深井软岩巷道钢管混凝土支架支护研究新进展

1、深井软岩巷道深井软岩巷道钢管混凝土支架支护研究新进展钢管混凝土支架支护研究新进展 高高 延延 法法u深井、软岩巷道支护，依然是煤矿生产中的技术难题；u我国现有约我国现有约50%50%的探明煤炭储量埋深大于的探明煤炭储量埋深大于1000m1000m；u我国煤矿采深正以8-12m/年的速度增加；u国内采深达到国内采深达到1000m1000m的矿井已经有的矿井已经有5050多处，其中：多处，其中： 山东新汶5处，淄博5处，肥城临沂枣庄等11处； 东北龙煤鸡西等5处； 河北开滦与冀中能源4处； 江苏徐州与大屯7处； 河南平顶山4处； 安徽淮北淮南等6处。序序 言言国外煤矿深井开采状况u德国 ： 最大开

2、采深度达到1500m；u俄罗斯：顿巴斯矿区已有30多个矿井采深大于1350m；u波兰： 开采深度已达1200m；u英国： 开采深度曾达到1100m；我国典型的软岩矿井u山东龙口、新汶、济宁等矿区；u内蒙古平庄、锡林浩特、鄂尔多斯上海庙等；u辽宁沈阳；吉林舒兰、辽源、梅河；黑龙江鹤岗等；u安徽淮南、淮北、皖北等；u河南义马、郑州煤电、平顶山等u青海大通，贵州六盘水，甘肃平凉等钢管混凝土支架是一种高强度支架钢管混凝土支架是一种高强度支架n单个支架的承载能力可达200多吨，是U型钢支架的34倍。n由空钢管支架，在井下灌注混凝土而成。n钢管混凝土支架一般采用闭合式结构，能有效抑制巷道底鼓。n为深井、软

3、岩巷道支护提供了全新的支架类型。现已应用到20多家矿井。1.1 钢管混凝土支架整体结构钢管混凝土支架整体结构 一般由四节构成，地面分节弯管，井下组装成支架；一般由四节构成，地面分节弯管，井下组装成支架；支架每节之间连接方式：套管连接。支架每节之间连接方式：套管连接。 接头套管19412mm400挡 环19412mm大断面R1530小断面R1130301.2 井下混凝土灌注井下混凝土灌注用混凝土输送泵，每班能灌注用混凝土输送泵，每班能灌注15-20架架钢管混凝土支架套管168819410顶管托板灌注孔排气孔混凝土输送泵搅拌桶1.3 支架断面形状支架断面形状圆形圆形浅底拱浅底拱 - 圆形圆形 马蹄

4、形马蹄形 ROR1R2OR1R2O1O3R3R4500R2350R4800椭圆形椭圆形1.4 钢管混凝土支架，已推广应用钢管混凝土支架，已推广应用 2 0 多座矿井多座矿井n开滦钱家营矿： 2008年八采区轨道下山；n鹤岗南山、益新： 2009年鹤岗南山矿；n新汶华丰矿： 埋深1230m，大巷、回风联络巷、变电所水泵房；n平朔井工三矿： 煤层冲刷带软岩巷道中；n峰峰大淑村矿： 大巷的煤柱高应力带；n锡盟查干淖尔： 主斜井，井底车场，巷道交岔点；n沈阳清水矿； 深井软岩巷道；n鹤壁三矿： 变电所水泵房；n长治三元荆宝矿： 集中下山；n淮北矿业集团： 软岩大变形巷道；n山东沂源鲁村矿：井底车场；n

