B080101 锚网壳支护技术在高应力巷道修复中的应用.doc

锚网壳支护技术在高应力巷道修复中的应用周金城【峰峰集团有限公司，河北 邯郸 056201】摘 要 针对高应力作用下的巷道不稳定，反复整修，难以实现长期稳定支护的难题，结合井下的施工环境条件，采用理论分析与实践相结合方法，利用锚网壳支护技术，从加强围岩支护强度和提高围岩自身承载能力两方面入手，充分发挥围岩、锚杆、喷射混凝土形成壳体的力学性能，控制围岩变形，实现高应力作用下的巷道整修后长期稳定支护。关键词 锚网壳支护 整修巷道 长期支护-1 问题的提出九龙矿位于峰峰煤田东南部，鼓山背斜东翼，矿井北、南、西三面依断层与临近矿井为界，东面以2煤层-900m等高线为界，地面标高+120+180m。矿井1992年投产，生产能力150万t。采取立井多水平，盘区前进、区内后退式开采。一水平大巷-600m，二水平大巷-800m，目前-600m水平大巷还在开拓延伸之中。煤矿岩层总体趋势为单斜构造，井田内次级褶曲、断裂构造发育，断层密布，煤层倾角变化在1025之间。矿井含煤地层石炭二迭系，可采煤层六层，主采2煤层。-600m北二大巷是-600m水平运输巷中的一段巷道，长度400m，巷道埋深750m，该巷不仅是目前矿井北翼主要运输通道，还是矿井-800m水平延深后北翼运输的主要通道。该巷道位于2煤层底板下10m，岩层以粉砂岩、泥岩、砂质泥岩为主，局部地段揭露3小煤（见图1）。-600m北二水平大巷原支护形式为锚、网、喷+U型钢联合支护，由于巷道所在位置岩性差，围岩强度低；大巷为留煤柱护巷，应力集中；巷道位于背斜轴线附近，构造应力大等因素影响，自1995年巷道施工后，锚喷巷道出现顶和帮开裂、喷层脱落、锚杆拉断、底臌、局部巷道冒顶；支架巷道出现支架变形和折断、局部巷道底臌、冒顶等现象。破坏后的巷道不能满足运输、通行、通风等的需要，给安全生产带来很大威胁。巷道的整修采用过四种支护形式：第一种是锚、网、喷+锚索联合支护（以下简称锚网喷索支护），第二种是架普通36U型钢棚支护，第三种是锚、网、喷+锚索+普通36U型钢联合支护（以下简称锚网喷索棚支护），第四种是圆形36U型钢支护。上面四种支护形式，这些方式的有效支护时间分别是：68个月，810个月，1113个月和1618个月。由于巷道长期不断地整修，严重影响生产的正常进行，为此，峰峰集团与河北工程大学合作，在此巷道开展高应力巷道整修后锚壳支护试验研究，并取得成功。图1 -600m北二大巷地质柱状图2 数值模拟为了深入了解整修巷道围岩应力分布情况、巷道变形规律和围岩受力变化过程，我们进行了数值模拟试验。2.1 模型建立采用三维有限差分软件FLAC3D进行计算分析。根据巷道周围岩层厚度、岩性，巷道周边地质情况，建立模拟现场数值模型。计算模型垂直巷道走向为40m，高度为40m，岩层倾角15。模型底部固定，两侧及上侧为受力边界，其值均为2.5MPa。模型侧面限制水平移动，底部限制垂直移动，模型其余部分为自由面。数值模拟过程为初始地应力模拟、巷道开挖模拟、锚网喷索支护模拟、架普通36U型钢棚支护模拟、锚网喷索棚支护模拟、圆形36U型钢支护模拟和锚、网、壳支护（以下简称锚壳支护）模拟。巷道为直墙半圆拱形，净宽4.6m、净高3.6m。支护形式：（1）锚网喷索支护锚杆采用直径22mm、长2400m的等强锚杆，间排距为700700（mm）；锚索直径18.9mm、长7m，间距为1.2m，每排5根，排距1.6m，锚索安设在拱部；铺设用钢筋编织的直径8mm、网格为100mm的金属网；巷道顶、帮喷射混凝土厚度150mm。（2）普通36U型钢棚支护普通36U型钢支架间距700mm。（3）锚网喷索棚支护（4）圆形36U型钢棚支护（5）锚壳支护在锚网喷索支护基础上，增加一层金属网，两金属网间喷射厚度100mm的混凝土；底板采用直径27 mm、长度3.0m的自钻锚杆支护，其间距为1.0m，每排5根，排距1.6m，杆体壁厚6mm，杆体抗拉力为270kN。2.2 数值模拟试验结果与分析 模拟试验结果：普通36U型钢支架支护和锚网喷索支护在载荷达到1.0 MPa时，支护受到较大破坏，载荷达到1.25 MPa时，支护受到严重破坏；锚网喷索棚支护在载荷达到1.25 MPa时，支护受到较大破坏，载荷达到1.5 MPa时，支护受到严重破坏；圆形36U U型钢支架支护和锚壳支护载荷达到2.0 MPa时，支护受到轻微破坏，支护体基本保持稳定。 -600m北二大巷围岩在自重、开掘及支护后到趋于稳定前这个期间变形量很大，开挖巷道对围岩变形影响最大。 巷道围岩位移分析表明，围岩变形原因是由于开挖巷道破坏了掘巷前的原岩应力状态，巷道围岩出现应力集中。当巷道围岩应力集中超过围岩强度时，围岩就会发生塑性变形破坏。在形成塑性变形破坏过程中引起了围岩位移，这种位移在不同的阶段都有所表现，要控制巷道变形量，必须提供足够的支护强度，维持开挖巷道后出现新的应力平衡。 圆形36U型钢支架支护、锚壳支护能承受较大的载荷，适应高应力围岩支护。3 相似材料模拟相似材料模拟试验是掌握和研究采矿工程中巷道围岩变化、移动以及矿压显现规律的主要手段之一。相似材料模拟试验目的是为了掌握： 围岩变形规律； 载荷与巷道变形关系； 各种支护对高应力巷道适用性评价； 巷道围岩与支护破坏规律。它与数值模拟分析及现场实测相结合，能够深入、细致、全面地认识和掌握巷道顶板岩层变化、移动、应力及矿压显现规律。3.1 模型条件根据试验巷道地质柱状情况，我们采用石英细砂作为骨料，水泥、石膏做胶凝材料，锯末作为容重调解材料，云母作为层理、节理裂隙材料，制作围岩模型。确定模型几何比例为120，容重比例为11.5，强度相似满足C=Cr=Ct=130，外力相似常数满足CF=CrCt3=112000。根据巷道变形影响范围，确定模型范围为巷道尺寸的45倍，即垂直巷道两侧各20m，垂直巷道顶板25m、底板15m，确定研究范围：巷道长宽高24040（m）。采用河北工程大学试验室平面应变试验台，模型尺寸为10020002000（mm），巷道尺寸宽高为240190（mm）。模型前、后方采用透明有机玻璃板和槽钢约束，上覆岩层施加应力采用千斤顶及载荷铁块外力补偿来实现，千斤顶的加载值由压力盒通过 YZ-22型平衡箱及YJD-27型静态电阻应变控制。3.2 试验过程按围岩地层构成制作了三组相同的围岩模型。模型干燥20天后，在每组模型上开挖一条巷道，巷道水平方向距两边约束边界1000mm；垂直向下距约束边界为700mm，向上距受力边界为1300mm。分别按照表1的支护形式，对每组模型巷道进行支护。表1 三组模型巷道三次支护形式模 型第一次支护形式第二次支护形式第三次支护形式第一组普通U型钢支护锚网喷索棚支护锚壳支护-1第二组锚网喷索支护普通36U型钢支护锚网喷索棚支护第三组锚网喷索棚支护圆形U型钢支护锚壳支护-23.2.1 第一次支护试验按表1中第一次支护形式支护后加载，首先加载至原始应力状态，载荷为0.03MPa，然后逐级增加载荷，每级载荷为0.015MPa；每加载一次，等待一小时后测量巷道闭合量。当巷道在水平或垂直方向表面闭合量达到1/3时，停止加载。根据载荷情况，得到图2、图3。图2 一次支护载荷与水平方向表面闭合量关系图图3一次支护载荷与垂直方向表面闭合量关系图3.2.2 第二次支护试验停止对第一次支护遭受破坏的巷道加载，使载荷逐步减少到零，对受到破坏的巷道扩整到原规格，采用第二次支护形式进行支护。按照第一次加载步骤加载，根据载荷情况，得到图4、图5。图4 二次支护载荷与水平方向表面闭合量关系图图5二次支护载荷与垂直方向表面闭合量关系图3.2.3 第三次支护试验对第二次加载受到破坏的巷道扩整到原规格，采用第三次支护形式支护，加载到巷道破坏，根据载荷情况，得到图6、图7。图6 三次支护载荷与水平方向表面闭合量关系图图7 三次支护载荷与垂直方向表面闭合量关系图3.3 相似材料模拟结果与分析（1）相同条件下，不同支护形式承受载荷能力相差悬殊，选择合适的支护形式可以大大提高围岩承载能力，增加支护强度。锚壳支护承载能力最大为20级，是普通U型钢支架支护和锚网喷索支护承载能力的3.3倍。（2）普通U型钢支架、锚网喷索支护、锚网喷索棚护，在加载过程中，首先是底臌，然后是帮、顶开裂，支护破坏；圆形U型钢支架支护，在加载过程中，首先是围岩压坏，破碎的岩体从支架的空隙中挤出，进而支架失稳，遭到进一步破坏；锚壳支护，在受到高应力载荷作用下，能够保持支护稳定。