浅析软岩巷道支护技术.doc

成 绩 中 国 矿 业 大 学2012 级 硕 士研究生课程考试试卷考试科目 学科采矿与安全领域硕士学科专题讲座 考试时间 2012 年12月20日 学生姓名 李亮海 学 号 ZS12120070 所在院系 安全工程学院 任课教师 柏建彪 窦林名 张农 中国矿业大学研究生院培养管理处印制浅析软岩巷道支护技术摘要：随着我国煤层的大力开发，软岩矿井的数量也在与日俱增。特殊条件下的巷道施工与维护问题已变得日益突出，并成为影响和制约我国煤炭工业发展的重要因素之一。采用常规的支护方法，已不能满足安全生产的需要。研究有效而经济的软岩支护方法, 是当前生产中急需解决的问题。因此，在查阅了一定资料的基础上，本文对我国软岩巷道支护困难的原因和软岩支护技术的种类作了系统总结。关键词：软岩；支护技术； Soft rock roadway Analysis Technology DevelopmentAbstract: With the vigorous development of Chinas coal seam, the number of soft rock mines is growing. Construction of the tunnel under the special conditions and maintenance issues have become increasingly prominent, and became their influence on the development of coal industry is one important factor. Support using conventional methods can not meet the safety requirements. effective and economical method of soft rock is the current urgent problems in production. This access to a large number of relevant journal, more than the typical soft rock mines on the supporting technical analysis, summed up the support of the development of soft rock the status quo. Keywords: Soft rock; Support Technology; 60 引言由于深部岩体处于复杂的工程地质环境，使深部岩体表现出的力学特性与浅部开采时往往具有很大的差异，并且，随着开采深度的增加，伴随着硬岩矿井向软岩矿井的转型。在浅部开采基础上发展起来的传统支护理论、设计方法及技术已难以适应深部巷道支护的要求，尤其是深部软岩巷道支护设计及实际的需要1。随着其开采深度不断增加, 受高应力的影响, 软岩问题愈趋严重, 深部围岩处于软岩状态, 施工条件趋于复杂化, 巷道及硐室支护的难度和破坏程度不断增加。底臌是煤矿巷道中经常发生的动力现象, 巷道底臌使断面缩小, 阻碍运输、通风和人员行走, 因底臌而造成巷道报废的现象时有发生, 严重影响生产和威胁安全2。软岩巷道支护问题日益突出。研究高效而经济的软岩巷道支护方法,是目前矿井生产急需解决的问题。1 软岩巷道的概念和基本特征1.1 软岩的概念软岩是我国煤炭系统的习惯用语, 它的概念已不是狭义的字面上的含义。