浅谈梯形大断面准备巷道在埋深高应力软岩中的掘进支护技术.doc

浅谈梯形大断面准备巷道在深部高应力软岩中的巷道支护设计与施工技术李文其 刘波山东鲁中能源新查庄矿业公司生产技术部 肥城 271612摘 要: 针对山东鲁中能源新查庄矿业公司31200东翼深部巷道处于深埋高应力软岩区的实际情况，在分析了原有支护方式不足，特别是应用底角锚杆控制巷道变形,，根据巷道的实际地质情况和煤层结构构造，分析了深埋高应力软岩情况下巷道围岩变形破坏的原因,总结了联合支护的施工经验,选用锚网带+锚索联合支护的方式对梯形大断面巷道进行支护，对于提高深埋软岩巷道的实际支护效果，保障安全开采具有一定借鉴意义。 关键词: 深部巷道；高应力；软岩；大断面 ；巷道联合支护前言新查庄矿业公司东翼深部巷道埋藏深度在642m，31200东翼深部巷道采用传统锚网索支护技术,但在31200东翼深部轨道巷施工过程中,出现了顶板下沉严重、底鼓、巷帮煤体呈明显的剪切滑移、及锚杆拉弯变形、锚杆托盘内陷等大变形现象。针对这些破坏情况,在后续的返修和掘进过程中,改变了原有的支护参数,提高了支护强度,同时强调对围岩施加锚网索耦合支护以及对关键部位的有效治理,基本实现了巷道的有效稳定。1工程概况31200东翼深部巷道群埋深-600m-700m,所处地层为古生界二叠系上统山西组, 31200东翼深部轨道巷下段施工范围内煤3直接顶板为灰色至深灰色粉砂岩，厚度为0.5m5.0 m，平均1.8m，泥质胶结，含泥质结核和植物化石，具层理，下部含不规则煤线，f=5.0；基本顶为灰色至灰白色中砂岩，厚度为5.5m14.0m,平均9.5m ,钙质胶结，厚层状，具明显层理，局部夹薄层深灰色粉砂岩f=6.0；直接底板为灰色粉砂岩，厚度为0.8m2.0m，平均1.5m，粘土质胶结，粘土含量高，富含植物化石，f=4.5；基本底板为灰白至浅灰色中砂岩，厚度为0.8m10.5m，平均5.5m，以长石石英为主，次为暗色矿物，岩粒易风化，含深灰色粉砂岩条纹和少量植物化石，f=5.5。煤岩层倾角变化急剧,地质构造破坏了岩层的完整性,层理节理发育,围岩容易破碎开裂。2巷道变形破坏的特点及原因分析2.1巷道变形的特点(1)巷道施工30 d后开始出现不同程度的变形和破坏,4050d变形加剧,主要表现在巷顶严重下沉, 巷帮挤碎，巷帮煤体呈明显的剪切滑移,底鼓现象严重,锚杆被扭弯、剪断,锚杆托盘脱落或断裂,两帮相对移近量最大达1.5m。(2)巷道修复仍以锚网索为主支护,但由于围岩变形大,持续时间长,修复工作并未有效地控制围岩变形,修复后的巷道仍不能保持稳定。(3)变形后围岩的主要特征是软弱、松散、破碎,软化、泥化现象显著,力学特性显著降低,加上围岩破坏后部分锚杆失效,巷道后期变形加剧。(4)部分地段围岩受地下水的浸泡,岩体泥化现象明显,底鼓和巷道变形更为严重。2.2破坏原因分析2.2.1深部地应力大31200东翼深部巷道群埋深在600m700m之间,上覆岩层产生的垂直主应力为:由于该处巷道群处于F7与F1-2断层之间,地质构造比较复杂，煤层倾角局部变化急剧,因而处于较高的构造应力区。2.2.2围岩强度较低巷道所处围岩的天然抗压强度仅为1.4526.7MPa,皆属于软岩类。软岩具有强度小、易破碎、遇水易软化、支护困难等特性,为不坚固岩层。加上围岩易潮解风化，具有高饱和吸水率和强烈的膨胀性，抗干扰性差，放炮震动能导致围岩结构的变化等环境因素对岩层造成的破坏加大表层围岩的裂隙，造成开挖后巷道的自承能力低，自稳时间短，巷道处于极不稳定状态,势必会出现变形破坏。