（采矿工程专业论文）大水头煤矿主要运输大巷修复支护技术研究.pdf

论文题目：大水头煤矿主要运输大巷修复支护技术研究 专业：采矿工程 硕士生：文建东( 签名)耋。盘垒 指导教师：索永录( 签智f 圭兰赶 梁习明( 签名) 摘要 大水头煤矿1 1 8 0 运输大巷大部分地段处在松软的炭质泥岩，巷道围岩构造发育， 加之受上部工作面采动影响，巷道发生严重的变形和破坏，虽经多次修复加固，部分地 段仍无法满足运输、通风和行人的要求，严重地影响了矿井的正常生产。因此，研究大 巷的修复支护技术，对大水头煤矿和矿区相似条件下的巷道修复具有重要的现实意义和 推广价值。 本文在对大水头煤矿1 1 8 0 运输大巷进行现场地质调研的基础上，分析了该巷道的 工程特征及其围岩力学特征，进行了围岩的物理力学性质的判定，确定该段运输大巷属 于受到采东影响和地质构造影响的复合型软岩巷道。通过对破坏现象、原支护状况的观 测、总结，分析了该围岩条件下大巷的变形破坏特征、破坏原因，结合巷道修复基本理 论和有关成功经验，提出了1 1 8 0 运输大巷修复的支护原则和对策，对大巷的“注浆加固 + 锚网+ 喷浆”联合支护机理进行了研究，提出了“注浆加固+ 锚网+ 喷浆”联合支护设计方 案，计算确定了该方案的基本参数，并提出了现场施工工艺和技术要求。现场应用和监 测表明，提出的联合支护方案可以较好地控制大巷的变形，保证巷道围岩的稳定性，取 得了良好的社会效益和经济效益。 关键词：运输大巷；采动影响；修复；支护；地质构造 研究类型：应用研究 s u b j e c t ： s t u d yo nm a i n t e n a n c es u p p o r to fm a i nh a u l a g ee n t r yo f d a s h u i l o uc o a lm i n e s p e c i a i 哆：m i n i n ge n g i n e e r i n g n a m e：w e nj i a n - d o n g i n s t r u c t o r ：s u oy 0 n g l u l i a n gx i m i n g ( s i g n a t u 陀) ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t m o s tp a r to f118 0h a u l a g ee n t 】了o fd a s h u i t o uc o a lm i n ei si nc 酊b o n a c e o u sm u d s t o n e 、 ，i t h 、v e l l d e v e l o p e ds t i u c t u r e s b e c a u s eo fm i n i n ga c t i v i t i e si nt h ea r e aa b o v et h ee 砷吼1 1 8 0 h a u l a g ee n t 巧w a sd e s t r o y e ds e r i o u s l y e v e na r e rs e v e r a lt i m e so fm a i n t e m m c e ，s o m ep a r to f i ts t i l lc a n tm e e tt h er e q u i r e m e n tf o ru s i n g c o n s e q u e n t l y ，n o m l a lo p e r a t i o no ft l l ec o a l m i n e i si m p a c t e ds i g l l i f i c a n t l y s o ，s t u d yo nm a i n t e n a l l c eo fs u c ha 1 1e n t ui so fi m p o r t 锄tp r a c t i c a l m e a n i n ga l l d 、v o i r t ho fp r o m o t i o n b a s e do nc l o s ei n v e s t i g a t i o n0 ng e o l o g i cc o n d i t i o nw h e r e1 18 0h a u l a g ee n 姆a 1 1 d1 18 0 c r o s s - c u ta r el o c a t e d ，w em a k ea i l a l y s i so nc h a r a c t e r i s t i co ft h ee m 巧a i l d 也es u r r o u i l d i n gr o c k a sw e l l a n db a s i c a l l yw ec l 撕f i e dt h ep h y s i c a lm e c h a n i c sa n dg e tt h ec o n c l u s i o nt h a tm i s e n 蚵 s h a l lb e c l a s s i f i e d 