深井高應(yīng)力軟巖巖巷支護(hù)技術(shù)研究

摘 要：本文重點(diǎn)針對(duì)新汶礦區(qū)埋深大、高地應(yīng)力帶來(lái)的巷道支護(hù)難題，研究新汶礦區(qū)深井高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)技術(shù)。首先通過地應(yīng)力測(cè)試和圍巖分類為選擇合理的支護(hù)方式提供依據(jù)，通過選擇合理的斷面形狀提高巖巷承載能力，通過優(yōu)化巷道布置，研發(fā)高強(qiáng)錨桿、錨索、高強(qiáng)W鋼帶等深部巷道支護(hù)材料，采用高強(qiáng)錨桿一次支護(hù)、聯(lián)合支護(hù)、讓壓支護(hù)、鋼管混凝土支架強(qiáng)力支護(hù)等多種支護(hù)方式確保了深井高應(yīng)力巖巷及大斷面硐室支護(hù)安全。

關(guān)鍵詞：深井 高應(yīng)力 巖巷 支護(hù)技術(shù)

中圖分類號(hào)： TD353 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)1672-3791（2015）05（a）-0000-00

隨著煤炭資源的不斷開采，淺部資源量逐漸減少，我國(guó)東部礦區(qū)煤礦開采深度以每年10-25m的速度迅速增加，東部多數(shù)礦井已經(jīng)進(jìn)入深部開采時(shí)代。新礦集團(tuán)目前有8對(duì)礦井采掘深度超過1000米，有4對(duì)最大采深超過1200米屬超深井開采。集團(tuán)公司最大回采深度達(dá)到1280米，最大掘進(jìn)深度達(dá)到1501米。目前新礦集團(tuán)老區(qū)礦井有效可采儲(chǔ)量有44%在千米以下。深部高地應(yīng)力造成巷道支護(hù)困難，特別是深部巖巷，由于服務(wù)年限長(zhǎng)，后期巷道圍巖破壞嚴(yán)重，巷道失修率不斷增加。

1深井高應(yīng)力巷道支護(hù)困難

隨開采深度增大，地應(yīng)力顯著增大， 礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，巷道變形量明顯增大，給生產(chǎn)系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重問題。個(gè)別礦井最大水平應(yīng)力達(dá)到39.13MPa。由于地應(yīng)力的升高，在淺部相對(duì)較硬的圍巖，到達(dá)深部后成為“工程軟巖”，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的擴(kuò)容性和應(yīng)變軟化特征，巷道巖體強(qiáng)度降低，巷道與支護(hù)體破壞嚴(yán)重，半圓拱巖巷表現(xiàn)為拱部以上巷道變形嚴(yán)重，失去原有的拱形特征，最大變形量超過0.9米；煤巷半煤巷主要表現(xiàn)為頂板下沉、底板鼓起、幫部鼓出，據(jù)部分統(tǒng)計(jì)，深部巷道實(shí)際返修比例高達(dá)90%以上。

2 深井高應(yīng)力巷道支護(hù)體系

2.1 深井高應(yīng)力巷道變形特征

由于深部巷道開挖前處于高應(yīng)力環(huán)境中的平衡狀態(tài)，一旦巷道開挖，原平衡狀態(tài)即遭到破壞，主要表現(xiàn)為巷道圍巖變形，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)具有巷道圍巖變形量大、初期變形量大、圍巖變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、圍巖變形易受擾動(dòng)、圍巖變形的沖擊性等特點(diǎn)。

新汶礦區(qū)深部巷道圍巖變形與破壞主要受三方面的因素影響：其一是巷道圍巖地質(zhì)賦存條件，包括煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)，節(jié)理、裂隙發(fā)育程度及地質(zhì)構(gòu)造；其二是巷道工程賦存環(huán)境，主要包括地下水環(huán)境、應(yīng)力環(huán)境和溫度環(huán)境；三是巷道施工因素，包括巷道類型，斷面形狀及尺寸，開挖方式以及支護(hù)形式、支護(hù)參數(shù)和支護(hù)時(shí)機(jī)等。

2.2 進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試和圍巖分類

搞好深部巖巷支護(hù)，需要對(duì)新汶礦區(qū)不同地域、不同煤巖層的地應(yīng)力、煤巖層賦存情況進(jìn)行測(cè)試，為此對(duì)開采深度較大的孫村煤礦、協(xié)莊煤礦、華豐煤礦、潘西煤礦選取了13個(gè)施工地點(diǎn)進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試，測(cè)出了各煤巖層的最大水平主應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力方向、垂直應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力，同時(shí)進(jìn)行了鉆孔的窺視工作，得到了不同支護(hù)及不同巖層巖性及節(jié)理和裂隙情況，為深部巷道合理支護(hù)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，形成新汶礦區(qū)深部高應(yīng)力巷道合理支護(hù)參數(shù)選擇方法。

