深井巷道围岩控制

1背景和意义2“深井”的概念3深井巷道的岩性与矿压显现4巷道围岩限制的基本途径5锚杆、锚索支护系统6围岩注浆加固7巷道围岩的应力转移技术8软岩巷道支护思路和原则9限制技术主要内容2/25/20231.背景和意义2/25/2023低强度软岩膨胀性软岩高应力软岩节理化软岩复合型软岩软岩的分类可见，推断是否是软岩应从应力和岩性两方面考虑。当岩性懦弱时，应力不大围岩同样会破坏。2/25/2023我国国有大中型煤矿开采深度每年约以15m的速度向深部增加。一些老矿区和缺煤矿区相继进入深部开采阶段。由于开采深度的加大，岩体应力急剧增加，地温上升，当岩体应力达到甚至超过岩石抗压强度时，有关岩体力学科学与工程的若干问题由量变渐渐发生质的变更，造成资源开采的极端困难，并引发矿井重大平安事故紧急性增加，严峻威逼矿井的平安生产。深井软岩成为重点2/25/2023深部开采的主要严峻问题1）井巷维护困难、维护费用高，影响生产；2）采场顶板裂开，冒顶事故的危害增大；3）凿井困难增加，提升等井筒设备不能适应深井的须要；4）冲击矿压、煤与瓦斯突出紧急加大；5）地温上升，恶化生产环境，影响生产；6）瓦斯涌出量增加，瓦斯爆炸紧急加大；7）矿井水压力和涌出量增加，突水事故的紧急性加大。2/25/2023世界主要采矿国家对矿井深部开采的这些技术难题从理论上及好用技术上进行了很多探讨，取得了可喜成果，但一些主要难题未能从根本上解决。英国、德国这些采矿技术水平较高的国家也未能解决深部开采的若干技术难题，采矿成本随采深加大而不断增加，最终导致关闭大批矿井，生产中急需的煤炭不得不依靠进口。国外的探讨状况2/25/2023我国是世界产煤大国，也是用煤大国。我国煤炭储量大部分埋藏在深部，埋深大于600m和1000m的储量分别占到73.19%和53.17%。我国人口众多，用煤量大，不行能关闭深部矿井而依靠进口煤炭。因此，无论从战略高度还是从当前生产实际动身，都迫切须要主动开展深部开采中的基础理论探讨，以求在新理论的指导下，使好用技术有新的突破和发展，使矿井深部开采走上平安、高产高效的健康轨道。国内的状况2/25/20232.“深井”的概念2/25/2023深井概念：由矿井深度和岩性两个因素确定。矿井由浅部过渡到深部的深部界限称为“临界深度”。临界深度以上支护简洁、易维护；以下则明显困难。表1巷道临界深度表2/25/20233.岩性与矿压显现2/25/2023垂直应力(Brown&Hoek,1978)开采深度岩层因自重引起的垂直应力随深度增加呈线性增大。3.1地应力特征2/25/2023水平应力水平应力与垂直应力之比(Brown&Hoek,1978)开采深度埋深≤1000m，水平应力与垂直应力的比值大约为1.5-5.0埋深≥1000m，水平应力与垂直应力的比值逐渐趋于集中，约为0.5-2.02/25/2023开采深度平均水平应力与垂直应力之比我国地应力测量结果2/25/2023孙村矿地应力测试结果2/25/2023协庄矿地应力测试结果2/25/20233.2岩性特征高应力下围岩裂开严峻蠕变严峻2/25/20233.3矿压显现特征（1）塑性区、裂开区范围显著增加；（2)两帮和顶、底角裂开区显著增大，围岩变形显著增加；缘由：水平应力增加，两帮煤软，角部应力集中（3）底鼓严峻；（4)限制两帮变形和底鼓是关键。2/25/2023巷道两帮下沉引起底鼓：两帮下沉、底角破坏，水平应力挤压，底板浅部鼓起，顶板下沉、离层。（a）（b）图1两帮下沉与底鼓关系（a）——东庞矿（中硬岩）；（b）——黄塘岭矿（软岩）2/25/20234.围岩限制的基本途径2/25/2023不稳定（猛烈底鼓）：中等稳定（有底鼓）：稳定的（不底鼓）：前苏联阿尔达晓夫、巴仁依据巷道垂直应力H与底板单轴抗压强度R的比值作为推断巷道是否底鼓的准则：4.1影响巷道围岩稳定性的因素围岩强度、岩体应力、支护技术这也是巷道围岩限制的三个基本途径。2/25/20234.2基本途径（1）提高围岩强度巷道布置在稳定岩层中；布置锚杆，强化围岩强度；围岩注浆，提高岩体强度；封闭、疏干、防风化，防止围岩碎裂、强度降低（2）减小岩体应力合理布置巷道时间、空间上削减巷道承受支承压力影响；巷道布置在应力降低区；合理设计煤柱尺寸；考虑最大水平应力的影响巷道卸压跨采卸压；开槽卸压；松动爆破卸压；卸压峒室卸压2/25/2023（3）巷道支护巷道金属支架作用：给围岩供应支护阻力；运用高强度可缩金属支架，限制和适应围岩变形。锚杆支护作用：强化围岩强度；围岩强度强化理论、高强（超高）强度锚杆、动态系统设计方法、高应力下的锚杆支护技术。2/25/20234.3加固帮、角限制底鼓国内外传统限制底鼓的方法一般都是围绕底板进行的。作用是：增加底板变形阻力、提高底板围岩强度、降低底板浅部应力方法是：底板锚杆、增加底梁（底拱）、底板开槽卸压、底板注浆等加固帮、角限制底鼓是一种新方法。2/25/2023

