B090202深部巷道围岩控制及支护技术研究

1、深部巷道围岩控制及支护技术刘伟韬山东科技大学资环学院山东青岛266510摘要结合现场开采的实际条件，通过对锚、喷支护的力学分析，研究深部巷道围岩控制技术与支护方法，提出合理的巷道支护参数，为实现工作面高产高效，矿井安全生产提供科学依据。关键词深部巷道围岩控制支护1引言为了实现工作面高产高效，我国巷道的总体发展趋势是锚杆支护，这种支护方式容易实现机械化作业，可提高巷道的掘进速度，使工作面的端头维护简单，有利于采煤工作面快速推进，保证工作面的高产高效。我国从50年代开始研究应用光爆锚喷支护技术，经过长时间的试验和摸索，光爆锚喷支护技术日趋完善，施工工艺也取得了很大进步。光爆锚喷技术突破了旧的支护形

2、式和支护理论，不是消极被动地去支护已经松动、破坏的围岩，而是积极主动地、最大限度地保持围岩的完整性、稳定性，控制围岩变形、位移和裂隙发展，充分发挥围岩自身的支承作用，把围岩从荷载变为承载体，变被动支护为主动支护，具有效率高、强度高、质量好、省材料、成本低等优点，随着光爆锚喷支护技术的推广应用，光爆技术已从浅孔光爆发展到中深孔光爆，眼痕率一般可达到50%£右。2基础条件2.1 生产技术条件新汶矿业集团南冶煤矿于1971年建成投产，目前年产量达60万t,采用斜井开拓，现生产水平为-400m。主要可采煤层为2、4、15层煤，各煤层均采用长壁后退式采煤工艺，全部冒落法管理顶板，工作面支护排距

3、1.0m,柱距0.6m,最大控顶距4.04.4m,最小控顶距3.03.4m。2.2 矿井地质条件目前矿井开采深度达500m以下，属于深层开采。井田总体为单斜构造，在单斜构造中受矿山帚状构造的影响而形成次一级背向斜，地层走向自西向东由近东西向转北20°西，再向东转为南65。东，呈一反“S”型，倾角18。，以发育正断层为主。3巷道合理支护参数研究由于巷道围岩的复杂性，对锚杆支护作用原理的认识需要以工程实践为基础，通过实施和模拟方法，使认识不断深化，从而在理论上有新的突破，使锚杆支护理论逐步建立与完善，锚杆支护分析与设计由经验法进入理论分析阶段。锚杆支护的成败与选用的支护参数、支护时机、围

4、岩的状态及施工方法等都有密切关系，又由于巷道岩性及地质条件复杂多变，很难于施工前得到准确的原始地应力、围岩力学性质参数等原始资料，加之锚杆支护理论还不够成熟，难以通过理论计算定量地确定锚杆支护参数。因此，锚杆支护通常是根据各类巷道不同的围岩条件，采用理论计算、工程类比和现场测量等方法相结合进行锚杆支护设计。3.1锚、喷支护的力学机理锚、喷支护的力学机理是通过喷层和锚杆的双重作用来体现的，喷层的力学作用主要有：提高围岩强度；改善围岩和支架的受力状态。锚杆的力学作用有：悬吊作用，使用锚杆可将松动区内的松动岩块悬吊在稳定的岩体上；减跨作用，在巷道顶板岩层中打入锚杆，在巷道顶板上增加了支点，起到维护巷

5、道的作用；组合作用，在层状岩层中打入锚杆把若干薄岩层锚固在一起，从而提高了顶板岩层的自承能力，起到维护巷道的作用3.2锚、喷支护巷道围岩力学分析巷道开挖以后，原有的天然应力状态被破坏，围岩中应力重新分布，这种变化促使围岩向巷道空间变形，围岩本身的裂隙发生扩容和扩展，力学性质不断恶化。在围岩应力条件下，切向应力在洞壁附近发生应力集中，致使这一区域岩层屈服而进入塑性工作状态。进入塑性状态的围岩成为塑性区。塑性区的出现，使应力集中区从岩壁向纵深偏移，当应力集中的强度超过围岩屈服时，又将出现新的塑性区。如此逐渐推进，使塑性区不断向纵深发展。假若不采取适当的支护措施，所监控的塑性区将随变形加大而出现松动