目前人们普遍认可的软岩的概念包括松散型软岩、破碎型软岩、流变型软岩、膨胀型软岩及高地应力型也称硬岩软化型软岩等五种特点岩石。1.2 软岩的基本特征（1）软岩松散破碎, 结构疏松, 容重低, 孔隙率较高, 强度小, 稳定性差。一般软岩多为泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩及粉砂岩组成, 单向抗压强度小于200 Mpa。（2）软岩易吸水崩解, 膨胀性强。软岩膨胀的概念有两个一、专指那些含有膨胀性矿物如高岭石、蒙脱石等的软岩所产生的膨胀变形。二、指软岩岩体向巷道空间的位移变形。（3）软岩巷道自稳性差, 围岩压力大, 来压快, 自稳时间短。多数围岩自稳时间仅几十分钟到几小时。（4）软岩巷道变形量大, 变形持续时间长, 具有流变性能。软岩静压巷道中总变形量超过400-500mm者甚多。变形时间一般都在1-3个月以上, 甚至半年后仍继续增长。（5）软岩巷道变形速度快, 变形范围广, 底腻明显。1.3 软岩巷道的特征（1）围岩的自稳时间短、来压快所谓的自稳时间, 就是在没有支护的情况下, 围岩从暴露起到开始失稳而冒落的时间。软岩巷道的自稳时间仅为几十分钟到几个小时, 巷道来压快, 要立即支护或超前支护, 方能保证巷道围岩不致冒落。巷道围岩的自稳时间长短主要取决于围岩强度和地压大小, 同时也和巷道的断面形状、掘进方法、巷道所处的位置等有关。（2）围岩变形量大、速度快、持续时间长软岩巷道的突出特点就是围岩变形速度快、变形量大、持续时间长, 一般软岩巷道掘进后的第1-2天, 变形速度小的5-10mm/d, 大的达50-100mm/d, 变形持续时间一般为, 有的长达半年以上仍不能确定。软岩巷道的围岩变形量, 在支护良好的状态下, 其均匀变形量一般达到60-100mm以上, 大的甚至达300-500mm如果支护不当, 围岩变形量很大,300-1 000mm 以上的变形量是司空见惯的。谢一矿780m水平位于泥岩层的运输大巷, 在开巷后的100天内, 顶底及两帮的移近量分别达到625m和387m, 一年后达到1 200mm和800mm, 支护翻修后所产生的附加变形量仍达到300-400。上述特点是软岩巷道最突出的特征。（3）围岩的四周来压、底鼓明显。在较坚硬的岩层中, 围岩对支架的压力主要来自顶板, 中硬岩层对支架的压力来自顶板和两帮, 但在松软岩层巷道中则四周来压、底鼓明显。松软岩层, 由于结构疏松、强度低, 很难支撑上覆岩层的重量, 围岩在自重地压(rh)的作用下, 以垂直变形为主, 垂直变形中又以底鼓为主。2 软岩巷道的支护困难原因分析造成软岩巷道地压显现剧烈, 支护困难的原因是多方面的, 最主要的原因有以下几个方面。2.1 岩层成岩年代晚, 胶结程度差我国软岩矿区主要分布在开采新生界第三纪褐煤和开采中生界上侏罗纪的褐煤矿区。这些矿区煤层顶底板岩石都非常松软破碎, 易风化, 因此怕风、怕水、怕展。2.2 岩石强度低煤矿软岩多为泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩等, 单向抗压强度都比较低。由于岩石强度低,表现在围岩松散、软弱, 在中等或稍高应力水平状态下就能产生较大的围岩变形, 支护困难。2.3 节理发育, 岩体破碎有些矿区, 虽然岩石强度很高, 但由于节理比较发育, 岩体破碎, 支护也十分困难。所以,在岩块强度高的节理化地层中, 也可能表现出软岩特征。2.4 围岩应力水平高岩石强度低是形成软岩的重要因素, 但这只是问题的一个方面。岩石强度的高低是一个相对的概念, 它与地应力紧密相联。