（1）锚杆加固（柳新煤矿）表3支护方式2/25/2023（2）注浆加固（权台矿注浆孔布置）注浆孔布置注浆材料、工艺、费用材料：ZKD高水速凝材料，水灰比1.81

注浆压力：0.1~0.15MPa

材料费用：13.83元/m2/25/2023注浆效果表5权台矿（深度680m）注浆前、后对比2/25/20235.锚杆、锚索支护系统2/25/20235.1.1背景（1）传统的悬吊、组合梁、组合拱理论及计算是针对弹性状态的完整岩体；（2）探讨锚杆支护对围岩E、C、的改善也限于岩体裂开前的弹性状态；（3）煤巷围岩松软裂开，采动应力高；围岩塑性区、裂开区范围大，此时，岩体处于峰后强度、残余强度状态；5.1围岩强度强化理论2/25/20235.1.2锚固体C、、C*、*随锚杆支护强度t的增加而提高表6不同锚杆支护强度下锚固体破坏前的C、值

锚杆支护强度t

/MPa00.060.080.110.140.170.22等效内聚力C/MPa0.34660.35680.36260.36770.38280.37730.3869等效内摩擦角/°31.5131.5333.5135.5737.1438.840.42/25/2023表7不同锚杆支护强度下锚固体破坏后的C*、*值锚杆支护强度σt

/MPa00.060.080.110.140.170.22等效内聚力C*/MPa0.01680.01820.01830.01840.01860.01940.021等效内摩擦角*/°31.5131.5333.5135.5737.1438.840.42/25/2023锚固体应力应变曲线图注：曲线上数字为锚杆支护强度σt（MPa）5.1.3锚固体强度的强化锚固体强度随锚杆支护强度σt的提高而得到强化，达到确定程度就可保持围岩稳定。2/25/2023和国外（美、澳、英）锚杆支护技术相比属低标准。

