高应力软岩大断面巷道支护技术研究与应用

２０１３年第３８卷第４期　Ｖｏ１．３８　Ｎｏ．４　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—９９４３．２０１３．０４．０２８　能源技术与管理　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　７３　高应力软岩大断面巷道支护技术研究与应用　刘新杰　（中国平煤神马集团夏店矿，河南平顶山４６７５４４）　［摘要］深部高应力、超厚软岩体自身膨胀给巷道支护带来困难，采用高强锚杆＋锚ｍ－］喷支　护技术不能解决巷道支护的稳定问题。通过实践对巷道项板的下沉和两帮的收敛　量数据统计计算，分析巷道破坏机理，适当地优化原设计巷道掘进断面，在巷道压　力释放周期结束后，采用大型号ｕ型可缩性金属支架再喷浆封闭的复合支护技术，　有效地控制大断面巷道变形，达到了预期支护效果。　［关键词］　高应力；软岩体；大断面；破坏机理；预紧力　［中图分类号］ＴＤ３５３［文献标识码］Ｂ［文章编号］１６７２－９９４３（２０１３）０４　０７３　２　１　工程概况　夏店井田位于汝州市西北，井田地势平坦，为　山前平原地貌。夏店矿是采用三立井联合开拓，设　计生产能力１５０　Ｍｆｆａ的新建大型矿井，井筒开工　顺序为主井一风井一副井。　巷道内顶板、帮部各安设３组顶板离层观测仪，日　常做好观测记录。经过１０５　ｄ，巷道顶、腮部出现网　兜、喷层开裂现象，其中一处巷道断面缩小３．６　ｍ２，　巷道变形如图１所示。未及时采取有效的增强支　护措施，按原支护设计掘进１５　ｍ，巷道岩性如图２　所示。发现已施工的巷道出现几处有淋水，有潮湿　面、顶板浆皮下掉，锚网外漏，停止掘进。在巷道维　夏店矿回风井口标高＋３０７．８　ｍ，设计井筒落　底标高一５６１．５　ｍ，净直径６．０　ｍ。一５６０　ｍ回风石门　设计长度６５０　ｍ，设计巷道净宽５．０　ｍ，净高４．１　ｍ，　掘进断面１９．７　ｍｚ，净断面１７．８　ｍ　。支护形式采用　高强锚杆＋锚网喷（喷厚１５０　ｍｍ），锚杆选用　２０　Ｘ　２　２００　ｍｍ高强树脂锚杆，　８　ｍｍ碟形托　盘，锚杆间排距８００　ｍｍ　ｘ　８００　ｍｍ，药卷采用　修时发生了顶板局部冒顶事故，冒漏高度２．７　ｍ，　最大冒漏截面积４．５　ｍ　。　昌　寸　＇　Ｚ２３３５树脂药卷，３卷／根。金属网采用　６ｍｍ冷　拔钢筋，网孔为８Ｏ　ｍｍ　ｘ　８０　ｍｍ，搭接１００　ｍｉｌｌ，全　断面挂网。水沟净规格为３００　ｍｍ　ｘ　３００　ｍｍ，支护　厚度为１００ｍｍ。　５０００　图１巷道变形图　图２巷道岩性　２问题提出　在井筒施工过程中，在一４９０．０—－５７０．５　ｍ（含　３深部高应力巷道破坏机理分析　岩石开挖前，原岩体处于原始平衡状态。随着　井底水窝９　ｍ）的围岩大部分是砂质泥岩，中间局　部有多层砂岩条带，厚度不超过１．５　ｍ，局部碳化　程度高，裂隙发育，无节理，属于典型的松软破碎　岩体工程的开挖，在岩体中形成人为空间，打破了　原岩应力的分布状态，在开挖工程周围形成了次　生应力场，并产生应力集中。当集中应力超过围岩　强度时，巷道周边围岩发生破坏，失去抵抗强度，　使应力集中向深部发展，进一步破坏深部围岩，直　至达到新的应力平衡状态。　（１）构造应力随深度的递增，强烈度更大。巷　岩层。井筒落底后，向东、西回风井分别施工　２５　ｍ。为了加快整个二期工程的进度，满足巷道多　头施工所需的风量、提矸、排水等要求，停止掘进　对整个井筒进行治水和临时改装。井筒壁后注浆，　注浆工期６０　ｄ，井筒涌水水量减少２５　ｍ３／ｈ。临时　改装工期４５　ｄ。