B080105 深井巷道围岩控制技术实践.doc

深井巷道围岩控制技术实践王本强 王明远【山东科技大学，山东 泰安 271019】摘 要 论述了埋深大于800m的深井巷道存在的主要问题，通过对矿井进行现场调研与实践，总结出在中硬岩中采用常规的锚、网、喷支护形式条件下巷道埋深与稳定的关系，对影响巷道稳定的主要因素进行了阐述，提出了深井巷道围岩控制的主要途径及关键技术。关键词 深井巷道 围岩控制 技术 埋深深井巷道主要问题是巷道难支护，稳定性差，这与岩性和埋深有关。有的矿井巷道埋藏不深，但由于岩层松软破碎或有膨胀性，巷道的稳定性差，破坏严重。在同样岩层条件下，深度越大支护越困难，巷道越难稳定，破坏也越严重。解决深井巷道支护的难题对于矿井建设具有重要的意义。1 深井巷道的概念目前一般认为，巷道埋深大于800m即为深井巷道。深井巷道存在的主要问题包括以下几方面：第一是应力高，自重应力通常大于18MPa，一般情况下水平应力大于垂直应力，近期测试的最大水平应力达42MPa；第二是地温高，一般达3246，个别高达5070；第三是渗透水压力大，深井水相互贯通，渗透压达78MPa；第四是瓦斯涌出量大，煤层瓦斯在高压高温作用下，从煤层中溢出，危害矿井安全；第五是冲击力增加，深井巷道常发生岩爆、煤爆现象或形成冲击地压、矿爆现象，危害性极大。2 巷道埋深与稳定的关系根据矿井调查和实践研究统计分析，当围岩单轴抗压强度在4060MPa的中硬岩中，拱形巷道断面1220m2条件下，采用常规的锚、网、喷支护形式，锚杆为直径1618mm、长18002000mm的无纵筋螺纹钢树脂锚杆，锚杆间排距800800（mm）；直径4mm的钢筋网，网格100100（mm）；喷射100mm厚的C20混凝土的支护结构形式时，巷道埋深与变形情况如表1所示。表1 巷道埋深与变形情况统计表序巷道埋深(m)巷道变形及破坏情况治理改进方案1400巷道基本稳定，使用一年后，局部有微小裂缝，位移量不大于20mm，不影响使用；但遇断层破碎带、水平应力大于垂直应力或受采动影响的地段出现变形、破坏，需要修复。除个别破碎岩层、破碎带外，一般不需修复或加固。2400600两帮底部开裂，位移量3050mm，有少量底臌，沿拱顶或两肩呈片状或条带形剥落，局部冒落露出原岩。破坏量约占2030，需修复。一般采用清除破坏部位，补打锚杆、挂网喷浆。对压力大的地段应注浆加固。3600800底臌、底脚内移，水沟挤裂，巷道顶部两肩部开裂，甚至冒落。3050的巷道需要返修，否则难以正常使用。以上支护结构、参数需调整，应加锚索、锚梁或配合注浆加固。4800上述支护结构很难有效，应加强矿压观测、地应力测试等研究工作，调整支护参数、结构形式和工艺过程。专项研究，预防在前。巷道变形大时及时调整支护设计或采用高强预应力锚杆、锚索、注浆锚杆延后加固。3 影响巷道稳定的因素3.1 围岩性质围岩性质包括岩石性质和岩体性质。（1）岩石性质 岩石性质直接影响围岩的整体性，包括密度、容重、孔隙度、吸水率、透水性、软化性、碎胀性、膨胀性和崩解性。更重要的是岩石的力学特性，集中体现在岩石的单轴抗压和抗拉强度，通常用普氏系数f值代表其强度特征。（2）岩体性质岩体可能有多种岩石组成，因此岩体是非均质性的非连续体。巷道周围的岩体称围岩，所以巷道的稳定不仅取决于岩石，更重要的是取决于岩体的结构，如层理、节理和裂隙等。3.2地质构造与地应力地质构造主要是断层和褶曲，断层破碎带附近不仅造成岩体破碎、泥化、松散，而且地应力相对增大，特别是逆断层所造成的水平应力增加；褶曲中向斜和背斜的轴部应力增大，向斜的轴部尤其明显。地应力是地质构造的原岩应力，随着埋深的增加，一般情况下垂直应力大，但在有些地段水平应力大于垂直应力。主应力方向对巷道稳定影响较大，当主应力方向与巷道掘进方向垂直时，围岩稳定性极差；主应力方向与巷道方向平行时稳定性较好。3.3岩石物相与地下水通过对岩石矿物成分物相分析，了解岩石中是否含有膨胀性物质成分，如蒙托石、伊利石、高岭石的含量超过一定指标会产生膨胀、流变或蠕变，特别是遇水后更加严重，使巷道变形失稳直至破坏。3.4地温地温大于30，不仅恶化工作环境，而且软化了岩体，造成巷道稳定性差。3.5巷道布置与开挖顺序两条巷道布置太近容易产生应力再次叠加，增加矿山压力，特别是后开挖的巷道应力峰值与先开挖的巷道一致时，巷道在高应力区难以支护。所以设计与施工要充分考虑应力变化与交互影响范围。3.6巷道断面形状和尺寸巷道断面形状越接近圆形，越稳定，拱形改变了围岩的应力状态；巷道开挖面积与稳定程度成反比。