深部巷道破碎围岩支护技术研究.pdf

科 学 之 友 F d e n d 0 f S c ie n c e A m a le u rs 2 0 0 7 ． ． 0 5 月 囝 1 支护机理 深部巷道破碎围岩支护技术研究 于 刚 山西焦煤集团西山煤矿总公司屯兰矿，山西太原0 3 0 2 0 6 摘要以“ 深部破碎围岩开拓巷道支护技术” 为研究对象， 结合新汶矿区孙村煤矿深部 开采 围岩控制 问题 ， 应 用数值分析方法和现场 实测手段 ， 进 行深部巷道 围岩变形预测、 巷 道 支护技术优化研 究。 关键词深部开采； 破碎 围岩； 开拓巷道； 支护技术 中图分类号 U 4 5 文献标识码A 文章编号1 0 0 0 8 1 3 6 2 o 0 7 O 5 一 O 1 1 7 - 0 3 巷道开挖后之所以发生冒顶、 片帮等现象， 是因为围岩原来 的应力平衡被破坏 ， 造成顶帮岩层的离层松动。 若及时封闭岩面， 防止围岩过分有害松动及原生节理、 裂隙的张开和新的破裂面的 产生， 使围岩避免受到水及风化的影响， 则围岩形成新的应力平 衡 ， 重新达到稳定状态。再加上破裂岩体对围岩的变化具有较强 的敏感性， 故在巷道开挖初期， 微小的支护阻力对巷道的稳定性 都是至关重要的， 所以及时支护是软岩支护的第一条原则。第二 条原则应考虑到锚杆绝大部分只能锚固在直接顶或比较松软的 岩石内， 不能确保“ 悬吊” 作用。应考虑以“ 压缩组合梁” 为主， “ 悬 吊” 作用次之。第三条原则是强化巷帮支护， 控制巷帮失稳破坏， 避免因片帮而加大巷道跨度 ， 给支护带来困难。第四条原则是支 护结构必须对围岩的变形有足够的适应性， 保证即使巷道变形较 大也不会导致支护结构的失稳破坏 ， 锚网喷联合支护基本能达到 这个要求。 第五条原则是在深部破碎围岩支护中要注意底板的变 形控制 。 2 破碎围岩条件下开拓巷道支护优化数值分析 2 ． 1 数值分析模型的围岩 力学参数 本次试样采集包含了深部位置的 2 煤层、 2 煤直接顶和 2 煤层底板。实验室试验包括煤岩的基本物理力学性质测定， 单轴 抗压强度试验、 煤岩的弯曲能量试验、 煤岩的变形试验。 煤岩物理 力学性质测试结果见表 1 。 2 ． 2 支护优化分析模型的建立 根据现有开拓巷道断面设置和深部运输、 通风、 降温等方面 要求， 选择深部水平开拓巷道主要典型断面分析， 巷道净宽 5 ,2 m、 高 4 ．4 m， 断面为直墙半圆拱， 拱径 2 , 6 m， 考虑其影响范围不小于 3 5 倍断面尺寸 ， 取计算区域为宽 2 4 m x高 1 8 m， 将求解区域离 散为四边形网格。将问题简化为平面问题。主要取类似 一 8 0 0 m 开拓巷道遇到的断层破碎带等极难维护区段。 由于巷道开挖时，巷道周边的二次应力会发生重新分布， 加 之上部回采的固定支承压力等动压和留设边界煤柱等的影响， 在 进行此类巷道支护的数值模拟分析研究时，可以按照一般规律， 巷道周边应力考虑 1 I 3 倍的应力集中系数。 巷道计算模型的几何 关系见图 1 ， 模型下边界采用约束位移的位移边界条件 ， 模型的 左右边界均约束 x方向位移， 并施加水平应力 ， 同时在巷道支护 数值分析模型的上下边界施加的垂直应力， 垂直应力集中系数取 为 1 ． 3 。 表 1 2 煤层煤岩物理力学性质 ＼样 别 2 煤层 顷目 ＼ ＼ ＼ 直 接 顶 煤 层 底 板 单轴抗拉强度 I 7 ． 1 4 1 ．O 2 3 ．7 ， MPa I I 1 O ．6 1 ．4 7 抗弯强度 I l 1 ． 8 ， MP a I I 21 ．7 单轴抗压强度 I l 3 3 ． 4 2 9 ． 3 4 0 ． 4 ， MP a I I ] 6 0 ．5 l 7．7 弹性模量 I 3 5 ．O 2 ． 1 l X] 0 3 M P a I I 4 0 ．0 内摩擦角 I 3 9 ． 5 1 8 3 l 。 I I 3 0 2 9 ．5 凝聚力 I 3 2 ． O 1 ． 3 l 1 ． 5 ， MP a I I 4 6 ． 2 3 ． 9 泊松 比 O ． 1 6 X l O 一1 、 2 5 0 0 、 5 0 0 0 ． 2 5 0 1 ． o 0 O 图 1 深部开拓巷道支护数值 分析模型 注 单位 m， 1 0 表示 1 0m 开拓巷道 目前广泛采用的仍以锚网喷 ，或 U型钢可缩棚等 为主。 考虑不同锚杆布置、 锚索支护、 强力金属可缩支架或不同组 合仍是目前主流。