弱c o m p r e h e n s i v es o rr o c ke n t 辑t h r o u 曲m o n i t o r i n ga n d 酬i i i 】衄a r i z a t i o no nd e f o n l l a t i o na n do r i g i n a ls u p p o r to ft h ee n 由吼、em a k ea n a l y s i so n c h a r a c t e r i s t i co fd e f o 肌a t i o n 嬲w e l l 嬲t 1 1 ec a u s ef o ri t c o m b i n i n gw i t ht h eb a s i ct 1 1 e o r yf o r m a i n t e n a n c eo f e n t i y a 1 1 ds u c c e s s m l e x p e r i e n c e ， w ep u tf o r c ht h ep r i n c i p l e s锄d c o u n t e m e a s u r e sf o rs u p p o r td e s i 印o ft h ee n t 】哆谢ms i m i l a rg e o l o g i cc o n d i t i o n a n do u r s t u d yo nm e c h a l l i s mo f “g r o u t i n g + w i r em e s h + a n c h o rb o l t + s h o t c r e t e s h o w st h a ts u c ha c o m b i n e ds u p p o n i n gm e t l l o dd o e sw o r ka ts u c hag e o l o g i cc o n d i t i o n b a s e do nt h e o r e t i c c a l c u l a t i o l l ，w ed e f i n e dt h et e c m c a ls p e c i f i c a t i o n sf o rs u c has u p p o r t i n gm e t h o da r l dp u tf o r t h s p e c i f i cr e q u i r e m e n to no n - s i t ew o r kp r o c e d u r e st e c l u l i q u e s u t i l i z a t i o ne x p e r i e n c eo fs u c ha s u p p o r t i n gm e t h o ds h o w st h a ti tc a i lp r 0 v i d eu sag o o dc o n t r o lo nd e f o r m a t i o no ft i l ee n 竹 a i l di n c r e a s es 伽) i l i t yo ft h es 岫r o u n d i n gr o c k a n da c c o r d i n g l y ，a9 0 0 ds o c i a la l l de c o n o m i c b e n e f j tb a sb e e na c h i e v e d k e y w o r d s ：m a i nh a u l a g er o a d 、a y7 i ki i l f l u e n c eo f 谢1 1 n i n go p e r a t i o l l s 壬沁n o v a t i o n s u p p o r tg e o l o g i c a ls t n l c t u r e t h e s i s： a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要拜技史学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：支立尊、日期：杉呻0 2 2 ，i 1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出 靖远煤业集团有限责任公司位于甘肃省白银市境内，西距省城兰州市1 6 0 蛔，资源 丰富，煤质优良，全公司矿井设计能力8 2 8 m 妇，开采的煤种为不粘结、弱粘结煤及气 煤，具有低硫、低灰、低磷、高发热量的特点，是广泛用于电力、化工、冶金、建材等 行业和生活民用的优质环保型煤炭，主导产品一晶虹煤1 号、2 号、3 号产品1 9 8 9 年获 出口煤免检，长期出口东南亚，成为目前甘肃最大的煤炭基地和主要的出口煤基地。 大水头煤矿是靖远煤业集团有限责任公司的骨干矿井，矿井储量丰富，设计生产能 力1 5 0 m 池，是目前甘肃省唯一的全国煤炭工业双十佳煤矿。 大水头煤矿位于甘肃省白银市平川区宝积山镇，井田位于靖远煤田中部大宝向斜的 南翼，为一单斜构造，矿井主要可采煤层为l 号煤层、平均厚度1 3 0 6 m ，煤层倾角小于 2 5 0 。