深部礦井軟巖巷道支護(hù)探究

范忠明，張金山，馬 猛

深部礦井軟巖巷道支護(hù)探究

范忠明1，張金山2，馬 猛2

(1.神華烏海能源 平溝煤礦，內(nèi)蒙古 烏海 016013;2.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

隨著我國礦井開采深度的逐漸增加，深井軟巖巷道越來越多，地應(yīng)力也相應(yīng)增加;同時(shí)也對深部礦井軟巖巷道支護(hù)和維修帶來了不利因素，直接影響著礦井安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。因此，深部礦井軟巖巷道支護(hù)成為礦井亟待解決的問題之一。通過分析軟巖巷道的特性，影響巷道圍巖穩(wěn)定性的因素，深部礦井軟巖巷道礦壓顯現(xiàn)的特點(diǎn)和軟巖巷道的支護(hù)原則，對支護(hù)方法進(jìn)行探究。

軟巖巷道;支護(hù)原理;復(fù)合支護(hù)

深部礦井的軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性問題是我國深部礦井煤炭開采所面臨的難題之一，能否有效地解決好深部礦井軟巖巷道的支護(hù)問題，是煤礦安全生產(chǎn)和取得良好經(jīng)濟(jì)效益，保證國家主體后備能源供給的關(guān)鍵。目前，從我國深部礦井軟巖支護(hù)現(xiàn)狀和前景來看，可縮性金屬支架結(jié)合錨注支護(hù)的復(fù)合型支護(hù)無疑將有良好的發(fā)展研究價(jià)值。

1 軟巖的分類及特性

根據(jù)軟巖的強(qiáng)度特性、結(jié)構(gòu)面特點(diǎn)、泥質(zhì)含量等的不同及其發(fā)生顯著塑性變形的機(jī)理不同，工程中軟巖分為四大類，即高應(yīng)力軟巖、膨脹性軟巖、節(jié)理化軟巖和復(fù)合型軟巖。

軟巖的力學(xué)屬性表現(xiàn)為膨脹、可塑、崩解、流變和易擾動(dòng)等特性［1］。

2 影響巷道穩(wěn)定性因素分析

2.1 圍巖強(qiáng)度對巷道穩(wěn)定性的影響

圍巖強(qiáng)度是影響圍巖穩(wěn)定性的重要因素之一，圍巖強(qiáng)度越大，也就是巷道巖體內(nèi)部的凝聚力和內(nèi)摩擦角越大，巖體內(nèi)部巖塊相對位移的阻力也就越大，從而保障了巷道圍巖的穩(wěn)定性;相反，圍巖強(qiáng)度愈小，巷道圍巖的穩(wěn)定性愈差。

2.2 礦井深度對巷道穩(wěn)定性的影響

礦井的開采深度越大，其巖體的原巖應(yīng)力也對應(yīng)增大，原巖應(yīng)力包括自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力等;自重應(yīng)力和礦井深度直接相關(guān)、和礦井深度成正比關(guān)系。構(gòu)造應(yīng)力就是構(gòu)造殘余的應(yīng)力，當(dāng)開采深度比較大時(shí)，就會(huì)引起構(gòu)造應(yīng)力釋放比較困難，再加上原巖應(yīng)力過大，可導(dǎo)致礦山壓力顯現(xiàn)劇烈，巷道圍巖穩(wěn)定性受到影響。

2.3 其他因素對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響

1)井下爆破：井下爆破工作產(chǎn)生的巨大震動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致原巖應(yīng)力狀態(tài)重新分布，影響巷道穩(wěn)定性。