2.3 優(yōu)化全巖巷道斷面形狀

提高巷道支護(hù)效果的重要手段之一是選擇穩(wěn)定的斷面形狀。一般認(rèn)為圓形巷道四周受力均勻，能夠適應(yīng)于軟巖或高地應(yīng)力的條件。 在圍巖穩(wěn)定的條件下，可選擇形狀簡(jiǎn)單的折線型巷道斷面，在圍巖不穩(wěn)定的條件下，可選擇形狀復(fù)雜的曲線型巷道斷面。根據(jù)不同的埋深、圍巖條件、技術(shù)條件、用途、服務(wù)年限等選擇不同的巷道斷面形狀。目前新礦集團(tuán)深部巖巷一般選擇馬蹄形、橢圓、半圓拱、曲墻拱型斷面。

2.4 優(yōu)化全巖大巷巷道布置

依據(jù)測(cè)定的最大水平應(yīng)力方向布置巷道，確保巷道在低應(yīng)力下掘進(jìn)。最大水平主應(yīng)力的大小及方向是影響錨桿支護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一，經(jīng)過理論分析，相同煤柱時(shí)，最大水平主應(yīng)力與巷道夾角為90°時(shí)煤柱的變形量約為夾角0°時(shí)的1.3倍，巷道底鼓量約為夾角0時(shí)的2.2倍，因此最大水平主應(yīng)力與巷道軸線的夾角愈小愈有利于巷道圍巖的穩(wěn)定。

2.5 深部高應(yīng)力巖巷支護(hù)方式

深部全巖巷道的支護(hù)方式先后經(jīng)歷了架棚支護(hù)、錨噴支護(hù)、錨網(wǎng)噴支護(hù)、錨網(wǎng)噴二次支護(hù)、高強(qiáng)錨桿錨噴一次支護(hù)等。高強(qiáng)錨桿錨噴一次支護(hù)工藝分為初期支護(hù)、錨網(wǎng)支護(hù)、噴漿三部分。目前新礦集團(tuán)深部主流的支護(hù)方式為高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿一次支護(hù)，實(shí)現(xiàn)一次支護(hù)有效控制圍巖變形與破壞，避免二次支護(hù)和巷修，并以此為基礎(chǔ)衍生了集多種支護(hù)方式于一體的復(fù)合型支護(hù)。

2.5.1 高強(qiáng)錨桿一次支護(hù)+鋼棚讓壓加固

華豐煤礦-1180東巖巷埋深1298米，所穿過的巖石大部分為粉砂巖、中砂巖，巖石傾角30～34°，自重應(yīng)力28Mpa，還存在著較高的水平構(gòu)造應(yīng)力，在35～47 Mpa之間。圍巖擴(kuò)容碎脹變形量較大，圍巖松動(dòng)圈較大，一般大于2000mm，錨桿很難深入到穩(wěn)定堅(jiān)硬巖層中，錨桿全長(zhǎng)都錨固在松動(dòng)圍巖內(nèi)，屬典型的深部高應(yīng)力軟巖巷道。采用錨網(wǎng)噴支護(hù)作為永久支護(hù)，支護(hù)材料為一次支護(hù)頂部使用MSGLD-600（X）等強(qiáng)螺紋鋼樹脂錨桿，其余使用MSGLD-335全螺紋等強(qiáng)錨桿，滯后迎頭10m范圍正頂及下肩窩處各補(bǔ)打一根φ22×6300mm鋼絞線錨索。一次支護(hù)后滯后迎頭40m內(nèi)按間距1000mm支設(shè)U29型鋼棚作加強(qiáng)支護(hù)。支護(hù)斷面如下圖2所示：

2.5.2 高強(qiáng)錨桿+鋼筋網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護(hù)

潘西煤礦-1100西大巷開門處底板標(biāo)高-1101.1m，巷道東部臨近-1100m皮帶暗斜井，南部臨近6198運(yùn)輸巷，西、北部為未開拓區(qū)，巷道埋深1320.6～1339m，垂深較大。采用錨網(wǎng)噴+點(diǎn)式錨索聯(lián)合支護(hù)。巷道采用MSGLW-600/22×2400mm無(wú)縱肋螺紋鋼式樹脂錨桿配150×150×10mm的高強(qiáng)托盤、450×280×8mm的強(qiáng)力W鋼護(hù)板壓Φ6mm的鋼筋網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)。噴層總厚度為120mm，巷道拱部及兩幫采用點(diǎn)式錨索加強(qiáng)支護(hù)。錨索選用Φ22mm、19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，所用錨索長(zhǎng)度為4.3m，采用300×300×16mm高強(qiáng)度可調(diào)心錨索托板。如圖3所示：

2.6 深部全巖大斷面硐室支護(hù)技術(shù)

深部大斷面硐室由于受高地應(yīng)力、開采擾動(dòng)、大斷面的影響，普通的支護(hù)方式已不能有效進(jìn)行支護(hù)，因此試驗(yàn)了鋼管混凝土支架支護(hù)以及錨網(wǎng)噴+錨索桁架聯(lián)合支護(hù)兩種支護(hù)方式。