6、破坏。塑性区和松动破坏区截然不同，松动破坏区没有承载能力，而塑性区尚具有承载能力。塑性区的出现改变了围岩的应力状态，这种变化对支护来讲具有两个力学效应：围岩中切向应力和径向应力降低，减小了作用于支护体上的荷载；应力集中区向深层偏移，减少了应力集中的破坏作用。在巷道两帮发生应力集中时，两帮岩石处于极不利的单轴受力状态，另一方面深部岩石处于三轴受力状态，其破坏可能性大大减小。对于不稳定岩石巷道支护来讲，要允许出现稳定塑性区，严格限制非稳定塑性区的扩展。4巷道支护参数优化设计4.1 锚杆形式选择结合许多同类矿井巷道支护的工作经验，要求选择的锚杆必须具有较大的锚固力，可拉伸和能够施加较大的预紧力，同时

7、根据煤矿的实际使用情况，可以选用全螺纹等强锚杆，为了提供足够的锚固力，采用树脂加长药卷对围岩进行锚固。4.2 某巷道支护参数选择及锚杆布置根据在相邻矿区进行的围岩松动圈测试结果，岩石巷道围岩松动圈范围一般在1.01.5m之间，在断层附近，围岩松动圈可达2.0m左右。根据在南冶煤矿某巷道内进行的矿压观测资料分析，顶板离层范围一般在1.8m以内，在此范围内离层量最大，因此，锚杆的有效固定长度大于1.8m,考虑到现场施工的难度，锚杆长度取2.0m,锚杆的有效固长度为1.9m,对于岩巷,设计组合拱厚为1.0m则可确定锚杆的间排距为0.9m。喷射混凝土厚度为100mm一次喷射。为了获得全方位的组合结构体

8、，锚杆要求扇形布置，锚杆安设方向要求垂直于巷道轮廊线。巷道具体支护参数如图1所示。图1南冶煤矿某巷道支护图对于断层附近的巷道，松动圈一般比较大，属于不稳定围岩，因此，巷道过断层时应加强支护，为了施工方便，仍选用直径18mm长1800mm勺全螺纹等强锚杆，但适当减小间排距，增大喷射混凝土的厚度。根据实际经验，巷道过断层时，锚、喷支护参数取：间排距为600mm喷层厚度为150mm必要时进行壁后注浆及拖后20m使用U型棚加强支护。4.3 支护能力的估算据南冶煤矿生产实践，预计将来顶板下沉量为50mm则组合拱实际承受的最大荷载为:一22UE(a-b)Pmax二22ab式中，Pnax一组合拱实际承受的最

9、大荷载，MPaU一巷道围岩变形量，0.05m；E一围岩弹性模量，10600MPaa一组合拱内半径，2.3m；b组合拱外半径，4.1m。则Pmax=-78.9MPa,负号表示指向巷道内部，取绝对值78.9MPa。利用拉麦公式验算组合拱极限承载能力Pj为：式中,P一单位面积组合拱极限承载能力，计算可得，P=82.2MPa;bz岩石锚固体强度，取(Tz=240MPa。贝U上=1.04Pmax所以按以上参数设计是合理的。4.4 巷道支护参数确定及锚杆的布置在层状岩层中开挖的巷道，顶板岩层的滑移与分离可能导致顶板的破碎，直至冒落。深部煤层巷道由于其环境恶劣，节理裂隙比较发育，围岩破碎带大，松脱岩块的冒落