2)水的因素：巷道圍巖有淋水現(xiàn)象，水的侵蝕使巖石軟化和膨脹，導(dǎo)致巷道變形急劇增長。

3 深部礦井軟巖巷道的礦壓顯現(xiàn)特征

1)巷道圍巖變形量大且變形快速，主要表現(xiàn)為底鼓，頂板下沉。

2)煤礦采深越大，開采影響波及范圍也就越大。

3)支柱的變形與折損，隨著頂板的下沉，巷道支護(hù)物受載也逐漸增加，一般能用肉眼觀察到木柱帽的變形，劇烈時(shí)可以觀察到支柱的折損。

4)頂板容易破碎，常常發(fā)生局部冒頂，工作面頂板沿煤壁切落等礦山壓力現(xiàn)象。

4 控制深部礦井軟巖穩(wěn)定性的機(jī)理

對于受采礦擾動(dòng)影響比較明顯和開采深度大的軟巖巷道，軟巖巷道的圍巖容易破碎、變形、出現(xiàn)底鼓的實(shí)際情況，目前，采用錨網(wǎng)支護(hù)，已經(jīng)不能有效地保證巷道圍巖的穩(wěn)定性，鑒于安全生產(chǎn)與保證工程質(zhì)量，需要探索支護(hù)深部礦井軟巖巷道的方法，以保證深部軟巖巷道有較好的穩(wěn)定效果。實(shí)踐表明：可縮性金屬支架結(jié)合錨注支護(hù)的復(fù)合型支護(hù)方式可以很好地解決軟巖巷道穩(wěn)定性維護(hù)的問題，即采用錨桿控制軟巖巷道中的破碎圍巖體，盡量使圍巖體保持形狀較大的整體，用來提高圍巖的強(qiáng)度、力學(xué)性能與增加巖體間的相互鉸合的能力;再通過具有可縮性的金屬支架來阻止圍巖體變形或者移近等現(xiàn)象，達(dá)到維持巷道斷面積與形狀，滿足巷道設(shè)計(jì)的要求;最后通過實(shí)施注漿技術(shù)，促使松散破碎的圍巖體進(jìn)一步形成較為穩(wěn)定的整體，力學(xué)性能進(jìn)一步提高［2］。

5 深部礦井軟巖巷道圍巖支護(hù)的技術(shù)方案

有關(guān)專家提出利用可縮性金屬支架結(jié)合錨注支護(hù)的復(fù)合型支護(hù)方式對深部礦井軟巖巷道進(jìn)行控制;向幫底、巷道兩幫、頂板處打錨桿加固→手刨巷道壁進(jìn)而架設(shè)可縮性金屬U型鋼棚→打注漿孔、向圍巖內(nèi)部注入硫酸鹽砂漿或者煤礦安全用高分子化學(xué)注漿材料(馬麗散、羅克休、艾格勞尼等)→達(dá)到控制和加固軟巖巷道的作用。

5.1 錨桿支護(hù)加固

在深部礦井開拓軟巖巷道時(shí)，其圍巖穩(wěn)定性遭到破壞。利用合理的錨桿支護(hù)可以將破碎的圍巖體錨固成多個(gè)錐形整體，它們相互摩擦、相互鉸合、相互擠壓，進(jìn)而使開拓的巷道周邊形成一個(gè)個(gè)整體。在破碎巖石相互摩擦、相互鉸合、相互擠壓的過程中，由于破碎巖石多含有裂隙，其變形性能較大，可以釋放部分礦山壓力。其釋放壓力強(qiáng)度幾乎與原巖體的強(qiáng)度接近，中國礦業(yè)大學(xué)董房庭教授試驗(yàn)結(jié)果表明：錨桿對破碎圍巖加固后，圍巖體的強(qiáng)度可達(dá)原強(qiáng)度的94%以上。

5.2 可縮性金屬U型鋼棚加固

深部礦井軟巖巷道受上覆巖層自重應(yīng)力和原巖應(yīng)力的影響，經(jīng)開拓影響后，不僅會(huì)出現(xiàn)頂板下沉量大、下沉速度快，巷道兩幫移近量大，而且巷道底板可能會(huì)鼓起。這種情況下，可采用可縮U型鋼棚加固巷道，因?yàn)閁型鋼棚有足夠的可縮量，也能滿足不同的可縮方向的要求，另外有較好的增阻速度及支護(hù)阻力，可以形成具有高支撐力和整體性的先柔后剛的支護(hù)體系，能適應(yīng)沿空留巷的要求。

5.3 注漿加固

5.3.1 注漿原理

軟巖巷道中圍巖的強(qiáng)度和變形主要由弱面控制，因弱面的強(qiáng)度及彈性模量均較低，所以巷道圍巖變形量大，維護(hù)困難。注漿可以將松散的巖石膠結(jié)成整體，提高巖體的內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角，以加強(qiáng)巖體的力學(xué)性能。注漿能封閉巖石自身，不但可以防止軟巖風(fēng)化和吸水軟化，也將巖體強(qiáng)度大大增強(qiáng)，達(dá)到提高圍巖的承載能力的目的。

5.3.2 注漿量及注漿時(shí)間確定

由于圍巖巖體的裂隙發(fā)育不同和圍巖巖體受擾動(dòng)范圍的不均勻性，圍巖巖體吸漿量也有較大的差異，通常情況下以不發(fā)生大量跑漿為注漿時(shí)間。為了能夠有效防止?jié){液在注漿壓力的作用下可能沿圍巖體弱面擴(kuò)散，造成漏漿、竄液等現(xiàn)象的發(fā)生。注漿過程中在控制注漿量和注漿壓力的情況下，也要適當(dāng)控制注漿的時(shí)間，在一般情況下注漿的時(shí)間不能過長［3］。軟巖巷道的圍巖巖體裂隙不發(fā)育或發(fā)育程度低將導(dǎo)致注漿速度慢和注漿漿液擴(kuò)散更困難等問題，為了達(dá)到近似理想的注漿效果，必須改進(jìn)注漿壓力、注漿時(shí)間延長。