井田构造形态大都受陇西系旋卷构造控制，局部区域煤层厚度变化较大，地质构 造比较复杂。主要地质构造有刀愣山断层、f 4 0 断层、f 5 断层、f 1 2 断层组和f 4 6 断层以 及腰水短轴背斜、花尖子向斜，同时井田内还存在其它规模较小的断层和褶曲。井田内 的多数断层为走向或斜交断层。 矿井生产过程中，担负矿井主要运输任务的1 1 8 0 水平运输大巷由于围岩松软，以 及地质构造影响而出现严重的变形和破坏，虽然经过多次修复，仍然变形不止。部分地 段的巷道已经不能满足运输、通风和行人的要求，严重地影响了矿井的正常生产。由于 矿井的主生产采区为东一采区，1 1 8 0 运输大巷主要担负着该采区的运输、行人、通风。 因此，1 1 8 0 水平运输大巷的修复支护和进风石门的支护问题便成为矿区急需解决的技术 难题。 该难题的研究不仅对大水头煤矿的主要运输大巷修复支护具有重要现实意义，也可 供矿区类似巷道支护借鉴。 1 2 国内外相关研究动态及发展趋势 对复杂软岩巷道长期以来国内外学者开展了大量的研究。国内对软岩性质和分类进 行了研究，给出了软岩的定义一具有软、弱、松散、遇水膨胀、高地应力、变形明显等 特征的围岩统称为软岩。根据软岩工程的特点，可以分为以下5 类【2 】： ( 1 ) 低强度软岩，系指结构松散软弱的岩体。 ( 2 ) 膨胀性软岩，系指含有蒙脱石、伊利石、高岭石等粘土矿物成分，遇水产生 明显膨胀变形的工程岩体。 西安科技大学工程硕士学位论文 ( 3 ) 高地应力软岩，指在高应力作用下产生显著塑性变形的工程岩体。 ( 4 ) 节理化软岩，系指岩石节理裂隙发育的不连续岩体，在应力作用下将产生明 显剪胀和扩容的塑性变形的岩体。 ( 5 ) 复合型软岩，系指含有上述四类中某两种以上组合的岩体。 根据大水头煤矿1 1 8 0 运输大巷的围岩特征，其属于低强度和节理化岩体的复合型 软岩。由于巷道已经开掘使用多年，巷道围岩中的应力已经得到释放，变形也已经基本 稳定，目前大部分属于静压巷道。矿井主要巷道支护的难点之一在于长期的松弛变形， 1 1 8 0 运输大巷破坏段围岩松散，松动范围大，修复支护存在较大的技术难度，围岩加固 存在较大的困难。 关于软岩的支护理论，国内外针对不同的软岩条件，提出了大量的支护理论。比较 典型的有： ( 1 ) 软岩巷道优化支护理论：中国矿业大学何满朝教授等针对膨胀型和大流变型 软岩提出了“软岩巷道优化支护理论”，指出合理释放和控制软岩的塑性变形能，容许软 岩进入塑性状态，控制其达到最大塑性承载力为最佳。据此提出了最佳支护时间等概念 和方法，产生了对证原则、过程原则、塑性圈原则和优化原则等【3 j 。 ( 2 ) u 型钢支护壁后充填理论：中国矿业大学陆世良教授等针对大变形软岩巷道 提出了利用u 型钢支架进行支护的理论，建立了软岩巷道的支架围岩关系，给出了壁后 充填支护的原理和方法【4 j 。 ( 3 ) 围岩松动圈理论：董方庭教授针对动压软岩巷道，提出了围岩松动圈支护理 论，确定了支护的主要对象为松动圈发展过程中的碎胀变形( 碎胀力) 。据此理论，可 以采用锚杆支护代替u 型钢支护控制软岩巷道。该理论在矿山地下巷道支护中取得了比 较广泛的应用，特别是在断面不大而围岩松软的回采巷道支护得到广泛的应用【5 j 。 ( 4 ) 软岩巷道的维护理论：北京科技大学方祖烈教授针对大断面软岩巷道的锚网 支护，根据巷道破坏为拉破坏的原则，提出了“防止巷道表面出现张拉域，充分发挥和 利用挤压域的承载力”的大断面巷道围岩加固和支护原则【6 j 。 ( 5 ) 东北大学郑雨天教授针对软岩支护理论，提出了软岩巷道支护的几个关键问 题：合理确定巷道围岩加固圈的厚度，合理的让压应当是先柔后刚，保障预紧力才能形 成主动支护j 。 ( 6 ) 广西大学范秋雁教授针对巷道围岩流变，结合新奥法原理提出了围岩控制的 关键是控制弹性区围岩在稳定蠕变内，同时设计可以适应和控制进入稳定蠕变围岩的合 理支护恒阻和可缩性【8 j 。 ( 7 ) 中国矿业大学侯朝炯教授针对软弱破碎围岩的支护，提出了注浆加固技术， 并提出了加固帮脚控制围岩变形的理论1 9 】。 2 1 绪论 上述研究成果在软岩支护的各个方面都具有一定的代表性，但是大多数主要针对于 原始开掘的巷道。 破碎带软岩大巷的掘进与支护研究主要集中于隧道和煤矿采、准巷道，虽然研究不 少，但是方法各不相同。这说明破碎带围岩掘进与支护的复杂性，需要具体问题具体分 析解决。 关于巷道修复技术，国内外针对不同的围岩和支护状况，提出和应用了不同的支护 技术和施工方法。相关资料显示的有： ( 1 ) 锚网支护技术：黑龙江矿业学院和碱场煤矿于1 9 9 5 年起共同对碱场煤矿三段 付井进行了快硬膨胀水泥锚杆加菱形金属网支护的理论研究和工业性试验。经过5 个月 的试验，成功地完成了1 0 0 m 长的试验巷道工程。返修的巷道离地表垂距达6 1 0 m ，沿煤 层顶板掘进，顶板为粉砂岩互层，在地压作用下，经过多次返修，顶板下移0 8 1 0 m 。 