5、内蒙榆树井矿： 采区变电所； 邢台邢东矿，神华宁煤清水营矿，龙口北皂矿，淮南国投新集口孜东矿，甘肃平凉新安矿，内蒙上海庙长城矿，通化八宝矿，等1 开滦钱家营矿下山巷道开滦钱家营矿下山巷道2 鹤岗南山矿集中运输巷鹤岗南山矿集中运输巷 3 峰峰大淑村矿大巷峰峰大淑村矿大巷4 4 内蒙锡林郭勒盟查干淖尔矿主斜井内蒙锡林郭勒盟查干淖尔矿主斜井6 鹤壁三矿泵房变电所鹤壁三矿泵房变电所7 邢台邢东煤矿皮带下山邢台邢东煤矿皮带下山埋深埋深1000-1200m 8 邢台邢东煤矿二水平车场邢台邢东煤矿二水平车场 9 甘肃平凉甘肃平凉 新安煤矿新安煤矿10 10 宁煤清水营矿宁煤清水营矿 +786+786临时水仓

6、与机修硐室临时水仓与机修硐室11 龙口龙口 北皂煤矿北皂煤矿 工作面联络巷工作面联络巷12 新汶内蒙上海庙公司新汶内蒙上海庙公司 长城煤矿长城煤矿 13 13 新汶华丰煤矿新汶华丰煤矿 -1100-1100水平大巷水平大巷 14 新汶华丰煤矿新汶华丰煤矿 -1100-1100水平水泵房水平水泵房15 15 新汶华丰煤矿新汶华丰煤矿 -1100-1100水平水泵房水平水泵房16 16 新汶华丰煤矿新汶华丰煤矿 -1100-1100水平变电所水平变电所2.1 钢管混凝土支架钢管混凝土支架-承载能力实验承载能力实验u 钢管钢管1948mm，36.7Kg/m；u 钢管混凝土支架钢管混凝土支架-直墙半圆

7、拱形；直墙半圆拱形；u 支架极限承载力：支架极限承载力：2107KN 。圆形支架圆形支架 浅底拱圆形支架浅底拱圆形支架 直墙半圆拱支架直墙半圆拱支架钢管混凝土抗压能力原理图钢管混凝土抗压能力原理图2.2 钢管混凝土短柱钢管混凝土短柱-轴向压缩实验轴向压缩实验u 钢管钢管1688mmu 强度极限强度极限2000KNu 轴向压缩塑性变形轴向压缩塑性变形20%u 变形形态：侧边鼓包变形形态：侧边鼓包2.3 支架注浆孔支架注浆孔-强度实验强度实验2.4 钢管混凝土支架钢管混凝土支架-抗弯能力实验抗弯能力实验弧形金属支架弧形金属支架（重量相同）极限载荷极限载荷（吨）工字钢试件15.0 U36型钢试件48

8、.0 空钢管试件70.7 钢管混凝土试件钢管混凝土试件114.5 加强圆钢钢管混凝土试件加强圆钢钢管混凝土试件133.0 加强翼板钢管混凝土试件加强翼板钢管混凝土试件136.0 中中性性层层偏偏移移实实验验三三 深井软岩巷道支护理论深井软岩巷道支护理论 （1）高强度支护）高强度支护 软弱破碎巷道，围岩自承载能力弱，高强度支护是根本措施。 （2）巷道断面优化）巷道断面优化 应该根据区域地应力的分布特征，优化巷道断面形状，可降低支护难度。 （3）围岩封闭）围岩封闭 及时喷层封闭围岩，避免围岩风化与吸水膨胀。 全断面封闭支护可控制底鼓。 （4）复合支护）复合支护 深井、软岩和破碎围岩巷道，往往需要采

9、用复合支护方案。 （5）适度让压）适度让压 适度让压使围岩尽可能地释放变形能，能能够降低支护难度。 （6）提高围岩的自承能力）提高围岩的自承能力 对围岩予以补强，提高围岩的整体强度，发挥围岩的自身承载力，防止围岩塑性区域的扩大，能取得事半功倍的支护效果。 深井软岩巷道载荷大于围岩强度，必须提高围岩的承载能力； 以钢管混凝土支架支护、锚喷等技术为基础的支护技术，能使围岩形成一个“承压环承压环”，由承压环控制其外部围岩的稳定性；围岩钢管混凝土支架喷层锚杆承压环围岩承压环锚杆钢管混凝土支架喷层 承压环力学模型承压环力学模型n锚杆：施加一对自平衡的法向力一对自平衡的法向力，强化承压环的承载能力n支架：