为研究不同支护形式深部开拓巷道的稳定性、 收敛位移和变形破坏规律。 破碎围岩条件下开拓巷道围岩不同支 护模型的参数见表 2 。 一 1 1 7 。_ 维普资讯 于刚 深部巷道破碎围岩支护技术研究 表 2 破碎围岩条件下开拓巷道不同支护模型表 序号 模型描述 顶板与帮部支护措施 底板支护措施 1 8 X 2 2 0 0 n l l n 等强度螺纹钢树 帮与顶锚 瞻锚杆， 锚杆间距 7 0 0 m m， 初锚 无 A 1 网喷支护 力不低于8 0 k N ， 压花经纬网， C 2 0 喷射混凝土， 厚度 1 5 0 m m 帮与顶锚 I 8 x 2 2 0 0 m m等强螺纹钢树脂锚 z 根为 1 8 2 2 0 0 m rr 网喷加底 千 ， 锚杆间距7 0 0 m m， 1 快3 中4 药 等强度螺纹钢树脂斜角 A 2 锚杆， 安装角 4 5 。 ， 锚杆 板两斜角 莹 ，初锚力不低于 8 0 k N ， 压花经纬 初锚 力 不 低 于 8 0 k N i 锚杆支护 两 ， 1 2 2 0 喷射混凝土， 厚度 1 5 0 m m 根 l 8 X 2 2 0 0m m等强度螺纹钢树 2根 l 8 x 2 2 0 0 m m 帮顶锚网 日 旨 锚杆， 锚杆间距 7 0 0 ra m， 树脂药 等强度螺纹钢树脂斜 A3 喷加底板 卷 2 8 X 3 3 0 m m， 1快 3中共 4 角锚杆 ， 安装 角 4 5 。 ， 底 5根锚杆 卷全 长锚 固 ，初 锚 固力 不 低 于 板 中部 3根 同规 格树 8 0 k N， 压花经纬 网， C 2 0喷射 混凝 脂锚杆 ， 锚 杆初锚力不 土， 厚度 1 5 0mm 低于 8 O k N ／ 根 帮与顶可 U 3 6型强力可缩 金属支架 或弹 A 4 缩 u型钢 膜、抗 弯模量等参数与之近似 的 工字钢棚 C 2 0喷射混凝 土 ， 厚度 无 支护 1 5 0 m m 2 根 1 8x 2 2 0 0 ／7 ／ ／／ ／ 等 帮顶可缩 强度螺纹钢树脂斜角锚 u型钢加 U 3 6型强力可缩金属 支架 。 C 2 0喷 扦． 安装角 4 5 。 ， 底 板中 A5 底板 5根 射混凝土， 厚 度 1 5 0 m m 部 3根 同规 格树 脂 锚 锚杆支护 杆，锚杆初锚力不低于 ∞ k N ／ 根 帮顶锚 网 ml 8 2 2 0 0 m m等强度螺纹钢树脂销 2根 1 8 X 2 2 0 0 mn r 喷加可缩 扦 ，锚杆间距 7 0 0 m m，树脂药 卷 等强度 螺纹 钢 树 脂斜 A 6 u型钢支 m2 8 x 3 3 0 m m， 1 快 3中共 4 卷全长锚 角锚杆 ， 安装角 4 5 。 ， 底 护加底锚 固， 初锚固力不低于 8 0 k N ， 压花经纬 扳 中部 3根 同规格 树 杆支护 网， C 2 0 喷 射混凝土， 厚度 1 5 0 m m ， 加 瞻锚杆 ， 锚杆初锚力不 U 3 6 强力可缩金属支架 低于 8 0 k N ／ 根 为比较不同支护计算模型，除支护措施的差异外，荷载条 件、 边界条件、 计算初始条件、 计算时步等均相同， 使各模型的变 形与收敛位移趋向稳定状态 计算中达到3 5 0 0 计算时步 。各计 算模型支护形式与巷道收敛变形轮廓线见图 2 。 Al A2 A3 A4 A5 A6 图 2 破碎围岩中开拓巷道支护优化数值 模型与巷道变形轮廓线 图 破碎围岩条件下各支护计算模型的顶底板移近量与两帮收 敛量的比较见表 3 。计算分析表明， 采用不同支护形式顶底板位 移移近量和两帮收敛变形相差很大。采用单纯顶帮锚网喷的支 护措施 如 A1 模型 ， 对于破碎难维护围岩， 即使锚杆有相当大 的锚固力， 由于未对底板做任何加固处理措施 ， 顶底板移近量仍 会超过 1 0 0 0 m m， 同时两帮收敛位移将达到 6 9 2 m m， 显然单纯 锚网喷措施无法维护高地应力下破碎围岩的稳定。 计算分析表明， 高地应力条件破碎围岩维护， 对底板的支护 ～ 1 1 ￡ } - 表 3 破碎围岩条件下各计算模型的顶底板 移近与两帮收敛量比较表 顶板下沉 底臌 顶底板移 两帮移近 序号 模型描述 mm mm 近量 mm 量 n ll l l A l 帮顶锚网喷支护 3 7 5 7 2 l l O 9 6 6 9 2 帮顶锚网喷 A 2 3 6 5 5 3 0 8 9 5 6 8 5 底板两斜角锚杆 A3 顶帮锚 网喷 底板 5 锚杆 3 7 0 3 0 3 6 7 3 6 7 5 ● A 4 顶帮可缩 U型钢支护 2 4 0 1 5 9 0 1 8 3 0 3 5 0 顶帮可缩 u型棚 A 5 2 9 5 3 4 5 6 l 0 9 3 8 底板 5锚杆 顶帮锚网喷 可缩 u型钢 A 6 l 1 3 2 9 3 4 0 6 1 4 9 棚 底板 5锚杆 非常重要。