通过观测确定的围岩松动范围在1 3 1 4 m 之间，锚杆长度按悬吊理论设计，使用的锚杆 长度为1 8 米，锚杆直径为1 4 m m ，锚杆体许用应力为2 2 3 3 ，m m 2 。锚杆问排距均为o 8 m 。 金属网选用1 2 撑镀锌铁丝编织的菱形网，其规格为7 o 1 o m ，网孔4 5 4 5 n u n 。根据围岩 赋存条件，为了保持顶板岩层的完整性和充分发挥围岩自身承载能力，加之围岩松动圈 形状和围岩受力特点及返修巷道施工难度，选用两角带腮的矩形断面【lo 】。 ( 2 ) 锚网喷注联合支护技术：连云港白集煤矿对三水平主暗斜井软岩破坏段井筒， 围岩为页岩、粉砂岩、砂质岩和杂色页岩，中间有一落差2 0 m 左右的正断层。修复时， 在进行全断面刷帮挑顶后，首先进行初喷，初喷厚度3 0 5 0 砌【1 1 ，然后进行锚网支护。 锚杆用单向左旋无纵筋螺纹钢制作，锚杆规格2 0 1 8 0 0 m m ，采用4 节型号为z 2 3 3 5 树脂 药卷锚固，锚固力在1 0 0 k n 以上。锚杆间排距7 0 0 7 0 0 m m ，矩形排列。金属网用1 0 撑铁 丝编织的菱形网。使用8 伽n 钢板制作的半球形托盘和高强度螺母固定锚杆。制在初喷和 锚网支护的基础上，布置端锚内注浆锚杆，锚杆间排距1 4 0 0 1 4 0 0 删m ，为螺纹钢锚杆间 排距的两倍，树脂端锚。注浆锚杆安装好后进行喷浆，要求喷浆层盖严原螺纹钢锚杆和 金属网，并保证内注浆锚杆的孔口外露3 0 5 0 m m ，最后利用内注浆锚杆进行注浆加固 围岩，并安装内注浆锚杆托盘。内注浆锚杆采用6 ”焊接管制作( 尾部焊接2 0 0 n u n 长蛇形 扁铁锚固端头) ，规格为2 6 1 7 0 0 m m ，管体上每1 5 0 m m 间隔垂直交叉布置8 n u n 注浆 孔7 组。注浆材料采用单一水泥浆，浆液水灰比0 8 1 o ，注浆压力1 5 2 o m p a 。最后 进行复喷。维修结束3 个月来，通过埋点观测，采用锚、网、喷、注联合支护技术，巷 道两帮平均每月移近量为2 1 m m ，顶、底板平均月移近量为5 4 m m ( 主要为底鼓) 【l l j 。 ( 3 ) 注浆与锚索联合支护技术：淮南矿业集团张集煤矿，对几条大巷采用先补喷 混凝土，再注浆，最后进行锚索支护的方法。该矿几条大巷均采用锚联网喷支护布置在 1 3 1 煤层底板中，为直墙半圆拱形断面，岩性为砂质泥岩和细砂岩，局部为泥岩，岩石 3 西安科技大学工程硕士学位论文 裂隙发育，受地压和采动影响，局部巷道受损破坏，尤其是拱部变形严重。维修前，先 喷1 0 0 m m 后的混凝土，混凝土强度c 2 0 ，配合比为1 ：2 ：2 。注浆孔眼顶孔每排5 个眼，孔伸 2 0 m ，间排距1 5 m ；帮孔每排布四个眼，孔深1 5 m ，两边底孔距底板夹角不小于6 0 0 。 眼孑l 施工顺序：依次由外向里间隔一排打一排，即先将1 、3 、5 、7 排一次打，然后 依次注浆，注浆完后再打2 、4 、6 、8 排孔，再注浆( 见图1 1 ) 。 a a 图1 1 注浆孔布置平剖面不恿图 锚索选用直径1 5 2 4 n u n ，强度1 8 6 0 的钢绞线，锚固深度6 m ，间排距2 m ，布置方式 五花形，沿巷中或巷中两边各1 m 处布孔，每根锚索采用1 卷k 2 3 3 5 和3 卷z 2 3 3 5 树脂药卷 进行锚固( 见图1 2 ) ，配4 0 0 础m 4 0 0 m m 1 0 m m 的钢托盘，锚索的预拉力为6 t 。巷道修 复结束后，分别进行了注浆效果检验、顶板离层及压力观测、锚索载荷测试。通过打眼 取出的岩芯比较完整，孔壁不塌孔，不掉块，岩芯在水中养护3 d ，未见松散破碎，说明 注浆达到预期的效果；锚索施工过程中在巷道顶板安装了锚索测力和顶板离层仪，4 个 月后顶板离层指示仪显示的数据几乎没有下沉量，锚索测力计7 d 后的受力初值6 t 增到 8 5 t ，之后基本没有变化，说明巷道顶板比较完整，来压不明显，围岩基本处于稳定状 态，支护效果好，支护成本大大降低【1 2 】。 图1 2 锚索布置平面示意图 ( 4 ) 锚注支护技术：祁南煤矿中央风井车场绕道采用锚注修复加固，锚注支护机 理分析认为：注浆杆一方面通过注浆改变岩体的力学性能，另一方面为锚杆提供有力的 着力基础，提高锚杆的支护效果。其支护机理主要包括以下几个方面：采用注浆锚杆 4 1 绪论 注浆，可利用浆液封堵围岩裂隙，隔绝空气，防止围岩风化，且能防止围岩被水浸湿而 降低围岩自身的强度；注浆后浆液松散破碎的围岩胶结成整体，提高了岩体强度，充 分利用了围岩的自承能力使巷道保持稳定而不易产生破坏；注浆使得喷层壁后充填密 实，保证荷载能均匀地作用在支护结构上，避免出现应力集中点首先破坏；注浆后作 用在拱顶上的压力能有效地传递到两墙，通过对墙的加固，把荷载传递到底板，同时由 于围岩的整体性提高，强度的增加，可降低作用在底板上的荷载集中程度，从而减小底 板岩石中的应力，减弱底板的塑性变形。