10、施加一个法向压力一个法向压力，强化承压环的承载能力n注浆：是通过提高围岩强度提高围岩强度，强化承压环的承载能力，事半功倍n钢管混凝土支架：支撑力强大，能提供强大的径向支护力n对于极软弱围岩，需要重新构造“承压环承压环” ；n“承压环承压环”是封闭支护，能够有效控制底鼓。n“承压环承压环”强化强化，往往需要复合支护；F1F2F1F1F1F1F1F1F1F1F1F1F2F2F2F2F2F2F2F2F2F2F2r承 压 环钢管混凝土支架支护反力u径向支护力每增加1 MPa，围岩承载能力 能提高2-3 MPa；u极软弱巷道、载荷-强度比大于1的深井巷道，特别是开拓巷道， 巷道围岩变形范围很大，锚索作用

11、之外的围岩都向巷道方向挤压， 单纯锚杆、锚索支护效果有限；需要高强度支架和钢筋混凝土碹体围围岩岩钢钢管管混混凝凝土土支支架架3=1.0MPa1=23 MPa钢钢管管混混凝凝土土支支架架支支护护力力3=1.0MPa围围岩岩强强度度提提高高承承压压环环 3.3 径向支护力的作用径向支护力的作用围围岩岩U U型型钢钢支支架架3=0.4MPaU U型型钢钢支支架架支支护护力力3=0.4MPa围围岩岩强强度度提提高高承承压压环环1=0.81.2 MPa四四 深井软岩巷道支护设计方法深井软岩巷道支护设计方法 深井软岩巷道支护设计的方法深井软岩巷道支护设计的方法1、深井软岩巷道支护设计的、深井软岩巷道支护设

12、计的五项依据五项依据 远场地压：远场地压：巷道埋深，水平地应力，采掘扰动压力； 岩石强度：岩石强度： 岩石单轴抗压强度，围岩结构完整性； 岩石水理性质：岩石水理性质：粘土矿物含量，吸水软化性，吸水膨胀性，原始含水率； 巷道变形特征巷道变形特征：两邦-顶底板变形大小，变形速率，巷道破坏形态； 围岩荷载围岩荷载P：巷道稳定状态下，围岩作用在支护体上的荷载P评估。2、深井软岩巷道应划分为、深井软岩巷道应划分为三种类型：中硬、软弱、极软弱三种类型：中硬、软弱、极软弱3、深井软岩巷道支护设计的、深井软岩巷道支护设计的四大要素四大要素 支护技术支护技术：锚索锚杆、围岩注浆、钢管混凝土支架、碹体等；支护参数

13、； 断面形状断面形状：圆形，浅底拱圆形，椭圆形； 让压方式让压方式：巷道周边预留让压缝，支护体让压，让压新技术； 支护力支护力N ：明确“承压环”支护体的支护力 N ；N 应大于围岩荷载 P。4.1、软岩巷道支护设计的五项依据、软岩巷道支护设计的五项依据 远场地压：远场地压：巷道埋深，水平地应力，采掘扰动压力；u 垂向地应力：巷道埋深成正比；u 水平地应力：即构造地应力；6543213m大于12m可以井下实测，如使用：空心包体应力计。u采掘扰动压力：某矿巷道深度450m，岩石强度1035MPa，原大巷稳定， 后平行大巷相距20m再掘绕道时，大巷扰动变形破坏， 大巷破坏位置，与绕道掘进头对应关系