模拟试验过程与现场情况非常相似，可比性强，再现了巷道破坏过程。（3）巷道破坏原因分析 锚网喷索支护、普通U型钢支架支护的支护强度不够。 采用锚网喷索棚支护，虽然巷道顶帮支护强度得到提高，但由于巷道底板没有支护，支护体是开放型的，不稳定，不能形成均衡的支护体系。底板没有支护，受到高应力作用后，底板首先底臌，根据“区域多米诺破坏效应”和“断口效应”，巷道局部破坏后，整体抗破坏能力大大降低，支护体就会迅速造成连续性大破坏。因此，单纯提高顶帮支护强度是不行的。 采用圆形的U型钢支架支护，支护强度大大提高了，但支护体与围岩在强度、刚度和结构等方面存在不耦合、不匹配，支架刚度大大超过了围岩刚度，支架与围岩不能形成统一支护体，共同发挥支护效能，因此在高应力作用下，支护不能保持长期稳定。（4）巷道经过反复整修，围岩应力得到了充分释放，但围岩中残存的应力仍然很大，要保持巷道稳定，必须提供足够的支护强度，只有当支护强度大于围岩中的应力时，才能维持支护平衡，保持巷道稳定。4 锚壳支护应用4.1 壳体支护理论梁与板比较，梁是一维结构（线形结构），板是二维结构，梁的最大挠度是板的4倍，而板的最大弯矩是梁的3倍，所以板比梁优越。拱与梁相比，拱内弯矩小，拱比梁能充分利用材料，拱比梁有更好的优越性。壳体和板体虽然都是二维结构，但是，壳体相比板体的优点远胜于板体相比梁体的优点，壳体结构同时兼有板相比梁的优点和拱相比梁的优点。对于一定形式的拱，只在一定形式的载荷作用下，拱内弯矩才等于零；但对于一定形式的壳，可以在各种不同形式的载荷作用下做到壳内大部分区域的内力都是沿着壳曲面的薄膜力，弯矩为零或很小。因为减少拱内弯矩仅靠支座的水平推力起作用，而壳体边缘上的支座可提供各种不同分布的支承，从而减少壳内弯矩，所以壳的强度和刚度高，壳体对于不同形式载荷的自适应力强，能使材料得到充分利用。4.2 锚壳支护应用巷道形状设计为直墙半园拱形，净宽4.6m、净高3.6m。巷道采取预留光爆层，人工修边控制巷道断面成型。顶和帮锚杆为直径22mm、长2400mm的等强锚杆，间排距为700700（mm）；锚索直径为18.9mm、长7m，间距为1.2m，每排5根锚索，排距为1.6m，锚索位于拱部。金属网采用钢筋编织，钢筋直径为8mm、网格为100mm。底板采用自钻锚杆支护，杆体直径27 mm、长3000mm、杆体壁厚6mm，自钻锚杆每排5根，间距1.0m，排距1.6m，自钻锚杆锚杆抗拉力270kN，自钻锚杆采用水泥注浆进行全长锚固。支护形式如图8所示。图8 支护断面示意图施工工艺：成巷初次喷射混凝土（喷厚20mm，及时封闭围岩）打锚杆、初次挂网锚杆预紧二次喷射混凝土（喷厚100mm）二次挂网，托盘压紧第三次喷射混凝土保护层（喷厚30mm）。喷层结构如图9所示。图9 顶、帮支护剖面图4.3 支护效果采用锚壳支护施工20个月后，巷道水平方向闭合量300mm，为巷道宽度的6.5，垂直方向闭合量180mm，为巷道高度的4.7，巷道保持稳定。采用锚网喷索支护68个月， 36U型钢支护810个月，锚网喷索棚支护1113个月，圆形36U型钢支护1618个月以后，巷道断面闭合量超过初期的30，必须进行整修才能继续使用。证明-600m北二大巷采用锚壳支护是成功的。4.4 锚壳支护技术分析应用锚壳支护技术，首先，喷射混凝土与金属网形成了“面壳式支护”，确保巷道表面有足够的强度和刚度；其次，通过锚杆加固围岩，强化围岩，提高了围岩自身承载能力，使围岩变成了支护体，锚固区内围岩形成“壳体式支护”，控制围岩变形，使支护能力大大提高；第三，底板利用自钻锚杆支护及注浆加固，提高了底板支护强度，弥补了开放型支护存在的漏洞，增强了薄弱点支护强度，形成了闭合型支护，整个巷道形成了一个较完整的“支护体”，支护体厚度超过2m。通过喷射混凝土与金属网形成的面壳加上锚杆、锚索、底板注浆形成的锚壳体，即提高了支护强度，又充分发挥了围岩自身的支护作用，共同控制围岩变形。九龙矿-600m北大巷利用锚壳支护技术弥补了原支护存在的缺陷，支护获得了成功。5 结 论通过九龙矿-600m北二大巷多年支护实践研究证明，锚网喷索支护、普通支架支护这些常规支护手段在松软、高应力围岩条件下已不能满足支护需求。研究应用锚壳支护技术，从加强围岩支护强度和提高