如果岩体强度低, 但地应力绝对值也低, 就表现不出软岩特征。围岩应力水平高, 表现在三个方面（1）巷道埋深大随开采深度的增加, 一些原本稳定性较好的围岩也显现出软岩的特征。（2）构造应力大（3）集中应力作用连接处巷道、受邻近巷道掘进影响的巷道等, 其围岩均承受一定的集中应力, 从而使围岩由稳定状态过渡到软岩状态。2.5 岩石吸水膨胀遇水膨胀地层, 多含有蒙脱石、伊利石、高岭石等粘土矿物成分, 亲水后产生显著的体积膨胀, 巷道开挖在这种软岩地层中, 若治水措施不当极难支护。3 软岩巷道支护技术的种类3.1 普通支护普通支护就是支架脱离了岩体之外, 消极被动地承受岩体变形、破碎施加的能量, 以支架自身的强度支承围岩, 在围岩发生变形时, 支护有一定的可缩量。3.2 锚杆的联合支护技术为了进一步提高软岩巷道稳定性,锚杆被广泛应用于锚网喷技术及锚注技术等。锚网喷技术中,锚杆锚固在未破坏的岩体上,阻止围岩松动变形和破坏;喷射混凝土喷层封闭围岩表面,支护锚杆间围岩,防止表面岩层冒落;喷层中铺设钢筋网,可增加喷层的强度和柔性,提高支护的整体性。锚杆、混凝土喷层和钢筋网三者组成的支护体与围岩紧密结合,共同承载,既充分利用和发挥了围岩的自承能力,又在与围岩共同变形过程中及时提供支护抗力,限制围岩产生有害变形,从而保持巷道稳定3。锚注支护是兼有锚杆支护与注浆加固共同优点的一种支护方式。在巷道开挖以后,对巷道围岩进行喷浆封闭,防止围岩进一步风化;然后在围岩中打入注浆锚杆进行注浆加固。注浆锚杆既有锚杆支护的特点,又能通过此锚杆对围岩进行注浆。通过注浆、浆液充填、压密裂隙空间,使围岩由注浆前的无约束松散状态变为由锚杆、浆体和围岩共同作用的具有承受抗压、抗剪切、抗拉等适应复杂应力、应变状态的支护体4 。3.3 锚、网、喷支护锚网喷支护具有及时性、密贴性、柔性喇作用, 具有技术先进、工艺简单、操作简便、安全可靠、经济合理和适用性强等优点。近年来, 随着高强锚杆的开发和应用, 进一步发挥了锚网喷支护的效果, 扩大了锚网喷支护技术的应用领域。锚网喷支护技术主要由喷层、锚杆、钢筋网3部分组成。其作用机理如下（1）由于喷层的施作及时且能与围岩密贴, 所以, 它具有能及时封闭围岩防止围岩风化与潮解、支撑和填平补强围岩、分配外力等作用。同时由于喷层中钢筋网的存在增强了喷层的柔韧性, 提高了喷层的抗弯与抗变形能力, 能减少裂缝的宽度和数, 使喷层应力分配均匀, 整体性能得到改善。（2）锚杆是锚网喷支护的核心部分, 其通过与喷层的连接把阻止围岩破坏的力传递到稳定的岩层中, 有效地控制塑性区、破碎区的发展和围岩的变形, 同时, 由于锚杆的擂人提高了围岩的强度和整体性, 大大增强了围岩的稳定性, 锚杆预应力的存在使围岩在未发生大变形的情况下就受到外力的支护, 有利于保持围岩固有的力学特性, 并控制大变形的发生针对不同的围岩, 可采用不同的锚喷网支护结构参数和施工工艺。岩性较好时可采用分次完成支护的施工工艺, 岩性较差时可采用一次完成支护的施工工艺。3.4 锚、网、喷与U钢金属支架联合支护对特别松软、破碎岩层, 采用锚、网、喷支护作用不明显时根据围岩变形的特点, 采取锚、网、喷作为一次支护, 可使喷层及时封闭围岩, 容易做到及时支护, 提供一定的初锚力和较大的锚固力, 能较好地满足特别松软、破碎围岩巷道第一阶段围岩变形的要求。当巷道围岩变形基本稳定后, 使用U型钢可缩性金属支架进行二次支护, 以适应第二阶段围岩变形的要求。实现深部高应力软岩巷道厚壁支护。一是采用全长锚固全螺纹钢等强锚杆,增加围岩自承圈厚度,实现厚壁支护;二是进行锚索加固。