当巷道底角采用斜锚杆的支护措施时， 能从较大程度 减少底臌的发生 如 A 2模型 ， 与 A 1 模 型比较 ， 顶底板移 近量减 少 2 0 0 n l m左右 ； 当巷道底板采用全锚方式 A 3 模型 ， 与Al 模 型比较， 顶底板移近量可以减少 4 2 3 m lT l ， 这表明高应力环境对底 板支护的重要性； 表明底锚杆能较好地控制底臌变形。 3 对深部开拓巷道支护设计及矿压观测的数值研究 3 ． 1 破碎围岩条件下开拓巷道支护设计 通过对破碎围岩不同支护形式的计算、 比较和分析， 系统分 析 了巷道围岩的变形力学机制 、 塑性 区、 拉应力 区的发展、 围岩应 力场的比较等表明 破碎围岩条件下开拓巷道支护设计采用以下 形式能较好解决大变形、 难维护问题。 1 破碎围岩的开拓巷道支护宜采用顶帮锚网喷 底板锚 固的全断面全长锚固方式。 2 必须强调底板锚固的重要性， 它是取代底板反拱， 控制底 臌最经济有效的支护措施。封底的作用不仅在于控制底臌， 也能 在一定程度上减少两帮收敛量， 只有当巷道围岩与支护结构呈相 对稳定， 且没有明显支护薄弱环节的共同承载体系时， 实现支护 结构与围岩的匹配和变形耦合， 才能有效适应并控制巷道围岩收 敛位移， 尽量减少返修。 3 对极破碎围岩区段， 顶帮锚 锚索 网喷 可缩 U型钢棚 底板锚杆是可行的支护方式。但当围岩裂隙发育 尤其在巷道 修复时 ， 对水泥浆液具备良好可注性， 水泥浆液能较好实现劈裂 渗透加固围岩作用时，应考虑采用全断面锚网喷 注浆钳杆 顶板锚索的支护形式， 从控制高地应力围岩流变变形看 ， 其效果 是显著的。 3 ． 2 矿压观测结果 本巷道是 目前协庄矿现有开采最深巷道之一 ， 为监测矿压， 在巷道多处布置了顶板离层仪、 锚杆锚托力测试、 位移测站等多 种测试仪器。测试内容有巷道表面位移测试 2 2 1 9 W2 运输巷的顶底板移近与巷道两帮收敛测试结果分别 见图 3 、 图 4 。 2 2 1 9 W 巷道的顶底板移近量与巷道两帮收敛测试结果表 明， 该巷道的顶底板收敛与巷道两帮移近量较大， 测站 1 分别在 3 5 011 1 1 1 1 、 4 1 0I T I IT I 左右， 测站 2分别在 2 3 0IT I IT I 、 2 8 8 1 1 1 11 1 左右； 从巷 道开掘后经历了 3 个月左右后巷道变形就可以趋向稳定， 在巷道 维普资讯 科 学 之 友 F d e n d o f S c ie n c e A m a te u r 2 0 0 7 - 0 5 月 国 开掘初期 4 0天内巷道变形收敛较快， 随后巷道变形收敛趋向稳 采巷道的围岩稳定。 定， 这表明选择较好的支护措施 ， 完全可以很有效地维护深部回 测站 1 顶底板测试数据图 测站 2顶底板测试数据图 图 3 2 2 1 9 W2 巷 道顶底板移近量 与时间关 系图 t I 电 测站 1 两帮收敛数据图 测站 2两帮收敛数据图 图 4 2 2 1 9 W2 巷道两帮移近量与时间关 系图 S t u d y o f S u p p o r t i n g Te c h n i q u e o f S u r r o u n d i n Br o k e n ’ c k s 。 De e p La n e u r r o u n a 1 5 r o K e n RO C K S i n De e p L a n e Yu Ga n g Ab s t r a c t T a k i n g” s u p p o rt i n g t e c h n i q u e o f s u r r o u n d i n g b r o k e n r o c k s i n d e e p l a n e ”a s o b j e c t ，c o m b i n i n g w i t h t h e b r o k e n r o c k c o n t r o l p r o b l e ms o f d e e p mi n i n g i n S u n c u n Mi n e i n Xi n w e n mi n e a r e a ，t h i s p a p e r d i s c u