底板的稳定，有助于两墙的稳定，在底板及两 墙稳定的条件下，则能保持拱项的稳定；注浆加固能使普通端锚锚杆实现全长锚固， 从而可提高锚杆的锚固力和可靠性；全长锚固的注浆锚杆将多层组合拱连成一体，共同 承载，提高了支护结构的性能；注浆使支护结构的断面尺寸加大，这样围岩作用在支 护结构上的荷载所产生的弯矩变小，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，从而提高了支护结构的承载能力。巷道原支护结构为料石砌碹，位于 2 3 煤组之间的泥岩和粉砂岩段。其施工工艺为：清除危石一初喷5 0 i 】m 后混凝土一钻 凿注浆锚杆孔一安装注浆锚杆一底角锚杆注浆一两帮锚杆注浆_ 拱部锚杆注浆_ 复喷 5 0 m m 厚混凝土_ 复注。顶帮注浆锚杆的规格为2 2 m m 1 8 0 0 m m ，采用壁厚4 m m 的铁管 制作，杆体上顺序钻有6 衄的注浆孔，封孔采用快硬水泥药卷。底角注浆锚杆的规格 同顶帮注浆锚杆，排距1 0 0 0 i 砌，下倾角度3 0 0 4 5 0 。喷射混凝土强度等级为c 2 0 ，初喷 层和复喷层厚度为5 0 m m ，配合比为1 ：2 ：2 。注浆采用水泥水玻璃单液泥浆，水泥为5 2 5 并 普通硅酸盐水泥，水玻璃浓度4 5 b e ，用量为水泥重量的3 5 ，浆液水灰比o 7 1 o ， 注浆压力1 o 1 5 m p a ，最大注浆压力4 m p a 。祁南煤矿中央风井车场绕道段自1 9 9 7 年5 月2 5 日采用锚注支护修复加固后，巷道十分稳定。据观测，巷道无变形，而且节约了大 量的材料费，降低了成本i l 引。 ( 5 ) 锚喷支护技术：新汶矿业集团华丰煤矿巷道埋深达1 1 5 0 m ，加上构造应力和 采场应力的作用，巷道围岩属典型的高应力软岩，在高应力的作用下，巷道围岩由浅部 的弹塑性变形，转变为深部塑性流变变形。巷道的破坏形态主要有以下几种：剪切破 坏：主要发生在巷道的拱基，表现为喷体脱落等；拉伸破坏：主要发生在巷道的直墙 正顶及下帮肩窝处，表现为喷体破断、脱落等：单向受压破坏：主要发生在直墙上帮 上部，造成喷体片状脱落或压碎；收缩变形破坏：主要发生在巷道的弱面位置；其 他：锚杆失去锚固力，拉断和底鼓等。巷道修复选用初喷作为临时支护，锚网喷作为永 久支护。锚喷支护参数：锚杆规格为2 0 m m 1 8 0 0 m 】 1 l 全锚螺纹钢锚杆配水泥药卷，锚 杆间排距0 7 m ；金属网：8 “铁丝经纬网，规格5 0 0 0 8 5 0 m m ，网孔规格8 0 8 0 m m ；混凝 土及配比：设计标号c 1 5 ，喷厚1 2 0 m m ，4 2 5 4 普通硅酸盐水泥，普通河沙，粒径5 l o m m 碎石子；配比：水泥：沙：石子= 1 ：2 ：3 ，水灰比( w ：c ) = o 4 8 。华丰煤矿采用锚喷 支护技术累计修复巷道7 9 1 0 m ，取得了很好的经济效益。对于大断面和跨度较大的交叉 5 西安科技大学工程硕士学位论文 点来说，其围岩破碎范围相对增大，由于受锚杆长度的限制，单独依靠锚喷支护不能有 效控制围岩，因此在锚网喷支护的基础上采用锚索支护加固围岩。锚索支护参数：锚索： 采用1 5 2 4 m m 6 0 0 0 m m 高强度低松弛钢绞线，制成6 o m 长的锚索；锚盘：长4 0 0 m m 的 1 6 4 槽钢，钻1 8 m m 孔：间排距：2 5 m ；初锚力：2 0 0 k n 。锚索配合锚网喷支护，使围 岩的承载能力有明显提高，从而改善了支护效果。利用锚索支护的三岔口、硐室等均未 再出现破坏现象。为了增加巷道围岩表面的约束力，防止巷道出现局部冒顶和片帮现象， 在围岩破碎、冒顶范围大、压力集中地段采用锚梁支护方式，可加固巷道围岩、控制巷 道围岩内部破坏范围的进一步扩大。锚梁支护参数：锚梁：采用u 2 5 型钢梁，长2 5 m ， 半径2 o m ，梁的圆心角为1 2 0 0 以上；锚杆：0 2 0 删【i l 1 8 0 0 m m 等强度螺纹钢锚杆4 或6 根； 锚梁固定卡板：采用厚1 5 m m 钢板加工，用u 型支架搭接卡板，螺丝孔直径改为2 2 m m 。 其施工方法为：根据锚梁位置确定顶部两根锚杆位置，并按设顶部两根锚杆；利用顶部 两根锚杆和卡板将u 型钢梁锚固在顶板上；根据u 2 5 钢梁实际情况，打设安装两边锚杆； 紧固锚杆、喷设混凝土，确保u 2 5 钢梁与巷道表面充分接触，增加巷道的表面约束力。 进行了锚梁支护的巷道，在受到开采影响后，巷道变形很小，巷道未出现破坏i l 4 。 总体上，对于破碎带围岩巷道修复支护及施工形成以下基本认识： ( 1 ) 隧道工程对于特殊地质条件的施工，形成了“短开挖、弱爆破、强支护、早衬 砌、勤检查、稳步前进”的指导原则。 ( 2 ) 优先采用光面爆破开挖方式。根据地质、环境、安全等条件合理选择开挖方 式，优先采用光面爆破技术，减少对围岩的扰动。 ( 3 ) 实施超前加固与支护。对于断层和构造破碎带，采用超前锚杆、超前小导管、 超前预注浆方式施工措施，对围岩进行超前加固和超前支护。 ( 4 ) 积极采用锚喷主动支护方式。对于一般的破碎带围岩，只要岩体( 块) 具有 一定的强度，都可以采用锚杆支护进行加固，配合挂网和喷浆。 