深部岩巷主动支护及围岩稳定性控制技术研究论.doc

深部岩巷主动支护及围岩稳定性控制技术研究赵 伟1 冯星宇1 张洋1 吴冬梅2（1.河南能化集团永煤公司 永城 476600；2.永城职业技术学院 永城 476600）摘要：为了更好解决深部岩巷的支护，通过采用理论分析、数值计算、现场观测等方法来分析深部围岩力学参数，研究深部软弱破碎围岩控制原理及支护技术，优化巷道支护基本参数。现场采取了“四高”锚杆支护、注浆锚索加固、主动泄压、帮顶协同支护方案后，巷道变形量在合理范围内，减少了巷道维护成本，有效的保证了矿井的安全生产。关键词：深部岩巷；主动支护；主动泄压；帮顶协同；围岩控制引言：随着开采深度的增加，巷道围岩在高应力的作用下表现出软岩的特征，岩石的蠕变速度增大、蠕变时间增长。同时，巷道围岩的地质构造变得越来越复杂，矿山压力越来越大，深部巷道支护面临更多的技术问题。河南省正龙煤业城郊煤矿逐渐进入二水平（-750m水平）开拓和开采阶段，处于二水平的巷道开挖支护后，裂隙萌生和扩展的速度很快，几天内一定厚度范围内的岩体即被次生裂隙切割成小碎块，一个月左右即出现严重破坏而造成巷道失稳，导致锚杆拉断、折断，巷道底臌变形达1m左右。由于巷道接连不断的失稳破坏，不得不投入大量精力进行返修，从而造成矿井生产运输受到严重影响，巷道维护成本大大增加，严重制约了煤矿的安全生产。1 矿井概况：城郊煤矿二水平南翼轨道大巷岩层以泥岩、砂质泥岩及中、细粒砂岩为主，岩石普氏硬度系数f为46。巷道断面设计为直墙半圆拱断面，断面净宽为4.8m，毛宽为5.0m，墙高1.6m，巷道中心净高4.0m。通过对主要岩性进行岩石强度力学测试，实验区段巷道的抗压强度为42.09112.76 MPa，抗拉强度为0.769.62 MPa，凝聚力为1.13044.9088 MPa，内摩擦角为25.43 37.23。通过对地应力的测定，城郊矿二水平最大主应力1=19MPa，与铅垂方向夹角为100110（近水平方向），沿东北南西向。岩石抗剪强度见表1：表 1 ：岩石抗剪强度测定岩石试验编号剪切角度（ ）直径D（mm）高度H（mm）破坏载荷P（kN）正应力（MPa）剪应力（MPa）凝聚力C（MPa）内摩擦角（）砂质泥岩14549.4151.6540.70 3.751753.751751.130435.7925549.4951.5825.50 1.902252.7141836549.4551.6412.80 0.704801.50958细粒砂岩44549.8951.8545.70 4.131984.131981.454632.8255549.9251.6424.50 1.796302.5630166549.8651.7818.40 0.996562.13448泥岩74548.8852.1863.00 5.934005.934001.442737.2385548.9651.8629.78 2.269893.2387496549.3652.0818.20 1.005802.154272 深部巷道主动支护技术根据城郊煤矿深部岩巷变形失稳特征及机理的分析，综合城郊矿深部岩巷围岩的整体情况以及南翼轨道大巷围岩的具体情况，在城郊矿目前现有施工技术水平的基础上，提出了城郊矿深部巷道主动支护及围岩稳定性控制对策。2.1 深部岩巷围岩控制思路2.1.1 减小巷道围岩应力对于煤矿中的高应力巷道而言，单纯从围岩性质和支护技术方面采取措施，控制巷道围岩变形仍然相当困难，即使有所成效也要在经济上要付出沉重代价。因此，应从巷道围岩应力控制的角度出发，应用巷道围岩应力转移的新技术，减小巷道围岩应力，其特点在于：充分利用现行的采矿方法或加以改进，或人为构建围岩软弱区等措施，将原本集中在巷道浅部围岩较高应力转移到围岩较深部，减小巷道围岩应力，以实现巷道围岩的稳定。2.1.2 提高围岩强度2.1.2.1 围岩强度强化参考了文献【4】支护体系中，锚杆的作用主要在于提高破碎围岩巷道的围岩强度，随锚杆支护强度提高，锚固体极限强度、残余强度增大，残余强度增大更为显著，因此采用高强锚杆支护可显著提高围岩的承载能力。如图1，在一定范围内支护阻力与围岩变形量呈负指数关系，提高支护阻力可大大减少围岩变形量，有利于巷道围岩稳定。