由于锚索长度较大,能够深入到深部较稳定的岩层中,锚索对被加固岩体施加的预紧力高达200KN,限制围岩有害变形的发展,改善了围岩的受力状态,增加围岩自承圈厚度,实现厚壁支护;三是改变支护结构。在巷道的两底脚增加斜拉锚杆或巷道底板开挖成反底拱形并锚喷(梁)支护,从而形成完整的、封闭的支护整体5。3.5 高强描杆、预应力描索加固由于软岩巷道围岩开掘后围岩来压快、变形大, 普通锚杆锚固力低且无法提供较大的初撑力阻止围岩变形, 采用预应力高强锚杆可以很好地解决这个问题。在锚杆安装时施加一定的预应力, 这样就可以提供较大的初撑力, 及较小巷道围岩的变形速度, 同时高强锚杆又可以提供较大的锚固力, 提高锚固体的自承能力。对于极软岩巷道, 在进行锚网喷支护后虽然对巷道顶板起到了加固作用、改善并保持了顶板的整体性, 但是当围岩松动圈的范围大于锚固体的厚度时, 锚固体将失去着力点, 此时极易发生锚固体以上离层及出现巷道顶板整体下沉或垮落的显现。在这种情况下, 只需较小密度的预应力锚索, 就可以将锚固体悬吊于稳定坚硬的上部岩体上, 避免巷道垮落。巷道围岩破坏是一个渐进的、从局部到整体的破坏过程，并且总是从围岩或支护系统的某一个或几个位置首先变形、损伤，进而导致整个系统的失稳和破坏，首先发生不连续变形或破坏的区域就是锚索支护最佳位置6。3.6 砌碹支护及喷砼技术砌碹支护是软岩支护的传统方法,利用支护体自身的支护强度来支撑来自围岩的初期矿山压力,待平衡后,支护体和围岩一起抵抗来自围岩层的压力。这种支护方法适合于巷道围岩非常破碎,矿压较大,采用锚喷支护优越性不显著;巷道围岩很不稳定,顶帮岩石极塌落,砼喷不上、粘不牢,锚杆的锚固力明显下降的含油泥岩、粘土岩及断层破碎带7。砌碹支护属刚性支护,由于巷道本身成形不规则,当应力重新分布时,支护体是局部而不是全部接触岩层。先接触岩层的支护体必将先产生形变,在地压过大时从某一支护薄弱点开始遭受损坏,碹体很容易被压碎, 崩落8。3.7 锚网索桁架耦合的技术通过上述分析和现场工程实际，锚网索桁架耦合支护技术的特点可归纳如下：（1） 最大限度地利用和发挥围岩的自承能力，通过锚网索耦合支护充分深部围岩强度，使锚网浅部围岩锚索深部围岩桁架达到完全耦合，实现变形协调；（2） 充分转化了围岩中膨胀性塑性能，释放了围岩中的高应力变形能；（3） 支护体有足够的强度和刚度限制差异性、有害变形的产生，适时支护；（4） 不仅进行支护材料的强度设计，使支护体间、支护体与围岩间达到强度耦合，还注重刚度设计，使支护体间达到刚度耦合。预留变形空间的原则是保证充分释放高应力强膨胀变形能的同时又不损害围岩自身的支撑能力，通过蠕变模型法结合现场工程条件计算预留变形量9。4 存在的问题松软及破碎岩层支护是一个复杂的技术难题, 我省国有地方煤矿在探索松软、破碎岩层支护方面, 其技术发展还很不平衡, 锚、网、喷支护除喷射混凝土粉尘浓度大、回弹多、湿料浆设备不配套、锚固力及喷射混凝土强度检查不稳定外, 仍存在下列主要问题：（1）锚、网、喷支护与型钢可缩性金属支架联合支护设计缺乏合理参数, 型钢支架强度过大, 造成浪费, 支架强度小, 不足以抵抗围岩变形的破坏。（2）锚喷参数设计选择不合理, 锚杆长度不够, 喷射混凝土强度、厚度, 锚杆安装质量随机性较大。检测手段落后。（3）科学实验及检测手段少, 不能给锚杆支护设计提供理论依据, 锚喷支护参数主要是根据现场经验及观测而定, 科学实测数据少, 造成材料的浪费。上述问题造成了松软、破碎岩层支护的困难。选取合适的支护方式, 确定合理的支护参数, 仍是我省国有地方煤矿长期探索、解决的