14、十分清晰。 后来大巷返修，又引起绕道的扰动变形破坏。 当围岩应力状态接近岩石强度极限时，扰动会引发岩体的较大变形。 扰动载荷是震动波，震源：掘进放炮震动、采场覆岩断裂震动。大巷绕道暗斜井 岩石水理性质：岩石水理性质：粘土矿物含量，吸水软化性，膨胀性，含水率 岩石强度：岩石强度： 岩石单轴抗压强度，围岩结构完整性。n不少深井的井底车场，因为在软岩层位，导致巷道稳定性较差；n大巷、上下山等开拓与准备巷道，选择较坚硬的岩层层位，事半功倍； 巷道变形特征巷道变形特征：两邦-顶底板变形大小，变形速率，破坏形态 巷道变形特征底鼓为主或两邦收敛为主； 变形速率越大，则围岩荷载就越大； 围岩荷载围岩荷载P：巷

15、道稳定状态下，围岩作用在支护体上的荷载 P理论预计数值模拟经验类比现场实测，积累成果，统计回归压力盒 深井中硬围岩：深井中硬围岩： 岩石强度30-50MPa，吸水软化， 载荷-强度比小于0.5； 软弱岩层：软弱岩层： 岩石强度10-30MPa，吸水碎裂崩解，载荷-强度比0.5-1.0； 极软弱岩层；软弱岩层； 岩石强度小于10MPa，吸水泥化， 载荷-强度比大于1.0；4.2 深井软岩巷道应划分为三种类型深井软岩巷道应划分为三种类型 y(MPa)1000米深井，P=22MPa2244yyy4422xy(MPa)支护技术支护技术：锚索锚杆、围岩注浆、金属支架、混凝土碹体等锚索锚杆、围岩注浆、金属

16、支架、混凝土碹体等中硬岩层：尽可能使用锚杆、锚索支护，在围岩中形成“承压环”；4.3 深井软岩巷道支护设计的四大要素深井软岩巷道支护设计的四大要素围岩喷层锚杆承压环在巷道围岩构造承压环：锚喷围岩钢管混凝土支架喷层锚杆承压环在巷道围岩与巷道内共同构造承压环：锚喷+支架混凝土碹体锚杆在巷道开挖空间内，重构承压环。锚喷支护是临时支护，高强支架+混凝土+锚杆才是永久支护。围岩钢管混凝土支架软弱岩层：不仅要锚杆与锚索支护，还需要支架或碹体支护， 在围岩与巷道内共同构筑“承压环”；极软弱岩层：岩层可锚性较差，应该在巷道开挖空间内，重构“承压环”。 需要高强度支架、高强度碹体支护等。 软岩巷道断面形状设计软

17、岩巷道断面形状设计ROR1R2OR4500R2350R4800O1O3R1R3R2 (a) 圆形断面圆形断面软岩软岩-极软岩极软岩 (b) 浅底拱圆形断面浅底拱圆形断面底板较稳定底板较稳定(c) 马蹄形断面(d) 椭圆形断面软岩巷道让压方式软岩巷道让压方式接头让压环形缝让压卸压导洞卸压缝卸压缝卸压缝001煤层煤层采空区(b) 支架与围岩之间预留环形缝让压(c) 导洞式让压 (d) 卸压槽让压(e) 巷道上覆岩层开采解放层让压支护力支护力N ：要明确“承压环”支护体的支护力巷道支护需要定量化u支护体的支护力，要大于巷道围岩载荷，即 NP，巷道才稳定；u强度储备越大，即K值（ N/P =K）越大 ，巷道越稳定； 巷道抗动压能力，也就越强；u一般U36型钢支架的承载力约为50吨，巷道支护力0.20.4MPa；u1948钢管混凝土支架的承载力可到210吨，巷道支护力0.81.5MPa；u混凝土碹体支护力也比较大，主要取决于碹体厚度与混凝土标号；u锚杆、锚索等支护，最好也能根据锚固力大小，换算出“承压环”强化之后的支护力。五五 主要结论主要结