2 0 0 2 年至2 0 0 4 年，西安科技大学黄庆享教授等针对攀枝花矿区太平煤矿一级构造 破碎带的运输大巷修复支护，根据松散岩体内部的极限平衡拱原理，提出了巷道修复支 护的“极限自稳隐形拱理论”，提出了围岩修复支护的相关原则，成功地完成了南三和南 四运输大巷的修复支护【1 5 】。部分研究成果，可供1 l8 0 运输大巷修复的直接借鉴。取得 的主要经验如下： 1 ) 先易后难，逐段修复。 2 ) 先里后外，先注浆加固深部围岩，再加固和修整砌碹体； 3 ) 护顶先护帮，加固两帮，控制顶部； 4 ) 锚喷支护方式，主动支护，标本兼治； 5 ) 利用原有支护，减少扰动，联合支护。 6 ) 分区支护，分段施工，整体控制。 6 1 绪论 上述原则和经验，主要来源于隧道支护和一般破碎带支护。攀枝花太平煤矿的经验 可供借鉴。但是，对于巷道的修复支护，必须结合巷道的支护状况和变形情况具体分析， 很难用一种模式直接套用。 虽然西安科技大学能源学院在四川攀枝花太平矿南三大巷破碎带高冒区修复支护 的已经取得较好的研究成果，国内一些煤矿针对自身的地质条件和巷道状况，实施一定 的巷道修复、支护技术，取得了一定的成果，然而大水头煤矿1 1 8 0 运输大巷的目前的 支护与变形条件有所不同，同时不同地域、不同开采条件和煤矿本身的技术力量、材料 供应等方面的限制，不能完全照搬照用上述成果，必须开展针对性的分析和研究，才能 给出合理的支护方案。 1 3 主要研究内容、研究方法和技术路线 1 3 1 主要研究内容 ( 1 ) 巷道破坏类型的划分和确定； ( 2 ) 巷道变形与破坏特征分析； ( 3 ) 提出运输大巷修复支护的原则，确定修复支护方案； ( 4 ) 进行现场工程实践和效果监测分析。 1 3 2 研究方法 ( 1 ) 现场调查法。主要是收集巷道原来的支护方式、破坏状况和维修情况、目前 的破坏状况。 ( 2 ) 理论分析法。研究相关的理论，并借鉴国内外其他矿井在这方面的技术成果， 进行分析、评价，研究和建立科学的支护理论，确定出合理的施工工艺和技术。 ( 3 ) 现场试验研究和工程实践。通过现场试验和工程实践，运用现场施工情况来 反馈方案的合理性，并作出调整。 1 3 3 技术路线 ( 1 ) 实地调查，确定运输大巷破坏状况和类型； ( 2 ) 研究运输大巷破坏的主要影响因素，分析采动影响范围和程度； ( 3 ) 分段提出合理修复支护方案； ( 4 ) 进行现场试验，在实践中修正完善。 7 西安科技大学工程硕士学位论文 2 巷道围岩条件与周围采动状况 2 1 巷道的地质条件 2 1 1 地层 大巷附近的主要地层情况如大桥1 号钻孔柱状图2 1 所示。地层白上而下：冲沉积 层4 2 5 m ；其下部为2 9 0 m 的粉砂岩和砂质泥岩；煤层顶板分别为粉砂岩、粗砂岩和中 砂岩，厚度4 7 m ；煤层厚9 4 m ；煤层底板为粉砂岩和细砂岩。巷道部分围岩物理力学 性质见表2 1 。 表2 1 围岩物理力学性质 2 1 2 巷道位置 1 1 8 0 运输大巷平面位置如图2 2 所示，位于中2 0 2 工作面( 已采) 和1 0 2 工作面( 已 采) 之间，基本与f 4 0 正断层平行。大巷和石门埋深约4 l o m ，1 1 8 0 大巷位于主采煤层 底板之下2 2 4 0 m 处，如剖面图2 3 所示。 1 1 8 0 运输大巷和石门距离煤层较近，且有多条断层影响，在经历1 0 2 工作面采动 后，2 0 2 工作面的开采必将对大巷和石门的稳定性构成影响。 2 1 31 1 8 0 运输大巷剖面地质素描 1 1 8 0 运输大巷自主石门煤仓至向东2 6 0 m ( 图2 4 中涂黑部分) 的巷道地质素描如 图2 5 所示。巷道围岩小构造发育，除了部分地段为较稳定的粗砂岩外，大部分地段为 r 2 巷道围岩条件与周围采动状况 松软的炭质泥岩，央带多处裂隙带淋水点。炭质泥岩段主要分布在距离煤仓3 0 m 1 3 5 m 处，2 2 0 m 一2 5 0 m 处。其它段资料不详。 炭质泥岩为明显的低强度软岩，根据国际岩石力学会将软岩定义为单轴抗压强度在 o 5 2 5 m p a 之间的一类岩石【1 6 】判定，上述粗砂岩、粉细砂岩也是低强度软岩。加之大 巷穿越部分断裂破碎带，判定巷道围岩属于低强度和节理化软岩的复合型软岩。 时代 深度厚度 岩芯采珞 真厚 层底 柱状 顷角标高 岩石名称岩性擅述 长术 系统 组 l ：锄 删)( 町 ( 1 0 麟 4 2 54 2 5 冲积层 以南山系片状变质岩为主未经胶结，分选较差 此段为无岩心钻进，据判层深度kl 为7 9 7 们，以粉砂岩及砂质泥岩 念澎 2 3 42 9 1 册1 8 2 7 6 8 6 为主，j 3 地层岩性，以砂岩及粉砂岩为主，岩心倾角采用平均 1 8 。 杂色( 中上以紫色为丰。间少许灰绿及黄绿，下部为深灰色) 其方 3 lo 5 31 5 1 91 4 2 5鲋3 2 。1 2 8 8粉砂岩 解石，脉充填，岩心局部较破碎。顶部有受挤压现象。下部砂质逐 渐增多，岩心较完整，具参差状断n 。 一， 3 1 4 7 84 2 51 7 5 4 l3 粗砂岩 灰n 色。成份以f i 英为主，长 i 次之。含粉砂岩块，变质岩硝及黄 铁矿薄膜。上部少许中砂岩，分选较好，偶有石英粒石英充填。 