5.2现有的锚杆、锚索支护不适用于深井2/25/2023现有的锚杆、锚索支护系统在浅部能适用，用到深部就不能有效限制围岩变形，甚至失效，必须要求新的技术和突破。2/25/2023足够的锚杆支护强度和初锚力，适当加大锚杆长度，刚好锚固，特殊应加强帮、角的限制。支护强度：（1）改善材质。发展合格的高强、超高强锚杆（2）加大锚杆直径初锚力：在现有风动条件下，改善结构，完善施工工艺，实现15~20kN锚杆长度：加长后限制大塑性区和裂开区，可考虑发展可伸长的柔性锚杆刚好锚固：除留意顶板外，还应留意两帮5.3发展锚杆支护技术的要点2/25/2023作用：防止锚固区外过大离层及巷道顶板两角的剪切破坏。设计准则：（1）按巷道顶板两角免遭剪切破坏计算承载实力；（2）锚索系统刚度与顶板变形相适应。5.4锚索支护系统小孔径锚索作用原理2/25/20236.围岩注浆加固2/25/2023材料类别化学类：丙烯酰胺类、聚氨脂类水泥类：单液水泥浆；水泥、水玻璃双液浆；6.1注浆材料2/25/2023（1）围岩松软裂开、随掘随冒时运用；（2）超前迎头钻孔注浆；（3）地应力特殊大时难以注入。6.2围岩超前注浆2/25/2023（1）注浆滞后时间围岩裂隙发展变慢前后或进入掘后稳定期不久岩石变形与渗透关系曲线权台煤矿3116上分层回风平巷掘头后方巷道围岩裂隙分布6.4围岩滞后注浆2/25/2023（2）注浆孔深度裂开区应完全固结，并超过此区，尽可能深，一般2m左右。（3）注浆压力不超过岩石单轴抗压强度的1／3。围岩严峻裂开时0.5MPa，较裂开时1.0MPa，裂隙较小时1.0～2.0MPa，最高不超过3MPa。2/25/2023（4）浆液渗透半径与注浆孔布置渗透半径取决于注浆压力、围岩力学性质、裂隙密度及张开度、浆液的流淌力学参数及初凝时间等。一般接受渗透公式初步计算后由现场试验确定。注浆孔间排距，要求两孔渗透半径贯穿，一般在2m左右。注浆位置依据须要，可帮角、顶板或全断面。2/25/2023（5）注浆量每孔注浆量式中：A－浆液消耗系数（1.2～1.5）；L－钻孔长度方向加固区厚度，m；R－浆液扩散半径，m；－围岩的裂隙率（0.5%～10%）；－浆液的充填系数（0.6～1.0）（m3）

2/25/20237.巷道围岩的应力转移技术2/25/2023我国煤矿每年新掘巷道10000余公里，其中受到高应力影响的巷道占到70～80%。高应力巷道分为以下三类：软岩巷道、动压巷道和深井巷道。当高应力巷道生产、地质条件困难或支护方式不当时，巷道在其服务期间屡遭破坏，失修率高，须要进行不断的维护或返修，不但巷道支护成本高，而且造成煤炭资源开采的极端困难，严峻威逼着矿井的平安生产。这种局面将成为我国煤矿今后必需长期面对的开采技术难题。因此，必需解决该类巷道的维护问题。7.1背景2/25/2023巷内开槽孔松动爆破巷道一侧或两侧布置巷道巷道顶板掘巷的应力转移原理与关键技术巷道底板掘巷的应力转移原理与关键技术巷道迎头超前钻孔应力转移原理与关键技术7.2应力转移的关键技术2/25/20237.2.1开槽孔巷道周边开槽孔后的应力分布Ⅰ－围岩应力较低区；Ⅱ－应力上升区；Ⅲ－原岩应力区开槽后应力向深部转移。槽孔可在底板、两侧或全断面。2/25/20237.2.2松动爆破2/25/20237.2.3巷道一侧或两侧布置巷峒

巷道一侧布置巷硐后效果示意图2/25/20237.2.4巷道顶部布置巷峒有无顶部卸压巷时的巷道围岩应力分布

2/25/20237.2.5底板开巷松动爆破应力转移底板开巷松动爆破卸压图————锚杆；————松动爆破炮眼硐室卸压巷卸压巷2/25/20237.2.6巷道迎头钻孔实现应力转移2/25/20238.软岩巷道支护思路和原则2/25/2023（1）巷硐掘进期间围岩应力集中，围岩塑性区、裂开区发展很快，引起围岩猛烈变形。（2）巷硐掘后稳定期间围岩仍保持较大量的持续蠕变。（3）巷硐两帮的较大变形（包括下沉）及底板鼓起影响巷硐围岩的整体稳定。8.1软岩、动压巷道变形特点2/25/2023传统的：先让后抗先柔后刚二次支护限制底鼓（底板处理）8.2软岩、动压巷道围岩限制的基本准则新发展的：限制、稳定作用原理高抗边让、预留断面二次支护、长期稳定固结、强化围岩加固帮角限制底鼓2/25/2023掘进期间应力集中，围岩变形猛烈，主要以高强的“锚、喷、网”支护体系限制并适应围岩变形。其关键是接受高强可伸长锚杆。掘后稳定期间有较大的长时蠕变，此时接受“二