1-典型的支护围岩关系曲线；2-传统支护特性曲线；3-高强锚杆支护特性曲线；4-“三高”锚杆支护特性曲线；5-“四高”锚杆支护特性曲线图1 支护阻力与围岩变形关系图参考了文献22.1.2.2 注浆加固对于围岩比较破碎的深部岩巷，采用注浆加固充填围岩裂隙，可明显改善围岩力学参数，提高锚杆锚固力和岩体强度，并且可以封闭水源、隔绝空气，保护围岩免受风化。注浆材料可选用化学类、水泥类、高水速凝材料等。2.1.2.3 关键部位补强参考了文献3通过对两帮及底角等关键部位的加强支护、注浆加固，提高两帮及底角破碎区锚杆锚固力和围岩的残余强度，可有效阻止破碎区围岩的碎胀变形，对深部围岩起到支护作用，而且两帮能够有效阻止顶板下沉，保持围岩稳定，因此，深部巷道支护的关键为控制两帮下沉和底角破坏。2.2 深部岩巷围岩稳定性控制技术2.2.1 “四高”锚杆支护技术所谓的“四高”锚杆技术指的是以下关于锚杆四个方面的特性： （1）高预拉力：高预拉力又称高预应力、高预紧力，主要是通过给锚杆施加预拉力而提高锚杆对巷道顶板的初撑力，当预拉力提高到一定范围时，可以有效的减小或者消除锚固范围内的岩层离层，同时在巷道顶板形成梁结构或者在巷道整体表面形成承载壳结构，巷道上方的垂直应力将会被转移到巷道两侧深部岩体中，即维护巷道顶板稳定，又可以控制片帮；（2）高强度：高预紧螺栓载荷可以大大增加影响范围，适应动态压力变形，保证锚杆的高强度，使高阻让压的工作状态得以实现，进而有效限制围岩的变形；（3）高刚度：保护表材料性能决定最初的工作负荷，提高强度和刚度的组件将影响围岩的螺栓载荷的扩散，提高加载速度，并能适应强烈动压的影响，从而达到限制巷道围岩变形的影响。（4）高锚固点：通过设计长锚杆（索）来实现高锚固点，确保足够的锚固深度层，使足够厚度的岩体被充分调动，一定范围抵抗围岩膨胀变形的发生，有效控制巷道围岩变形。2.2.2 注浆锚索加固技术参考了文献【6】如图2所示，围岩注浆加固是利用浆液把围岩的各种弱面充实，并把弱面充填体和四周岩体重新胶结起来，从而提高围岩的整体稳定性及其力学性能，改善围岩的物理力学性能。实践证明，围岩注浆加固是一种改善围岩结构及其力学性质、提高围岩自承能力、降低支护成本、改善巷道支护效果的有效方法。注浆锚索有以下优点：1）利用浆液封堵围岩的裂隙，隔绝空气防止围岩风化，并防止围岩被水浸湿而降低围岩承载强度；2）将松散破碎围岩胶结成整体，提高岩体内聚力、内摩擦角及弹性模量和岩体强度，利用围岩本身作为支护结构的一部分；3）使得喷层壁后充填密实，这样保证荷载能均匀作用于喷层和支架上，避免出现应力集中而破坏；4）充填围岩裂隙，配合锚喷支护，形成一个多层有效组合拱，即喷网组合拱、锚杆压缩区组合拱及浆液扩散加固拱，形成多层组合拱结构，扩大提高有效承载范围、支护结构的整体性和承载能力。5）使得作用在拱顶上的压力能有效传递到两帮，通过对帮的加固，又能把荷载传递到底板；6）注浆锚杆本身为全长锚固的锚杆，通过注浆也使端锚的普通锚杆变成全长锚固锚杆，从而将多层组合拱联成一个整体，共同承载，提高支护结构的整体性；7）注浆使得支护结构面尺寸加大，围岩作用在支护结构上的荷载所产生的弯矩减小，从而降低了支护结构中产生的拉应力和压应力，因此能承受更大的荷载，提高了支护结构的承载能力，扩大了支护结构的适应性。1-普通金属锚杆；2注浆锚杆；3金属网喷层；4注浆扩散范围；5锚杆作用形成的锚岩拱；6喷网层作用形成的组合拱图2 注浆加固支护机理图2.2.3 底板主动卸压技术参考了文献【5】底板中部卸压槽是指在巷道帮部或底部利用风镐或爆破开掘出一定宽度和深度的槽，底板应力分布发生变化，最大应力向围岩深部转移，巷道浅部围岩受到的应力减小，从而可以控制浅部围岩的变形和破坏，承载力增强。这种方式还可以将深部的承载力调动，使整个巷道围岩承载力增强。卸压能力与卸压槽方向、深度、宽度、形状及卸压槽与开巷的间隔时间等有关。2.2.4 深部岩巷帮顶协同支护技术参考了文献1和文献2巷道围岩协同支护是基于协同学的基本原理和方法，借鉴和吸收围岩锚固理论、支护理论、围岩承载机理等理论精髓及应用技术，研究巷道围岩锚固控制过程中各子系统之间及子系统内部的协同作用过程，以及由此产生的系统演化规律。然后以协同支护原理及设计方法为指导，以实现巷道围岩支护系统中各子系统之间及子系统内部的协同作用为目标，通过对各类锚固参数的设计和优化，最大程度地发挥锚固构件和锚固结构的物理力学性能，使系统功能在宏观整体上大于各子系统、要素之简单总和，即产生“112”的协同支护效应，从而有效改变巷道围岩锚固结构的应力状态，减少巷道围岩的应力集中和较大变形，显著提高巷道围岩锚固结构的承载能力、抗变形能力和整体稳定性，更好地实现安全、经济、高效等煤矿生产目标的控制机理及技术。