2.6.1 鋼管混凝土支架強(qiáng)力支護(hù)

華豐煤礦由于受深部高應(yīng)力和工作面采動(dòng)影響，-1100泵房周圍巖體松動(dòng)圈增大，部分U29型可縮性支架被壓壞，原有支護(hù)方式已不能滿足需要。2012年初，同中國(guó)礦業(yè)大學(xué)合作，對(duì)-1100泵房進(jìn)行擴(kuò)修。支護(hù)方式采用采用噴錨噴、錨網(wǎng)噴支護(hù)，后部采用錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，最后集中架設(shè)鋼管混凝土支架作加強(qiáng)支護(hù)。鋼管混凝土支架是在鋼管外殼內(nèi)填裝混凝土組成的構(gòu)件，工作原理是借助鋼管外殼的約束左右，使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而使夾心混凝土具有更高的抗壓強(qiáng)度和抗變形能力，內(nèi)填混凝土和鋼管支架共同承受軸向壓力，由于其有圓柱狀外形，不僅具有慣性矩大的特點(diǎn)，而且無(wú)異向性，不易扭曲變形，承載能力是相同重量U型鋼支架的3～4倍。-1100泵房采用斜墻半圓拱形鋼管混凝土支架支護(hù)，墻腿外插以抵御兩幫來(lái)壓；鋼管混凝土支架外部預(yù)留0.5m的讓壓空間，保證支護(hù)效果；整個(gè)泵房?jī)?nèi)支架采用鋼絲繩柔韌性穿背形成一個(gè)整體，提高安全系數(shù)。通過礦壓觀測(cè)資料看，該支護(hù)比U形鋼支護(hù)效果明顯，巷道收縮量小于200毫米，底鼓量明顯減小，能有效控制巷道變形，降低巷道修復(fù)率，為礦井深部大斷面、高地應(yīng)力支護(hù)提供了借鑒。目前在礦井深部大斷面硐室和永久巷道等支護(hù)薄弱地點(diǎn)采用該支架300余架。

2.6.2 錨網(wǎng)噴+錨索桁架聯(lián)合支護(hù)

潘西煤礦-1100中央泵房及管子道該位于-1100水平，自-1100變電所導(dǎo)F點(diǎn)以東25m處開門，開門標(biāo)高-1099.9m，東臨-1100暗管子井，西接-1100變電所，南部為未開拓區(qū)，北臨-1100通過線。巷道采用Φ22×2400mm抗沖擊高強(qiáng)錨桿配高強(qiáng)托盤、W護(hù)板壓鋼筋網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，錨桿間排距為800×800mm，每根錨桿采用兩支MSK28/500型樹脂錨固劑錨固。鋼筋網(wǎng)采用Φ6mm的鋼筋焊接，噴漿到迎頭的距離不大于30m。選用Φ17.8mm高強(qiáng)度、低松馳、粘結(jié)式1×7鋼絞線，所用錨索長(zhǎng)度為6m，按錨索桁架布置加強(qiáng)支護(hù)，錨索桁架排距為1.6m，錨索間距1.3m。

2.7 深部巷道支護(hù)材料

為適應(yīng)深部巷道支護(hù)的需要，先后研發(fā)了無(wú)縱肋螺紋鋼式樹脂錨桿、熱軋細(xì)牙等強(qiáng)螺紋鋼式樹脂錨桿以及配套高強(qiáng)錨固劑、高強(qiáng)W鋼帶等支護(hù)材料，引進(jìn)了美國(guó)捷馬錨桿，研發(fā)了注漿錨索等支護(hù)材料。

3支護(hù)效果

3.1 有效控制了巷道變形

經(jīng)實(shí)測(cè)，深部巷道表面位移和頂板離層比以往降低50%以上，巷道基本不需要大規(guī)模維修，滿足了生產(chǎn)要求。局部地段如過斷層、構(gòu)造帶初期圍巖變形量仍較大，但通過補(bǔ)打錨桿、錨索，有效控制了圍巖變形破壞，圍巖穩(wěn)定性和安全程度得到保證。

3.2 失修巷道明顯減少

目前集團(tuán)公司失修巷道長(zhǎng)度10319米，比2010年減少50%以上，嚴(yán)重失修巷道長(zhǎng)度1118米，巷道失修率0.99%，巷道嚴(yán)重失修率0.11%，同比巷道失修率減少0.39%、嚴(yán)重失修率減少0.05% 。

4結(jié)語(yǔ)

重點(diǎn)研究了深部高應(yīng)力巖巷支護(hù)體系，進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試和圍巖分類為選擇合理的支護(hù)方式提供依據(jù)。選擇合理的斷面形狀提高巖巷承載能力，通過高強(qiáng)錨桿一次支護(hù)、聯(lián)合支護(hù)、鋼管混凝土支架等多種支護(hù)方式確保了深井高應(yīng)力巖巷支護(hù)安全。

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