3卸压时间 卸压 时间根 据导硐 开挖支护后 变形破坏情况确 定19 1． 卸压导硐开挖支护后 l 0 ～ 1 5 d内， 围岩收敛变形 速率较快 ， 喷层开裂 ， 岩层中裂隙增多， 应力释放较 快 ， 如 图 2中 O A段所示 ， 1 5 d以后 围岩松动 ， 软弱夹 层破碎流变 ， 如 图 2中 A B段所示 ， 3 5 d以后 围岩变形 减缓 ， 曲线变平 ， 如图 2中 B C段所示， 说明卸压已基 本完成 ， 可以进行扩巷和支护工作． 0 1 5 3 5 j d 图 2卸压导硐 u 曲线图 F i g ． 2 “ 一 t C U I “V e o f s t r e s s r e l i e f r o a d wa y 3 ． 2 巷道支护参数 3 ． 2 ． 1 巷道断面参数 4 1 2 下山断面形状为半圆拱形 ，扩巷后毛断面宽 度为 3 i n ， 墙高 1 ．6 m， 锚喷支护后宽度为 2 ．8 m， U型 钢支护宽度为 2 ．6 i n ．掘进断面尺寸见图3 所示． 3 ． 2 ． 2 锚杆 支护参数 采用 L 2 4 0 0 m m q b 2 0 m m等 强螺 纹钢无 纵筋锚 杆， 问排距为 6 5 0 m m 7 0 0 m m， 如图 3 所示． 采用 2 支 L 6 0 0 m m q b 2 3 m m的树脂药卷加长锚固，巷道顶板和 两帮挂钢丝网和铺设钢筋梯子梁． 3 ． 2 ．3 注浆加固参数 采用水泥单液注浆 ， 水灰 比0 ．8 1 ， 加入水玻璃 3 ％ 体积比 ． 顶板和帮注浆孔深度为 3 0 0 0 m m， 底板注 浆孔深度 2 0 0 0 m m， 直径均为 3 2 ～ 4 2 m m ． 注浆孔排距 1 2 2 0 0 0iT mj n ，间距 1 5 o 0m m，如图 4所示．注浆压力为 l 一 2 M P a ， 根据围岩情况具体确定， 围岩破碎时适当降 低注浆压力， 围岩完整时适当提高注浆压力．一般情况 下对 围岩进行一次注浆 ， 围岩来压严重时 ， 可 以进行 多次注浆． 3 ． 2 ． 4 U 型钢支护参数 采用 U 2 9 型钢支架， 排距 7 0 0 m m ． 3 ． 2 ． 5 锚 索支护参数 锚索孔直径 2 8 m m， 采用锚杆钻机打眼． 锚索采用 l 5 ． 2 47 3 0 0 m m单根钢绞线 ， 锚深 7 0 0 0 mm， 外露 不超过 3 0 0 mm ．每根锚索用 3 支 长 6 0 0 mm的树脂药 卷进行锚 固 ， 其 中 1 支双速药卷 ， 2支中速药 卷 ， 末端 采用 4 0 0 m m的 1 2 槽钢作为托盘．断面上布置 3根 锚索 ， 顶锚索布置在巷道顶板中部， 帮锚索布置在离 巷道底板 1 2 5 0 m m处， 钻孔仰角 2 O 。 ． 锚索间距 2 1 0 0 m m， 即 3 排锚杆 1 排锚索． 3 ．2 ． 6 浇筑巷道底板混凝土及喷射混凝土参数 为保证巷道底板的稳定 ， 同时保证注浆时不从巷 道底板漏浆 ，在巷道底板浇筑厚 2 5 0 3 0 0 m m的混凝 土． 为封闭围岩和保证注浆压力， 对围岩喷射混凝土 ， 初喷厚度 2 0 3 0 m m， 复喷厚度 8 0 1 0 0 mm． 图 3锚杆 布置示意图 F i g ， 3 S ke t c h ma p of r oc kb ol t a r r a ng e m e nt 图 4注浆孔布置示意图 F i g ． 4 S k e t c h ma p o f g r o u t i n g h o l e a r r a n g e me n t 3 ． 3 支护方案的实施及效果 该巷道掘进支护的施工顺序为 导硐掘进_ 十 导硐 支护 巷道掘进 扩巷 挂网 架设 u型钢支架 打 顶锚杆_ 打帮、 底角锚杆_ 喷浆- 浇筑底板混凝土_ 打注浆孔 注浆_ 锚索加强支护_ 复喷及复注浆． 巷道 掘进 扩巷 滞后导硐支护 3 O d左右 ， 扩巷后 立 即铺网 ， 架设 U型钢支架 ， 进行锚梁网喷支护 ， 注浆 滞后锚杆支护施工 8 ～ 1 0 m，锚索加强支护滞后注浆 1 0 d ． 复喷及复注浆根据围岩变形破坏情况确定， 出现 了比较明显的围岩裂隙时及时进行复喷和复注浆． 该巷道 2 0 0 8 年 2月开始施工， 5 个月内完成施工 进度 2 0 0 m ． 整个巷道维护状况良好， 变形最严重处顶 底板收敛 量小于 1 8 0 mm， 两帮收敛量小于 2 0 0 mm． 由 于支护效果好 ， 不需进行翻修 ， 大大提高了掘进施工 进度， 也节约了维修费用． 4 结论 1 深部软岩巷道围岩稳定性控制的关键是促使合 理外结构的形成和稳定． 一般的锚梁网喷 注浆联合 支护不能促使巷道围岩外结构的形成和稳定， 导致巷 道维护失效． 卸压 锚梁网喷 u型钢支架有利于实 现高应力向巷道围岩深部转移， 以便形成合理的外承 载结构， 而注浆 锚索支护则进一步提高了内结构的 强度和刚度， 能够促使外结构稳定． 2 采用卸压和强力支护相结合的方法， 一方面通 过卸压调动了深部围岩的承载能力， 另一方面通过强 力支护促使巷道围岩外结构的形成和稳定， 限制了围 岩松动圈的扩展 ， 减小了破碎软弱围岩 的流变变形速 率， 从而能够保证巷道围岩的长期稳定． 3 采用卸压 锚梁网喷 注浆 u型钢支架 锚 索的联合支护技术， 巷道维护状况大大改善， 降低了 巷道长期维护的成本， 提高了矿井安全生产的效率． 参考文献 [ 1 】1 谢和平． 深部高应力下的资源开采与地下工程机遇与挑战【 c 香山科学会议第 1 7 5 次学术讨论会一深部高应力下的资源开采 与地下工程． 北京 【 s ． n ． 】 ， 2 0 0 1 1 9 ． XI E He p i n g ． Op p o r t u n i t y a n d c h a l l e n g e o f r e s o u r c e mi nin g a n d u n d e r g r o u n d e n g i n e e ri n g u n d e r d e e p h i g h g e o s t r e s s [ C ] ．Xi ang s h a n Ac a d e mi c Co n f e r e n c e Di s c u s s i o n No ． 1 7 5 一 Ba s i c Cr uc i a l Pr o b l e m i n Deep U n d e r g r o u n d S p a c e E x p l o i t a t i o n ．B e ij i n g 【 s ．