优化巷道支护方式技术研究.doc

国投煤炭有限公司技术创新计划项目申报书（2014年度）项目名称：优化巷道支护方式技术研究申报单位：国投哈密一矿申报日期：2013年12月19日国投煤炭有限公司生产技术部制订2013年12月19日项目名称 优化巷道支护方式技术研究项目内容摘要：地下岩体在开挖以前，由于自重和构造所引起的应力是处于平衡状态。当开掘巷道或进行回采工作时，破坏了原来的应力平衡状态，就会引起岩体内部应力的重新分布。它表现为巷硐周围煤、岩体产生移动、变形甚至破坏，直到煤、岩体内部形成一个新的应力平衡状态为止。在此过程中，巷硐本身或安设在其中的支护物会受到各种力的作用。这种由于在地下煤岩中进行采掘活动而在井巷、硐室及回采工作面周围煤、岩体中和其中的支护物上所引起的力，就叫做“矿山压力”。在矿山压力的作用下，会引起各种力学现象，如顶板下沉，底板臌起，巷道变形后断面缩小，岩体破坏散离甚至大面积冒落，煤被压松产生片邦或突然抛出，支架严重变形或损坏，充填物被压缩，以及大量岩层移动地表塌陷等等。这些由于矿山压力作用，使围岩、煤体和各种人工支护物产生的种种力学现象，统称为“矿山压力显现”。根据煤炭工业石家庄设计研究院设计：国投哈密一矿主副斜井井筒在施工穿过表土段和风化基岩段时分别采用了钢筋+混凝土支护和架棚+混凝土支护，进入基岩段时采用锚网喷+混凝土支护；矿井+400m水平、+310m水平、+350m水平大巷开拓采用锚网（索）喷支护。矿井在大巷开拓中不断揭露砂岩、穿层施工，顶板不易管理。针对哈密一矿软岩复杂性，在施工期间，不断总结经验、创新工艺，通过该项目研究准确掌握软弱围岩的地质力学性质和围岩压力类别，以及进行围岩稳定性评价和变形预测，进行巷道支护设计，正确选取有效控制围岩的支护形式、支护时间和支护参数，并在施工过程中坚持矿压监测，不断调整和优化支护方式，改善支护效果，避免巷道进行二次维修，保障大巷围岩稳定和正常使用要求。关键词：巷道支护方式 软岩巷道设计支护形式研究矿压监测项目的立项背景和意义：根据国投哈密一矿井田勘探钻孔资料，揭露地层有：第四系（Q）、新近系葡萄沟组（N2p）、侏罗系中统头屯河组（J2t）、侏罗系中统西山窑组（J2x）、下统三工河组（J1s）、石炭系上统梧桐窝子组（C2wt）。根据岩石的特性鉴定，本矿井围岩属软岩类。软岩胶结程度差、强度低、节理发育、岩体破碎、围岩应力水平高、且易吸水膨胀。软岩巷道的支护技术是一项复杂的工作,在高应力作用下,严重影响矿井的经济效益和安全状况。针对哈密一矿软弱岩层的条件，在地质力学评估和围岩稳定性分析基础上研究合理的支护方式和支护参数，不断调整和优化支护参数，改善支护效果，实现永久支护后大巷基本上不再翻修，对哈密一矿的顺利建井和安全高效开采具有重要的理论意义和实用价值，对国投哈密能源开发有限责任公司其它矿井乃至国内外其它相似条件的矿井巷道支护，具有借鉴和指导意义。国内外现状及发展趋势：国内外对巷道支护研究的主要技术理论与方法有新奥法、应变控制理论、能量支护理论、轴变论和开挖系统控制论、联合支护技术、锚喷一弧板支护理论、松动圈理论、关键部位藕合组合支护理论、围岩动态工程分类理论等，国内外软岩巷道支护普遍是遵循新奥法的基本原理和方法。目前，新奥法已成为地下工程的主要设计施工方法之一。我国软岩巷道支护技术的研究大体上是遵循新奥法的基本原理展开的。比较常用的支护方式有：普通支护、锚网喷支护、锚注技术、锚网（索）喷支护、锚网喷+金属支架联合支护、高强描杆与预应力描索加固等。随着我国新生代煤层的大力开发，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，软岩矿井的数量也在与日俱增。通过煤矿行业的建设发展，软岩支护方式的不断研究，工艺不断创新，超高强度锚杆支护技术、锚网（索）喷支护、锚注技术、锚网联合支护技术将会在日后解决软岩支护技术问题上得到大力研究与发展。项目主要研究、实施内容、创新点及技术关键：主要研究实施内容：（1）围岩结构及物理力学性质测定在试验巷道内，应用取芯钻机获取典型钻孔岩芯，在实验室内进行岩石的物理力学试验，应用伺服试验机等先进的测试仪器手段，主要以下方面研究：1）针对浅埋深巷道围岩易风化和遇水崩解的特点，需要进行岩样的吸水崩解实验、膨胀率测定等；2）常规物理力学性质测试，包括岩石强度、刚度、泊松比、密度等。（2）大巷围岩稳定性监测与评价在同一区域的不同地段，岩体的稳定程度不同，即使岩性相同的岩体在巷道的不同位置，其稳定性也有差异。另外，哈密一矿建井阶段大巷支护采用初始设计方案，初设方案大多由设计单位按规范、规程做一般化设计，与现场实际地质条件结合不够，针对性不强，容易产生设计偏差，此外，设计单位应用新技术相对滞后，不能及时使用有效控制围岩变形的新技术。