3.7巷道支护材料与参数支护材料的强度、刚度、延展性、加工精度、结构形式直接影响着支护效果；支护参数要使围岩受预应力约束，并成为连续整体结构，即一次支护要达到锚固层范围不产生明显离层的效果。3.8支护结构形式与施工质量支护结构形式和支护参数设计要充分考虑以上因素，对于压力大的巷道，主要是提高支扩强度，但对于破碎的围岩还应进行注浆加固，对高应力区要采取释放应力的方式控制围岩。一个好的工程设计必须由认真的实施过程才能取得好的效果。施工工艺流程、材料、安装质量应严格按标准和操作程序执行，尤其要加强施工过程的自检，把好每一道工序和细节。4 深井巷道围岩控制技术4.1控制巷道围岩稳定的主要途径（1）提高围岩的自身强度尽量将巷道布置在稳定岩层中，无法避开时要对锚固范围内（1.82.7m）施加预应力加固及充填围岩空隙。即采用预应力锚杆、锚索，注浆加固范围不应大于锚固层的1.5倍最合理。（2）应力转移包括开掘卸压巷、卸压槽、卸压钻孔和爆破松动卸压等。加强巷道两肩及两底角部位的支护，如用锚索、注浆锚杆加固后使地应力转向深部，维护巷道的稳定。两平行巷道先开挖卸压，使后开挖巷道稳定。4.2深井巷道围岩控制的关键技术（1）高强预应力让压锚杆让压前形状 让压后形状图1 高强高预应力让压锚杆结构图采用KMG500以上的强度，锚杆长度不小于2m，直径不小于22mm，锚固端长度不小于700mm；锚杆间排距700900mm，锚固力大于200kN，预应力100kN，预紧力不小于50kN，带让压环及拱形托盘，可转向垫圈螺母，这种结构能强抗微让的作用，不使锚固层与原岩产生明显的裂隙。如图1所示。（2）高强预应力灌浆锚索选用型号为NTMS6-5000-8000的锚索，直径不小于17.78mm，长度68m，破断拉力大于360kN，预应力大于150kN，锚固端长度大于1000mm。根据巷道断面大小可布置26根，但在巷道两肩的关键部位应设置锚索，间排距一般取16002400mm，如能配合工字钢、U型钢使用锚梁加固效果更好。锚索安装后要预留注浆孔，随后进行注浆加固。（3）注浆锚杆加固围岩注浆锚杆不仅将松散的围岩胶结成较致密的岩石拱，充填了原生和此生的裂隙，而且也起到了封水的效果，防止高压渗水使岩层软化或膨胀，另外，注浆锚杆也起到加密锚固的作用。注浆锚杆一般选直径为2225mm无缝钢管，长度1.52.5m，在锚杆周围钻有射浆孔，外端连接止浆阀。如图2、3所示。图2 注浆锚杆结构图注浆加固的关键是注浆水灰比、注浆压力、流量和时间的相关性。注浆液的水灰比为0.50.7的普通硅酸水泥，加2%的高效早强减水剂。注浆压力一般是23MPa，但要视围岩裂隙和进浆情况进行调整，每孔注浆量一般为5080kg水泥，最高可达100kg以上，但要掌握其扩散半径不宜超过锚固范围的1.5倍，最好在锚固范围内。注浆7天后可打检查孔检查注浆效果，如不大于1MPa仍进浆，说明注浆效果不好，需重新注浆直至合格。另外，岩面爆破后立即喷射混凝土防风化、离层，然后打锚杆、挂网复喷，锚杆托盘要紧贴岩面再施加预紧力，网的压茬要贴墙，防止空洞等都是应注意的关键技术。图3 高压注浆锚杆结构图5 深井巷道支护加固实例随着建井速度加快，开采深度增加，支护难度加大，传统的支护形式很难适用深井复杂多变的地质条件，要取得良好的支护效果就必须用现代化的工具和手段进行现场测试与实验研究，灵活的采用支护加固形式。现通过塘口煤矿千米深井支护加固实例来简单说明一下该矿井的支护形式和取得支护效果。1C50高强砼；2-螺纹钢锚杆；3-锚索；4-反底梁；5-C50反底拱；6-底板注浆锚杆图4胶带机巷道支护结构图该矿巷道埋深1029m，井底车场处在向斜中心部位的巷道破坏严重，经测试水平应力较大。加之泥岩的流变严重，巷道开挖后在半年之内有2/3的工程出现位移、开裂、变形、冒落、底臌等破坏现象。分析认为唐口煤矿属于大埋深高应力矿井，井底车场处于节理、裂隙发育的泥岩中，且有部分泥岩流变、蠕变、膨胀，地应力高造成巷道失稳。采取的措施就是先对巷道进行局部卸压，释放应力，然后调整支护参数，提高支护强度，取得了良好的支护效果。修复加固3年多，巷道稳定，没有大变形的出现。其中胶带机巷道支护结构图如图4所示。6 结 论深井巷道所处的围岩环境复杂多变，影响巷道稳定的主观因素与客观因素之间又相互影响，它们之间与巷道稳定的关系很难用统一的理论公式进行归纳总结，因此对于深井巷道支护要取得良好的支护效果，就必须加强地应力测试与现场矿压观测，灵活采用支护加固方式，并及时调整支护加固参数，必要时对高应力区先卸压后支护加固，这样更有利于