2.2.3支护参数选择不合理巷道原设计支护方式为锚网支护, 巷道断面规格：净宽净高3.6m3.2m。顶板采用L=2200mm20mm螺纹钢锚杆支护，锚杆间排距为850mm900mm，每排布置5根，采用铁托盘压规格为:长宽厚=3700mm220mm3.5mm的W型钢带，并敷规格为：长宽=2800mm1100mm的8#冷拔丝经纬网片，网孔规格为:60mm60mm，局部地段以6000mm15.24mm钢铰线锚索加强支护。两帮采用规格为：L=2000mm18mm的螺纹钢锚杆，间排距为1000mm1000mm，每根锚杆锚注K2340型或K2540型树脂锚固剂1块，每排布置3根，第一根距顶板0.8m，靠近底板的锚杆角度按70（5）打注，采用规格为：300mm180mm40mm的木托盘，并敷规格为：长宽=2300mm1100mm的8#冷拔丝经纬网，网孔规格为:60mm60mm，对于巷道所处的工程地质环境,原支护参数存在以下问题:支护强度不够,且难以形成支护的整体性;锚杆和托盘不匹配,托盘厚度不够,部分托盘内陷、反转失效导致锚杆失效。另外,加上施工过程中锚杆预紧力不足、巷道支护滞后等因素,巷道关键部位首先发生失稳破坏,进而导致全断面失效。 2.2.4底板和巷道底角未采取有效措施由于没采取有效措施,已施工巷道的支护体处于半开放结构状态。当巷道顶帮压力加大时,底板围岩应力集中,同时,巷道底板因受地下水和工程水的侵蚀,岩层强度急剧降低,底板岩层产生显著的塑性变形和剪切破坏,表现为显著的底鼓现象,进而直接影响巷道顶帮的稳定,造成巷道支护结构的全面失稳。3耦合支护设计3.1初次耦合支护设计顶板施工采用矩形断面锚网带、锚索联合全封闭支护，巷道断面规格：净宽净高3.6m3.2m。顶板采用规格为：L=2400mm20mm的高强高预应力让均压锚杆支护，每排布置5根锚杆，间排距为850mm900mm，每根锚杆注K2340树脂锚固剂2块，预紧力矩为200N.m，锚固力80 KN根(22Mpa）。采用铁托盘压规格为：长宽厚=3700mm220mm3mm的W型钢带，并敷规格为：长宽=2800mm1100mm的8冷拔丝经纬网，网格规格：60mm60mm，网片搭接长度不小于60mm，每隔300mm500mm用12或14#铁丝双股连接拧紧，锚杆外露螺帽长度5mm70mm。两帮采用规格为：L=2800mm20mm的螺纹钢细丝锚杆支护，每排布置4根锚杆，间排距为800mm900mm，肩部锚杆距顶板200mm,每根锚杆注K2540树脂锚固剂2块，预紧力矩为100N.m，锚固力80KN根(22Mpa）。采用铁托盘压规格为：长宽厚=2600mm170mm3mm的W型钢带，并敷规格为：长宽=2300mm1100mm的8#冷拔丝经纬网，网孔规格为60mm60mm。网片搭接长度不小于60mm，每隔300mm500mm用12或14#铁丝双股连接拧紧，锚杆外露螺帽长度10mm70mm。两帮肩部锚杆与帮部岩面呈80（5）夹角打设；两帮底角锚杆与帮部岩面呈70（5）夹角打设。采用全封闭式锚网支护，顶网与帮网连接好，两帮锚杆托后施工迎头3m5m打注。3.2二次耦合支护设计为实现对巷道岩性的整体控制,在上述锚网支护的基础上,采用全断面高预应力锚索支护紧跟掘进工作面施工,锚索锚固力达到200Kn/根。顶部锚索采用规格为:L=7000mm15.24mm的钢铰线，呈二一二布置，即每1.8m打设一对，间距1400mm，并在每2组锚索之间巷道中心线位置再打注1根锚索，每根锚索注K2340树脂锚固剂不少于3块，预紧力不小于80KN(22MPa)，锚固力不低于200KN/根(55MPa)。