针对以上问题，采用现场测试的研究方法，围绕以下几个方面开展研究工作：1）采用钻孔窥视仪研究关键钻孔内壁分层、层面厚度、岩层裂隙及岩性等情况，准确掌握围岩一定范围内分层、层面厚度及岩性等情况，及其时空变化变化规律；2）采用深部多基点位移自动记录仪等仪器设备，现场监测巷道围岩的位移和变形情况，分析围岩发生位移的层位和速度；3）结合以上监测数据和分析结果，对初始设计支护参数条件下的围岩稳定性进行评价，为后续支护参数设计和优化提供基础。（3）大巷合理支护技术研究目前，国内外与哈密一矿类似地质条件下大巷支护主要有锚网索支护、钢筋混凝土浇筑支护和使用金属支架支护等几种形式。合理选择大巷的支护形式对于围岩稳定性、支护成本和工程施工速度至关重要。采用数值模拟、理论计算和现场试验等综合研究方法，围绕以下几方面展开研究工作：1）采用理论分析的方法，以哈密一矿围岩力学参数为主要依据，进行支护参数设计；2）采用数值模拟方法，对比分析不同支护参数方案的支护效果；3）选出最优的支护方案进行现场工业性试验，对支护效果进行监测、及时修正；4）最终确定大巷支护参数的合理参数取值范围，保障大巷围岩稳定。创新点：1）在试验巷道内，应用取芯钻机获取典型钻孔岩芯；在实验室内进行岩石的物理力学试验，应用伺服试验机等先进的测试仪器进行围岩分析；2）采用钻孔窥视仪研究关键钻孔内壁分层、层面厚度、岩层裂隙及岩性等情况，准确掌握围岩一定范围内分层、层面厚度及岩性等情况，及其时空变化变化规律；3）采用深部多基点位移自动记录仪等仪器设备，现场监测巷道围岩的位移和变形情况，分析围岩发生位移的层位和速度；4）大巷冒顶隐患级别分级，为支护设计和参数优化提供依据。技术关键：根据地质与围岩条件合理确定巷道支护方式，做到基本上支得住。对巷道掘进的岩石巷道，顶板坚硬且压力不大的，可采用裸体不支护或光爆喷浆支护方式，对于一般岩巷有一定压力的巷道可采用锚杆、锚网、锚喷支护方式；在原始段掘送巷道中提倡锚网、锚网U型钢联合支护方式，对于压力较小的地点，服务时间较短的巷道应推广锚杆锚网支护方式，根据不同地点选择相应强度锚杆，科学设计锚杆长度，排、间距，压力显现较大地点根据巷道服务年限宜采用选择支护强度较大的支护方式，如U型钢支护，锚网、锚索喷浆、U型钢联合支护等，合理确定巷道断面，锚杆的长度，排、间距，U型钢棚距，单、双棚等。定期、不定期对巷道矿压进行观测、监测，合理选择支护方式，使支护合理有效。工艺技术路线图：现场观察-提样试验分析岩性优化支护设计支护方式对比分析现场进行支护实践归纳总结选择最优支护方案制作相关文献项目实施进度安排：2014.4月-2014.5月 调研、前期可行性论证、项目准备；2014.5月-2014.6月 围岩力学参数试验、围岩稳定性评价，大巷支护技术研究；2014.6月-2014.9月 现场试验；2014.9月-2014.11月 总结分析研究成果，撰写项目研究报告；2014.11月-2014.12月 项目验收，组织专家鉴定。经济效益增加产量销售额（万元）利税（万元）创汇（万美元）创效益（万元）社会效益（包括安全、环保、节能、降耗、医疗保健及其他）根据实际的地质围岩条件选择合理的支护方式，尽量避免巷道翻修，降低能耗、节能减排，同时减少公司对巷道的二次维护投资费用，同比增加经济效益。现有工作基础、特色、及优势：为研究国投哈密一矿软岩支护问题，国投哈密能源开发公司与某科研院校签订大巷支护参数优化技术开发的研究项目工作。该科研院校是教育部直属的全国重点大学，是我国著名的煤炭高等院校，其中采矿工程为国家级重点学科，拥有“煤炭资源与安全开采”国家重点实验室、国内外先进的采矿试验设备、多种大型数值模拟软件等，为该项目的成功提供了充足的研究手段和技术力量。国投哈密能源开发有限责任公司有很多优秀的、富有经验的工程技术人员，并且对于巷道的支护和高应力巷道的维护已经做了大量的工作，取得了一系列的先进成果，拥有先进的施工设备和丰富的施工管理经验，不断完善的施工质量管理体系。所有这些为本项目的顺利完成奠定了坚实的基础。经费概算：科目价格备注委托其他单位进行科研试制的费用项目鉴定及验收费其他费用需要增添的主要设备、仪器（名称、规格型号、数量）和材料：1. 取芯钻机，2. 抗压试验机，3. 钻孔窥视仪（若干），4. 深部多基点位移自动记录仪（若干）等仪器；课题负责人（单位、姓名、职称、职务）：国投哈密能源能源开发责任有限公司国投哈密一矿李金岭国投哈密一矿：生产矿长兼总工程师课题工作人员（单位、姓名、职称、职务）：国投哈密能源能源开发责任有限公司国投哈密一矿王鹏举国投哈密一矿工程技术科：副科长国投哈密能源能源开发责任有限公司国投哈密一矿付超国投哈密一矿工程技术科：技术员国投哈密能源能源开发责任有限公司国投哈密一矿龙