n ． 】 ，2 0 0 1 1 9 ． i n C h i n e s e 【 2 1 侯朝炯。郭励生， 勾攀峰． 煤巷锚杆支护[ M I ． 徐州 中国矿业大学出版 社． 1 9 9 9 ． HO U C h a 0 j i o n g , GU O L i s h e n g ,G OU P a n f e n g ．R o c k b o l t i n g f o r c o a l rea d w a y [ M] ．X u z h o u C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g and T e c h n o l o g y P r e s s ， 1 9 9 9 ． i n C h i n e s e 【 3 】 李希勇， 孙庆国。 胡兆峰． 深部高应力岩石巷道支护研究与应用Ⅲ． 煤 炭科学技术， 2 0 0 2 ， 3 0 2 1 1 - 1 3 ． L I X i y o n g , S U N Q i n g g u o ， H U Z h a o f e n g ． R e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f h i g h s t r e s s e d r o c k r o a d w a y s u p p o r t in d eep mi n e [ J ] ．C o a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 0 2 ， 3 02 1 1 - 1 3 ． i n C h i n e s e [ 4 J 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 ． CHEN Yan g u a n g , L U S h i l i ang ． S t r a t a con t r o l a r o un d c o a l mi n e r o a d wa y s i n C h i n a [ M] ． X u z h o u C h i n a U n i v e rs i t y o f Mi n i n g and T e c h n o l o gy P r e s s ， 1 9 9 4 ． 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d o n c h a r a c t e r i s t i c s o f d e e p s o ft r o c k r o a d wa y s ， i ． e 。 h i g h e r s u r r o u n d i n g r o c k s t r e s s ， l arg e r l o o s e n i n g s c o p e a n d s e v e r e r d e f o r ma t i o n ， and a c c o r d i n g t o p ri n c i p a l o f i n n e r - o u t e r b e a r i n g s t r u c t u r e s c o u p l i n g s t a b i l i z a t i o n f o r s t r a t a c o n t r o l a r o u n d d e e p r o a d w a y s ， t h e r e a s o n s t h a t t h e 4 1 2 d i p e n t r y d e s t r o y e d a t t h e- 5 0 0 m l e v e l i n S h u i j i n g t o u C o a l Mi n e are an aly z e d ， an d a n e w s u p p o r t t e c h n o l o g y o f d e e p s o f t r o c k r o a d w a y s i s p u t for ward ， w h i c h c o n s i s t s o f s t r e s s r e l i e f a n d s u p p o r t ． T h e t e c h n o l o g y c o n t r o l s t h e mo v i n g p r o c e s s o f t h e o u t e r b e a r i n g s t r u c t u r e w i th s t r e s s - r e l i e f , s h o r c r e t e b o l t a n d U T y p e S t e e l s u p p o rt ，and m a k e s t h e o u t e r b e a r i n g s t r u c t u r e s t abl e t h r o u g h r o c k g r o u t i n g a n d r o c k c a b l e ． T h e s u p p o r t e x p e r i me n t a t i o n s h o w s t h a t t h e s u p p o r t t e c h n o l o g y c a n k e e p s u r r o u n d i n g r o c k aro u n d r o a d w a y s t a b l e for l o n g ，a n d h a s a c h i e v e d g r e a t e c o n o mi c p r o f i t ， p r o v i d i n g an e n g i n e e ri n g r e f e r e n c e for t h e s a n l e s o r t o f s o ft r o c k r o a d wa y ． Ke y wo r d s d e e p mi n i n g ； s o f t r o c k r o a d w a y s ； i n n e r - o u t e r b e a r i n g s t r u c t u r e s ； s t r e s s - r e l i e f ； c o mb i n a t i o n s u p p o rt 1 3