10、可能对生产造成威胁。如果锚杆加固系统能够提供足够的支护阻力将松脱顶板或危岩悬吊在稳定岩层中，并有效控制两帮煤体塑性区的扩展，就能保证巷道围岩稳定。为此，根据悬吊理论设计锚杆支护参数如下：(1)锚杆长度锚杆长度通常按下式计算公式：L=Ll+L2+L3式中，Li锚杆的外露长度，Li=0.1m；L2一被锚固岩层厚度；L一锚杆锚入老顶的长度，L3=0.5m。当被悬吊层的范围容易确定时，可直接由柱状图确定；否则老顶的概念用破碎带以外的稳定岩层取代。根据现场实际施工经验，实际破碎带高度大约为1.3m,即L2=1.3m,所以锚杆总长为1.9m,根据南冶煤矿目前使用的锚杆实际情况，取锚杆长度为2.0m。(2)

11、锚杆直径采用的锚杆直径应该能保证杆体的抗拉强度等于锚杆实际锚固力的原则进行确定。计算公式如下：d1.13可式中，(T1一杆体设计抗拉强度，kg/cm2;Q一锚固力，kg;d锚杆直径，cm。对于南冶煤矿来说，目前采用的机W旨锚固剂，其锚固力为9000kg,杆体设计抗拉强度为3800kg/cm2,这样锚杆直径为17.4mm,适当考虑安全性，可以选用直径18mm勺锚杆。(3)锚杆间距一般情况下，锚杆支护都布置成正方形，即锚杆间距等于锚杆排距(即a=b),根据锚杆悬吊作用理论，计算锚杆间距公式如下：,2G=amr,由kG=Q固及a=J-Q,设kG=-,则：不kmr4:拉a=0.887d.kmr式中，r

12、岩体容重，kg/cm3;k安全系数；a锚杆间距，cm;m锚固岩层厚度，cm;d锚杆直径，cm;G锚固岩石重量，kN;Q固一锚杆锚固力，kN;b拉一杆体材料的设计抗拉强度，MPa由于锚杆的长度和密度是锚杆支护的基本参数，一般认为锚杆的最小长度不应小于围岩松动、破坏区的厚度，对于按照此公式计算的锚杆间距应符合锚杆长度与间距比大于2的要求，从而保证形成一个厚度不小于锚杆长度约1/3的均匀压缩带。目前，国内外矿山巷道实际采用的锚杆长度一般不超过2.5m,锚杆密度为14根/m2。对于南冶煤矿而言，按照上式计算得出的锚杆间距为1221mm考虑到L/a应该不小于2,则取a=b=L/2=1000mm,同时考虑

13、到南冶煤矿巷道围岩压力大，岩体强度低，且要经常受动压作用，因此可以适当加大组合拱厚度，降低应力集中值，所以可减少锚杆间排距，取a=b=800mm5结论 巷道支护采用的支护技术和支护形式对于加固煤（岩）体，保持煤（岩）体的完整性，防止顶板发生较大离层、增加两帮煤体强度具有积极的作用，但由于锚杆的手动安装导致了锚杆预应力低，而且深部巷道的地应力较大，为有效阻止巷道发生大的变形量，有必要进一步加大现有锚杆的长度，同时在原有支护的基础上进行二次支护，即进行锚、网、带与工字钢棚联合支护方式进行巷道支护。 通过研究分析以及结合南冶矿巷道支护的可操作性，采用锚背网+锚索的联合支护方式，巷道两帮锚背网，对两帮煤体进行早期组合，使用长1.82.1m的锚杆，锚杆间排距不大于800±100mm网铺平并用铁丝连接，及时挂网锚固；顶板使用长1.8m锚杆、金属网和带支护，锚索间距不大于5m,锚索锚固点不小于6.57s试验研究表明，在大多数正常开采条件下的巷道，顶部使用4根直径18mm长2.0m的圆钢锚杆支护，两帮使用与顶部锚杆同样型号的4根锚杆进行支护，锚杆间排距为900X900（mm,这样的支护参数可以取得良好的支护效果，在超前支护的作用下，可以满足回采面生产的需要。锚杆支护避免了巷道掘进冒顶现象，从根本上消除了传统支架支护时支架上