基于协同支护理论，根据二水平南翼轨道大巷具体的围岩应力条件提出了帮顶协同支护原理。帮部支护系统与顶部支护系统通过协同作用形成锚固围岩性能，锚固系统的综合承载力可用式1表达： （1） 式中：为锚固岩体系统的综合承载力，Pi、Pj分别表示帮部锚固岩体和顶部锚固岩体的承载力。通过帮部和顶部的联合支护使其在协同效益作用下，围岩支护系统的功能等于各子系统的最大功效与子系统之间由于协同作用产生的系统增强效用之和，从而对深部岩巷起到更好的支护效果。3 现场工业性试验3.1 支护方案及参数（1）初喷：掘巷成型达到设计要求，敲帮问顶后即进行喷浆，喷浆前应处理活矸，及时喷射混凝土封闭围岩，喷浆前必须清洗岩面，喷层厚度2030mm。喷浆材料中掺入聚丙烯纤维，按配比要求将纤维与混合料、速凝剂、水泥加水搅拌均匀后投入喷浆机，聚丙烯纤维掺入量为0.4-0.6kg/m3。（2）顶帮锚杆：从顶板正中位置开始依次向两侧全断面布置锚杆配合钢筋网联合支护；锚杆规格为222800mm，间距为700mm，排距为700mm，铁托盘规格为20020010mm，每根锚杆使用1卷MSK2335树脂药卷（里侧）及1卷MSZ2335树脂药卷（外侧），设计锚固力200kN；钢筋网由6.5mm钢筋焊制而成，网格为7070mm，网片规格10002000mm。锚杆垂直岩面施工安装，巷帮最下面两根斜向下10左右施工钻眼安装。（3）顶锚索：顶板采用18.97300mm的预应力钢绞线锚索配合索具、托盘和让压装置；锚索间距1700mm，排距1400mm；锚索托盘为双托盘 40040012mm+20020010mm，每根锚索使用3卷MSK2335树脂药卷（里侧）及2卷MSZ2335树脂药卷（外侧），设计锚固力为250kN。（4）帮锚索：巷道两帮分别采用2根让压锚索加强支护。帮锚索采用钢绞线规格为18.95300mm，排距1400mm，巷道最下根锚索斜向下15左右施工钻眼安装，另一根锚索向上斜带1015布置，每根锚索使用3卷MSK2335树脂药卷（里侧）及2卷MSZ2335树脂药卷（外侧），设计锚固力为250kN。（5）二次喷浆：施工完锚杆锚索后，检查锚杆锚索达到预紧力后及时进行二次喷浆封闭，厚度3050mm。（6）三次喷浆：滞后巷道50100 m后，进行第三次喷浆，喷浆厚度5070mm。（7）巷道底板圆弧形卸压槽：在巷道横截面底板位置，挖一圆弧形卸压槽，在巷道中央处卸压槽最深为1000mm。待卸压完毕后续工序均完成后，用水泥或其它固料回填封闭卸压槽。（8）底板注浆锚索加固：底板采用注浆锚索进行加固，布置3根，钢绞线规格为18.95300mm，其中一根待卸压槽回填后布置在正中位置，其余两根在巷道底靠帮1000mm处施工钻眼，锚索斜向帮部偏移15左右布置。底板注浆锚索加固参数：每排3套注浆锚索，排距为1400mm，如图3所示。（9）注浆材料：标号525的硫铝酸盐快硬水泥，水灰比0.851.0，注浆压力、渗透范围和注浆量应根据注浆实际情况进行确定。图3 巷道底板卸压槽+注浆加固布置示意图3.2 矿压观测结果二水平南翼轨道大巷矿压观测试验从2014年1月7日开始到2014年5月8日结束。在试验过程中对二水平南翼轨道大巷巷道两帮及顶底板移近量进行了观测，观测长度为300m，共设7个矿压观测点，每隔50m一处。从巷道开始掘进，全程跟踪观测，动态反馈巷道围岩稳定状况，适时调整支护参数，有效控制围岩变形。巷道左帮最大移近量达到29mm，巷道右帮最大移近量达到29mm，巷道顶板最大移近量达到24mm，巷道底板最大移近量达到45mm。巷道整体支护较好。4 结语采用“四高”锚杆支护技术、注浆锚索加固技术、底板主动卸压技术，通过高预紧力充分调动围岩的自稳能力，同时配合锚索形成及钢筋网护顶护帮强化支护，有效控制了顶板离层并抑制围岩变形，对巷道围岩变形起到了很好的控制作用，满足了城郊煤矿二水平岩巷长期稳定的要求。作者简介：赵伟（1981-），男，河南永城人，工程师，矿副总工程师，硕士，2010年毕业于中国矿业大学矿业学院，现在河南煤化集团永煤公司城郊煤矿从事技术管理工作。参考文献：1 钱鸣高