侏 杂色( 以灰绿色为t 及少许深褐色) 。较致密，含石膏。具滑l i 、 3 1 8 9 34 1 52 3 05 53 5 2粉砂岩 方解石脉充填。底郝含砂虽增扇。 3 2 2 0 03 0 71 柏4 64 7 。2 中砂岩 灰白色。成份以石炎为士，长f 1 次之。钙质胶结层呵吉少量云母砰片 3 3 0 1 28 1 27 0 28 75 5 4粉砂岩 杂色( 以深灰色、暗紫 i ：色为末) 。无层理，具滑石、方解f i 脉充 填。沿层面含少许白云母碎片。下部砂质增高，岩心局部较完整。 j 3 3 3 3 0 02 稠i 5 7i 中砂崭 灰自，l i 英为主，k 石次之。钙质胶结。含暗色矿物，坚硬。分选较好。 鳊3 5 7 0 52 4 2 2 3 2 鸵1 6 柏 粉砂岩 杂色( r 部为暗紫色，中部灰绿色，下部为砖红、灰黑及黄绿色) 。岩心较完 整。无层理，具滑石、铅垂裂隙发何。中部具方解钉脉充填，夹0 5 0 - 细砂岩， 罗底部有o 2 _ 灰质逐渐增高，为直接顶扳。 以粉末状为主，局部为少许块状煤。含黄铁矿薄膜。电测瓷料3 6 6 9 0 3 4 59 4 0 8 7 59 33 0 97 3 l 煤 3 5 7 o 妇、煤厚9 9 0 l 。结构单一。综合单一。综合成粜采用电测资料。 3 百77 51 3 0l ，3 01 0 03 0 1 1 3 弼炭质- 掘右盒灰庙转搿。沿层石禽文帚嚣铁露淹脬。岩心局嚣轻醒砰。琶篮j # ! a 3 7 2 3 04 5 53 2 57 l3 0 3 ，9 4 粉砂岩 灰黑色，岩心较破碎。无层理，j 滑fj 泥赝胶绐项部含岩质较高。含黄铁 一-_- 矿溥膜，夹o 1 - 细砂岩，底部含碳盆减少。细滑感，禽铝质。 细一灰白色。以石英为主，长f i 次之。钙质胶结，层面含大量煤硝局部含变质岩 螨中砂硝( 达2 5 ) ，粉砂崧块( 迭4 d ) ，石英粒( 达1 5 _ ) ，燧石及暗色矿物。 3 9 1 1 l1 8 8 l l o 3 b5 53 0 i8 2 9 岩闽必薄层粉租砂岩，成分较复杂。分选较差。 系 以浅灰色、暗紫红色，灰白色为宅。中上部含铁质及石英小颗粒，具角面状结 3 鲫9 08 7 93 5 5 柏7 6 l 细砂岩 构。铁质胶结。致密、坚硬、比霞大；下部沿层面含黄铁矿薄膜及煤硝。 粉砂岩 黑色粉砂岩，层面含煤硝及少许植物化石碎片：细砂岩为灰白色，成分以石英为 与细砂 主，长石次之。裂隙较发育，具l i 英脉充填，较1 旺硬。 4 1 1 e 71 1 7 71 1 0 5 9 41 0 4 9 岩瓦层 4 1 4 2 82 6 1o t 52 82 3 3中砂岩 灰n 色。i i 英为主长石次之。偶含粉砂岩块，层面含暗色矿物。 1 7 7 93 5 l o 9 02 63 1 3 粗砂岩灰白色。石英为主。石英粒经3 0 _ ，粉砂岩块，燧石，暗色矿物。 9 图2 2 1 1 8 0 运输大巷平面位置 图2 31 1 8 0 运输大巷地质剖面图 图2 4 大巷素描段的位置( 涂黑部分) 1 0 勰黜黜僻船 2 巷遗固岩条件与用固采动状况 | j j 9j 禹 ，a 丁二二二竺望里翌壁鋈鏖基星霎垂薹薹塞羹 q 6 _ 1 匿氢蠢p 舟 。j 协 滔霉雾垂垂葱 “ 1 。 m 。矗雠 j 向尔0 i3 5 m ：；氟己薹三! 兰三歪盈匾 e 二j 慧嚣囊蒸蒸羹羹羹攀霎萋豁兰i 手0 o _ e - p # 自e - “_o - - o o * - t 女 ( b ) 运输石门向东1 3 5 m 2 6 嘶i 图25 1 1 8 0 运输人巷地质素描剖面 2 2 巷道周围工作面采动情况 1 1 8 0 大巷位于1 0 2 工作面煤层底板之下2 2 _ 4 0 i i l 处，距离1 0 2 采空区水平距离3 0 m ， 距离2 0 2 采空区水平距离最近处3 0 i r i 、最远处1 6 8 m 。 煤层开采引起回采空间围岩应力重新分布，工作面沿倾斜方向的的固定支承压力不 仅在回采空间周围煤体( 柱) 匕造成应力集中，还会向底板深部传递，在底板岩层一定 范围内重新分布应力。l l 舳运输大巷主要受】0 2 工作面采动影响，2 0 2 工作面的开采也 会对大巷的稳定性构成影响。 2 2 11 0 2 工作面 1 0 2 工作面为1 0 1 综放工作面接续面，该工作面位于1 1 1 0 水平，工作面走向长从 切眼至停采线8 8 0 m ，倾斜长1 2 2 m ，煤层倾角3 0 l o o ，煤层平均厚度95 m 。工作面深 度平均深度为3 6 0 m 。煤系地层见柱状图26 。该工作面走向位于1 1 8 0 大巷一侧。 采煤方法：采用走向长壁，综放一次采全高全部跨落采煤法。 输 ” 莲 = o o o o 西安科技大学工程硕士学位论文 巷道布置：运输顺槽和回风顺槽沿煤层底板布置，瓦斯排放巷沿煤层项板布置，和 回风顺槽相距1 5m 布置。运输顺槽采用1 1 “工字钢喷浆支护，距切眼2 2 6m 采用锚网喷 支护，为机轨合一巷道，s 1 2 0 4m 2 ，是工作面进风道。回风顺槽采用s = 1 0 1m 2 的1 1 撑 工字钢支护，该巷主要铺设轨道运料，是工作面回风道。 