锚索下端敷设规格为：300mm300mm10mm 高强托盘（或长度为300mm500mm的矿用工字钢制作的专用锚索托盘），锚索外露长度为300mm500mm。锚索必须确保锚入稳定岩层不低于1.0m。锚索拖后迎头不大于3m。帮部锚索采用规格为:L=4000mm15.24mm的钢铰线，帮部锚索布置在帮部第二、三根锚杆中间，间距900mm，每根锚索注K2340型树脂锚固剂不少于3块，预紧力不小于80KN(22MPa)，锚固力不低于200KN/根(55MPa)。锚索下端敷设规格为：300mm300mm10mm 高强托盘（或长度为300mm500mm的矿用工字钢制作的专用锚索托盘），锚索外露长度为300mm500mm。锚索拖后迎头不大于3m。见附图。附图：梯形锚网带+锚索联合支护附表：梯形锚网带+锚索联合支护材料就的支护材料顶部锚杆：高强高预应力让均压锚杆，K2340型树脂锚固剂帮 锚 杆：螺纹钢锚杆，K2540型树脂锚固剂材料支护材料规格顶部锚杆：2400mm20mm帮部锚杆：2200mm18mm锚 索：顶7000mm15.24mm 帮4000mm15.24mm间排距顶部锚杆：850mm900mm帮部锚杆：800mm1000mm锚 索：顶900mm3000mm 帮900mm2000mm3.3耦合支护顺序按设计毛断面掘进临时支护出矸石铺设顶部8冷拔丝经纬网及钢带施工顶部锚杆铺设顶部8冷拔丝经纬网及钢带施工顶部锚索施工帮部锚索清除底部矸石施工底角锚杆质量检查。4施工注意事项(1)必须采用光面爆破，爆破后的巷道断面轮廓符合设计要求。(2)锚杆孔尽量垂直岩层赋存方向。(3) 尽量缩短空顶时间，严格控制片帮、抽冒顶的现象发生，及时加打锚索进行支护，一次紧固和二次紧固都要达到设计预紧力。(4) 锚索眼必须垂直巷壁，孔深不得超过设计孔深50mm。锚固力要达到200kN根（55MPa）。(5) 运输及使用过程中采取有效措施,防止钢绞线破股。 5应用效果新查庄矿业公司按照修改的支护设计方案已施工350m巷道,为了检测支护效果,在所施工巷道内进行了顶板下沉、两帮位移及底鼓3项检测。检测结果表明,从2012年4月25日起至10月24日止,顶板累计下沉量为50mm,两帮移近量平均为58 mm,最大移近量为95mm,累计底鼓为80mm,基本实现了巷道的稳定支护。6结语(1)通过锚网带+锚索联合支护支护,使锚杆与围岩粘结在一起, 支护强度大，效果好，提高了岩体的整体刚度,不但可对岩层离层起到阻碍作用,而且可增加岩层间的摩擦力,使支护体和岩层形成一个整体的支护结构。(2)利用锚索技术将上覆不稳定岩层悬吊到深部稳定岩层中,可有效调动深部围岩的承载能力,减少上覆岩层压力。(3)通过锚索支护将围岩应力传入煤体深部，减小了围岩自身的破，控制了漏顶事故的发生,在角部形成自承能力较高的承载拱,减少两帮下沉及塑性变形,从而达到控制底鼓的效果。 (4)巷道得到有效维护，保证回采工作面快速推进，保证了巷道通风和运输断面尺寸，为生产高效提供了有利保障。参考文献：1 李学华,侯朝炯,柏建彪,张农.高应力巷道围岩应力转移技术与工程应用研究，2010，1.2 张成银，杜昌要. 深埋高应力软岩掘进巷道支护技术研究J. 煤炭科技，2008，(2).3 何满潮,谢和平,彭苏萍,等深部开采岩体力学研究J.岩石力学与工程学报,2005,24(16): 2803-2813.4贾明魁,贾立安,刘银志.高应力破碎带大断