巷道掘进支护存在的问题及支护措施研究

巷道掘进支护存在的问题及支护措施研究摘要：本文探讨分析耳海煤矿二盘区运输大巷出现的变形破坏问题，得出导致巷道变形的主要因素是高地应力、地下水、原支护设计不合理、高瓦斯应力，结合巷道所处地质条件提出“锚杆+锚索+注浆”和U型钢环形支架支护、柔性层支护的复合型支护方案，取得较好的返修支护效果。当前我国很多煤矿进入深部开采阶段根据煤矿开采进度每年向深部延伸接近20m#煤矿进入深部开采后巷道围岩承受的应力环境更复杂开“三高一扰动”带来的突出影响更明显因此在巷道深部开采中开支护是首要问题用从当前煤矿开采情况看很多煤矿巷道出现全断面收敛变形田巷道稳定性控制难度很大传统支护方式已经不能满足深部巷道支护需求用耳海煤矿二盘区运输大巷埋深介于550~600m作为矿井开采的核心运输通道其地质构造复杂巷道穿越层位富含粉砂岩显著特征是岩层裂隙丛生且夹杂钙质结核、黄铁矿等软岩成分另有0.3m厚的夹矸层极易破损用地应力测试显示水平方向应力为主控应巷道原支护设计见图1#依据初始支护设计实施掘进应力作用下仍表现出明显的变形与破坏迹象呈现工行人台阶巷道中心线针对巷道变形特性进行详尽勘测结果显示开巷道变形呈现扩展态势两帮相对收敛量逼近2m顶板与底板间位移更是超出2.5m尤以底鼓现象显著平均隆起高度逾1.6m局部极端处近2m#巷道中部及下部伴有显著涌水加剧了围岩遇水软化现象围岩整体强度大幅度下降形成广泛的松散破碎带现场可见多处网兜结构用尤其值得关注的是顶板与两帮多处锚杆显著外移开反映出支护体系承受了异常压力用图2是巷道变形前后对比图从图2可看出巷道变形破坏已经严重影响煤矿正常生产[21用图2巷道变形前后对比示意图研究和工程实践表明开巷道围岩出现较大变形破坏的原因较多不同巷道出现变形破坏的原因也很多用从二盘区运输大巷的变形情况看巷道大变形破坏的原因主要有两方面：平应力3025MPa最小主应力15.23MPa垂直应力17.9MPa#通过计算巷道测压系数达到1.4左右巷道深埋于高应力地质环境普遍承受显著的应力集中效呈现显著的剪切损伤迹象伴随锚杆整体位移用凸显了围岩在高应力条件下的碎胀与蠕变特性用此类变形现象为围岩应力释放与结构失稳的直接体现³-4用第二围岩瓦斯压力影响用从巷道布置看巷道多数布置在2#煤层的底板中，距离在8～16m之间，通过勘察得到2#煤层中的瓦斯压力大约在6MPa,瓦斯突出的概率较高。巷道围岩在长时间高瓦斯应力作用下，巷道处于较长时间的蠕变状态，随着时间延长，变形将持续加大。4巷道返修支护控制措施4.1巷道返修支护机理通过对巷道变形情况进行分析，导致巷道变形的因素较多，传统的巷道支护方式不能满足需要，需要采取复合型支护措施。本次对巷道进行返修时，设计了三个层面的支护措施，共同承受巷道变形破坏。第一个层面是在巷道围岩施加“锚杆+锚索+注浆”支护；第二个层面是使用U型钢支架形成闭合支护体，在巷道表层进行强力支护；第三个层面是在上述两个层面之间加入一个柔性层，不仅让巷道围岩压力可控释放，也可以让巷道高应力均匀作用在U型钢支架，保证巷道围岩和支护体的稳定。本次巷道返修，对于柔性层，选择使用高分子聚乙烯垫板15-6]。本次返修支护机理为以下几方面：第一，围岩压力逐步累积并超越预设阈值时，支架凭借卓越的可缩性特性，有效吸纳并分散应力，通过适度的屈服变形，而非简单的刚性抵抗，显著降低支架因过载而失效的风险，保障巷道长期安全。特别是支架的阻力，会随支架不断压缩而提升，防止巷道出现较大变形破坏。随着支架不断压缩，巷道围岩的高应力能够在第二，U型钢支架形成的闭合支护体可以实现对巷道底板受力情况的有效改善，底板在支架的限制下，从传统的双向应力状态提升为三个方向受力的状态，围岩整体的极限承载能力增加，有效拓展底板围岩压力的承载范围，保证巷道围岩整体稳定。