回采工艺：采用走向长壁，综合机械化低放位放顶煤一次采全高全部垮落采煤法。 多轮顺序放煤，放煤步距1 。2 m ，每次放煤量为顶煤的1 3 1 2 ，两次放完。割煤高度 2 m ，放煤高度7 4 9 m ，采放比为1 ：2 3 。 层 系组柱状 厚 岩层名称 岩性描述 m oo 灰、灰白色，粒度不均，向下过渡 j 2 ， o 砂砾岩 口 o 为中粒砂岩 深灰色，局部过渡为粗粒砂岩且直 8 o 细砂岩 立裂隙 灰白色向下粒度变粗，成份石英为 5 ，4 粗砂岩 主，具黄铁矿结核 灰色，中部鲜红色、杂色，下部为 8 0粉砂岩 深褐色，灰黑色，下部含炭质泥质 玉， oo o t7 铝质泥岩 青灰色，灰色，性脆质软，遇水膨胀 丁 o 一层煤，黑色，沫煤为主，有一层 煤 夹矸( 炭质粉砂岩) 2 5 粉砂岩 灰黑色，含炭质较高，夹薄层中粒砂岩 t 8 细砂岩 灰白色，下部逐渐过渡为中粒砂岩 灰白、青灰色上部为粒液较细的细砂 细砂岩 岩，下部为中粒砂岩 1 2 o o0 o o o 。o 砾岩，砂砾岩互层，成份复杂的石 o o 英为主，次为燧石，钙质胶接，极 o 坚硬，粉选性差，磨圆度中等，为 k o o 砂粒岩 底砾岩 o0 o o o o o o 。o 图2 61 0 2 工作面煤系地层 2 2 22 0 2 工作面 2 0 2 工作面开采参数与1 0 2 工作面基本相同，工作面倾斜长度1 2 0 m ，采用放顶煤 方法，一次采放高度9 5 m 。工作面跨过进风石门开采，开采边界距离运输大巷9 0 m 。 1 2 2 巷道围岩务件与周围采动状况 2 0 2 工作面位于1 1 8 0 大巷的另一侧。 2 2 3 巷道断面尺寸 巷道断面为直墙半圆拱形，巷道净宽度为4 5 m ，净高度为3 6 m ，如图2 7 所示。 图2 71 1 8 0 运输人巷断面 巷道的支护方式为钢棚+ 喷浆，砌碹+ 钢棚，锚杆+ 喷浆。巷道部分地段是在原支护 基础上，由于巷道变形采取了加固支护所形成的联合支护方式。 2 2 4 成巷时间及使用年限 1 1 8 0 运输大巷成巷于1 9 9 1 年1 2 月，至2 0 0 6 年5 月，已经使用了1 4 年零4 个月 的时间。 2 2 5 原支护状况 巷道原支护有三种形式，第一种为支架喷混凝土支护，支架用1 1 捍矿用工字钢加工， 支架间距7 0 0 m m ，棚间设5 根西1 6 的圆钢拉杆，每棚支架用混凝土背板( 9 0 0 1 5 0 5 0 舢【n ) 3 3 块，1 2 4 铅丝编制的金属经纬网0 9 1 0 m 2 ，喷浆厚度l o o i i u i l ；第二种为锚喷支护，锚 杆为1 4 1 6 0 0 m m 的圆钢锚杆，三花形布置，间排距均为8 0 0 m m ，即每环1 2 根，每米 1 5 根，喷浆厚度1 0 0 m m ；第三种为料石砌碹支护。 2 3 本章小结 介绍了巷道围岩状况、周围采动情况、巷道断面尺寸、成巷时间、使用年限以及原 支护状况，在对巷道位置分析的基础上，指出巷道围岩小构造发育，除了部分地段为较 稳定的粗砂岩外，大部分地段为松软的炭质泥岩，夹带多处裂隙带淋水点，判定巷道围 岩属于复合型软岩。同时，巷道周围有已采和正在回采的工作面，工作面的采动影响大 巷围岩的稳定。 1 3 西安科技大学工程硕士学位论文 3 巷道变形与破坏特征分析 3 1 修复巷道的位置和断面特征 修复巷道实测断面位置如图3 1 所示，巷道断面尺寸如表3 1 所示。 图3 1 观测断面位置 表3 1 断面尺寸和支护方式 1 4 3 巷道变形与破坏特征分析 3 2 修复巷道分段 按照由外向卫的顺序，依据巷道破坏变形的情况、修复的难易程度，将修复巷道进 行分段。分段结果如图32 所示 。啦 a n f 心。一刊 # 三瞳* 一 彗_ i 图32 复修巷道分段图 3 2 1 轻微破坏段 第一段：0 - 2 9 8 m ，即轻微破坏段。该段巷逆对应丁1 号断而，采用钢棚和喷浆支 护，略有底鼓，巷道宽度42 5 m 高度37 m ，基本e 吖以满足运输通风要求如图33 。 巷道只需要进行局部底鼓的起底修整和局部开裂山的表面喷浆处理，无须扩帮大 修。 图33 第段巷道断面特征 西安科技大学工程硕士学位论支 3 2 2 两帮内移段 第二段：2 9 8 3 8 8 m ，即两帮内移段段。本段巷道对应于2 号断面巷道变形比较 明显，巷道宽度为36 m 左右，高度一般为34 m ，采用金属支架和喷浆支护，巷道帮部 出现矿牟擦痕，如囝34 所不。巷道断面不能满足运输和通风要求，需要进行扩帮修复 支护。 3 2 l m 处巷道宽度3 7 m ，巷帮棚腿内弯 3 5 0 m 处巷道宽度36 m ，断面呈尖桃状 3 7 5 m 处巷道宽虚39 m 3 7 5 m 处巷道宽度39 m 罔34 第一段的巷道变形破坏特征 3 2 3 砌碹加钢棚支护段 第二段：3 8 8 4 1 5 m ，即砌碹加钢棚支护段，该段变形和淋水明显。本段巷道接近 于3 号断面，原始巷道在砌碹和金属棚联合支护，仍然失控，是修复支护的重点段之一。 巷道宽度36 m ，高度3o m 左右，巷道变形和破裂明显，并伴有淋水，如图35 所示。