5.3.3 注漿工藝

注漿工藝在一定程度上影響巷道圍巖注漿加固的質(zhì)量。工序過程如下：

1)打孔：根據(jù)巷道圍巖體的周邊因素與具體工程情況，按照注漿設(shè)計(jì)的打孔參數(shù)，采用錨桿鉆機(jī)打注漿孔。

2)封孔：封孔質(zhì)量是保證注漿壓力的關(guān)鍵，注漿時(shí)一般采用膠管封孔器封孔。

3)注漿：在保證封孔安全可靠的情況下進(jìn)行注漿，注漿順序?yàn)榈装濉鷥蓭汀敯濉?/p>

4)管路清洗：應(yīng)吸入清水對注漿泵和注漿管路進(jìn)行清洗，防止因漿液凝結(jié)導(dǎo)致堵塞注漿泵和注漿管［4］。

6 研究結(jié)果

實(shí)踐表明，礦井深部軟巖巷道通過可縮性金屬支架結(jié)合錨注支護(hù)的復(fù)合型支護(hù)之后，巷道變形量顯著降低，巷道兩幫的移近速度明顯放緩，底鼓也得到了有效的控制，頂板下沉速度大大減緩。圍巖變形基本得到了控制，保證了礦井安全生產(chǎn)的需要。

7 結(jié)語

1)“可縮性金屬支架結(jié)合錨注支護(hù)”的復(fù)合型支護(hù)思路是從加固圍巖體的角度出發(fā)，有效地利用圍巖的自身支撐能力，達(dá)到維護(hù)圍巖穩(wěn)定性的目的;而錨注支護(hù)使巷道支護(hù)實(shí)現(xiàn)了支護(hù)特性的轉(zhuǎn)變(被動(dòng)支護(hù)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)支護(hù))，大大提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2)“可縮性金屬支架結(jié)合錨注支護(hù)”的復(fù)合型支護(hù)，通過注漿不僅可以提高圍巖自身承載能力的強(qiáng)度，而且為錨桿支護(hù)提供穩(wěn)固的基礎(chǔ)，可以有效地控制復(fù)雜的軟巖巷道變形大的問題，是解決深部礦井軟巖巷道礦壓顯現(xiàn)問題的有效方法。

3)注漿技術(shù)的應(yīng)用能夠加固巷道圍巖，改變圍巖的松散結(jié)構(gòu)的物理狀態(tài)，提高圍巖體的一體性。

［1］ 王小慶.礦山軟巖巷道中拱形支架的受力分析及應(yīng)用［D］.西安：西安科技大學(xué)，2011.

［2］ 張 浩.深井核心硐室“二次錨網(wǎng)注”圍巖控制技術(shù)［J］.煤礦安全，2011，42(2)：45－48.

［3］ 王正才.注漿加固技術(shù)在及軟巖巷道支護(hù)中的應(yīng)用［J］.采礦技術(shù)，2010(10)：124－126.

［4］ 張連福，周學(xué)斌，王多春.軟巖巷道錨注支護(hù)機(jī)理及現(xiàn)場支護(hù)研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2007，35(12)：32－35.

Study and Exploration on the Soft Rock Tunnels Support in Deep Mine

Fan Zhong－ming，Zhang Jin－shan，Ma Meng

With the gradual increase of mining depth in China coal mines，deep soft rock tunnels are becoming more and more，so the ground stresses also increase accordingly.At the same time，it brings the unfavorable factors of soft rock tunnels support and maintenance in deep mine，which will have a direct impact on the mine safety production and the economic efficiency.Therefore，the support of the soft rock tunnels in deep mine is one of the problems which should be solved immediately.The essay is studying the support methods by analyzing the characteristics of soft rock tunnels，the factors that affect the stability of surrounding rock，features of soft rock tunnels in deep mine appeared and the principle of soft rock tunnels supporting.

Soft rock tunnels;Support principle;Compound support

TD353

A

1672－0652(2012)07－0038－03

2012－04－29

范忠明(1970—)，男，內(nèi)蒙古烏海人，1993年畢業(yè)于山西礦業(yè)學(xué)院，高級工程師，主要從事采礦領(lǐng)域的工作(E －mail)mamengjovy@163.com