s s e s t h e t e c h n i c a l i mp r o v e me n t f o r p r e d i c t i o n o f o u t - o f - s h a p e r o c k s i n d e e p l a n e a n d l an e - s u p p o r t i n g b y me an s o f d a t a a n aly s i s an d me asu r e me n t o n t h e s p o t ． Ke y wo r ds de e p mi ni n g ，b r o k e n s urro un di ng r o c k s ，l an e de v e l o pi ng ，s up po rti ng t ec h ni q ue ． 上接第 1 1 6页 依， 但法律“ 钢性” 不强、 制约手段不硬、 处理程序过长。要加大劳 动保障行政管理体制改革力度 ，现有的劳动保障行政管理职能 仍有计划经济的痕迹 ， 管理的主体主要还是城镇职工， 面对农民 工已融人到现代劳动关系的现实 ，劳动保障的管理职能要抓紧 调整延伸到农村劳动力的管理， 管理的对象应当是全体劳动者。 要加强社会保障的宣传， 严格监察 、 执法 ， 提高各级政府依法行 政的水平 ， 提高用人单位依法参保缴费的自觉性， 提高劳动者依 法维权 的意识 。 3 完善社会保障 构建和谐社会 社会保障是社会稳定的“ 安全网” 、 经济运行的“ 调节器” ， 是 构建社会主义和谐社会的重要内容， 对调节收人分配、 促进社会 公平、 扩大国内需求 、 拉动经济增长具有重要作用。建立和完善 社会保障体系， 是国家长治久安、 人民生活幸福 、 经济持续增长 的重要基础。没有健全有效的社会保障， 就没有和谐社会可言， 社会保障已经成为构建和谐社会不可或缺的重要内容。政府应 该加大财政投人来解决社会保险的改革。另外， 社会保障还有更 多的问题在于执法问题，这里主要不是无法可依 ，而是执法不 严， 社会保障法律的强制力不够 ； 甚至在保障执法过程中， 有些 阻力可能还来自个别政府领导，存在着加强劳动执法不利投资 环境的思想观念。因此， 在我国目前的现实情况下， 最有效的、 最 快的机制， 首先要强化各级政府的社会保障工作责任。对此， 各 级政府必须把社会保障事业纳人国民经济和社会发展的总体格 局来落实， 必须把社会保障事业纳人宏观调控体系来调控， 必须 把社会保障事业纳人党政领导班子和领导干部的政绩体系来考 核， 用新的执政理念重视并加强社会保障工作 ， 使社会保障真正 为构建和谐社会提供“ 安全网” 。 没有社会保障， 构建和谐社会就无从谈起。社会保障制度对 于和谐社会建设来说至关重要的， 加快完善社会保障体系， 是全 面推进小康社会建设的一项重要任务。要在邓小平理论和“ 三个 代表” 重要思想的指导下， 坚持从中国基本国情和经济社会发展 的实际出发， 把握社会保障事业发展规律 ， 加快完善中国特色的 社会保障体系， 建立社会保障长效机制， 实现社会保障与经济社 会各项事业协调发展 ， 构建社会主义和谐社会。 S o c i a l Gu a r a n t e e i s t h e Ba s e o f Ha r mo nio u s S o c i e t y Xu J u n q i n g Ab s t r a c t S oci al g u a r a n t e e i s t h e b ase o f h a r mo n i o u s s o c i e t y ．S oci al g u a r a n t e e i s ” s a f e n e t “for s o c i e ty s t e a d i n e s s I t i s t h e “ r e g u l a t o r o f eco n o my ．I t i s an i mp o r t a n t t ask o f t h e w e l l t o d o s o c i e t y c o n s t r u c t i o n ． Ke y wo r d s s o c i al g u a r a n t e e ，p r o mo t i o n ，h a r mo n i o u s s o c i e t y 一1 1 一 一 肿 一 枷 蜘 { 暑 善 ￡ S ．j6】n ■_ 维普资讯