第三，巷道底板围岩遭遇变形破坏时，U型钢支架凭借独特的闭合支护结构，在特定范围内有效遏制底板破碎岩石向巷道内部无序扩张，限制巷道底板的变第四，在中部柔性层影响下，柔性层可以吸收一定的岩体变形量，实现对U型钢支架、“锚索+锚杆+注浆”支护的协同变形，对巷道围岩变形起到一定吸收效果。同时，U型钢支架的支护阻力可以有效传递，提升第五，巷道围岩在开拓过程中，整体不够光滑、平性层的加入，可以有效改善巷道支架和围岩受力情况，提升U型钢支架支护的稳定性，有效发挥支架承载能第六，本方案聚焦实施高效的底板注浆加固策略，通过精密注浆工艺，对关键区域的导水裂隙实施全面填充与有效封堵，降低地下水对巷道围岩的侵蚀，强化底板围岩整体强度，提升围岩的综合承载能力，遏制巷道底板变形趋势。4.2返修支护设计本次返修支护前，首先选择扩帮、卧底和挑顶的方式对巷道断面进行扩充，保证符合巷道使用要求。前期通过松动圈测试与钻孔窥视，精确界定巷道围岩破碎区范围，特别指出顶板与两帮在1.5m深度内变形显著。同时，深入分析深部围岩的分区破坏特征，明确影响区域。为发挥锚杆与锚索的支护效能，选定配套采用φ17.8mm×4200mm预应力锚索增强帮部稳定性。顶板区域优选φ17.8mm×8000mm超长预应力锚索，以深度锚固、高效承载，确保顶板结构稳固。注浆支护时，本次滞后锚杆、锚索施工50m开展注浆加固，底板设置注浆孔，为了提升注浆加固效果、拓展注浆加固范围，对两侧注浆孔进行打设时，向两帮方向外摆15°,提升两侧注浆效果。本次注浆压力在5MPa上下浮动。此次“锚杆—锚索—注浆”整体返修支护的效果见图3。卷道中其次，U型钢支架支护。将4段U型钢支架组成环形支架，达到“高阻让压”效果，支架在支护过程中，不但可以适应围岩在高应力条件下的变形，也可以给围岩提供较强的支护阻力。特别是在中部柔性层作用钢支架与“锚杆+锚索+注浆”支护体的较好协调。通过U型钢支架和柔性层相互协调，两者可以有效吸收巷道初期出现的较快变形。现场勘察发现，巷道开挖初期处于较快的变形阶段，围岩变形量超过200mm。为了适应围岩变形，最大限度达到“高阻让压”效果，本次选择柔性层的厚度为80mmfU型钢支架组成的环形支架的有效可缩量为500mml选择使用重量最大的U36型钢支架拼接成环形支架见图4#为了提升U型钢支架支护的稳定性开本次支架之间采用扁钢连接用U钢连接的位置选择使用螺栓进行加热开提升支护底板平面46°再次将柔性层安装到位用进行环形支架施工时在复喷层与支架之间垫设厚度为80mm的柔性层本次柔性层使用高分子聚乙烯板最后巷道返修支护中应精确把握二次支护的介入时机用此外柔性垫层的铺设质量、注浆作业的量控精度以及锚杆与锚索预紧力的科学设定开对巷道稳定性的恢复与提升具有决定性作用从现场观察看巷道采取上述支护措施后开围岩在1～2d内整体变形速度较快所以选择在打设锚杆、锚索5d后进行U型钢支架安装主要目的是巷道围岩将内部高地应力有效释放#U型钢支架选择使用扁钢连接保证支架稳定性用注浆压力精确设定于5MPa上下川平衡浆液渗透力与围岩承受能力确保注浆效果单孔注浆量严格现底板溢浆立即终止注浆确保浆液充分渗透并有效填充围岩裂隙提升巷道围岩的整体稳定性与承载能力锚杆打设时顶板锚杆预紧力控制在35kN左右开两帮锚杆预紧力控制在75kN左右在巷道顶板、两帮形成结构较完整、厚度较大的压缩结构用通过底板注浆在巷道围岩形成一个闭合的支护结构开保证巷道围岩稳定用实施返修策略后开对巷道围岩的变形动态进行系统监测并绘制详尽的围岩变形曲线图(