由于一５６０　ＩＴＩ回风巷道布置在井筒　道掘进后，深部构造应力使围岩迅速挤出，一般巷　道支护采用护帮、护顶的顶帮支护形式，底板成为　地压应力释放的弱面，应力释放过程中集中应力　的深部，超厚软岩体下，在东、西回风石门锚网喷　７４　刘新杰高应力软岩大断面巷道支护技术研究与应用　２０１３年８月　Ｆｅｂ．，２０１３　不断向底板方向转移，造成严重的巷道底鼓变形。　（２）由于上覆岩层压力大，软岩由于强度低　笆网，后喷浆封闭，喷厚２６０　ｍｍ。喷砼强度等级　Ｃ２０，铺底砼强度等级为Ｃ１５。②拉杆安装位置：棚　梁各搭接处往上１００　ｍ一道，棚腿巷道底板往　上１　２００　ｍｍ各一道。③底盘：在架腿下端增设　２５０ｍｍｘ　２５０ｍｍ厚１２ｍｍ的钢板。　２７５４（外弧）　和遇水自身膨胀，巷道刚掘出后快速崩解和在巷　道周围整体流变，直接对巷道支护带来强烈破坏。　４支护形式重新优化　根据已掘进的回风石门巷道，经过１０５　ｄ的　使用，对巷道顶板的下沉和两帮的收敛量的统计　分析，巷道采取高强锚杆＋锚网喷支护已经不能　满足矿井的使用要求，须进行巷道支护优化：①采　用　２０　Ｘ　２　４００　ｍｍ高强树脂锚杆，　８　ｍｍ碟形　托盘，间排距８００　ｍｍ　ｘ　８００　ｍｍ；药卷采用Ｚ２３３５　树脂药卷，３卷／根，初喷厚度５０　ｍｍ；锚索规格为　　＿ｌ　５１　１９　编埋　霹　寸　ｎ　一　｛　ｆ　水沟３００×３００　１７．８×８　０００　ｍｍ钢绞线，每排５根，间排距　２４００×１　０００ｍｍ，锚索托盘用　３００ｍｍ厚４０ｍｍ　专用托盘；金属网采用　６　ｍｍ冷拨钢筋，网孔为　８０　ｍｍ×８０　ｍｉｌｌ；Ｕ３６金属支架支护参数及材料消　／浇筑ｌｎ０　Ｕ　一　　１Ｌ　５３：　ｓ２　底壁　１　ｊ　量　——　图３金属支架喷浆支护断面　耗如图３及表１所示。金属支架后铺设　６ｍｍ钢　表１　巷道特征及棚子材料消耗量　５实施方案　对已经变形和冒顶区域的巷道进行架设金属　灌注混凝土。　６规范质量安全施工　（１）严格控制好锚杆、索直径、钻孔直径、药　支架处理，吸取施工中的教训，正常掘进时对巷道　支护施工工序进行优化：①原来的巷道掘进断面　尺寸为宽５　３００　ｍｍ、高４　２５０　ｌｎｍ，根据顶板离层　观测数据，对巷道顶板的下沉和两帮的收敛量的　统计计算，巷道断面尺寸变更为宽５　８００　ｍｍ、高　４　５００　ｍｌＴｌ，留足巷道受高应力、超厚软岩体自身膨　卷直径的施工，“三径”合理匹配，锚杆、索孔径与　锚杆、索杆体直径差应保持在５—１２　ｍｍ之间，才　能确保锚杆、索安装预紧力符合设计要求。　（２）安装锚杆锚索前，要把眼内的岩屑清理　干净，将锚固剂药卷用锚杆、钢绞线轻轻地送人眼　底，然后用风锚头旋转缓慢向里推进，让锚固剂充　分搅拌均匀。　（３）安设锚杆托盘要紧贴网，网要紧贴岩面，　螺母要求用锚杆机风马达转不动时再用人工扳手　拧４圈，及时初喷封闭。　胀初次来压的变形量。②锚索支护不得滞后迎头　掘进面１０　ｍ。掘进时锚杆＋锚网初喷支护紧跟迎　头距离不超过控顶距，在巷道开挖初期只应安装　锚杆，通过锚杆的加固作用，锚岩支护体具有一定　的承载能力，允许围岩发生一定变形，释放围岩变　形量，随着围岩变形量增大，锚岩支护体的承载能　力和自稳性降低，当锚岩支护体的自稳性达到极　限之前，应立即施工锚索，二者的协调互补作用大　大增强了整体支护性能。③架设金属支架不得滞　后迎头掘进面３５　ｉｎ。锚索网喷后，巷道经过１５　ｄ　再一次压力释放，应力重新分布趋衡状态，软　岩自身膨胀趋于稳定，再进行３６　ｕ型可缩性金属　（４）采用全断面掘进，分上、下部两次爆破，　两掘一喷，掘支单行作业。严格按照巷道进尺爆破　图表布置炮眼，控制装药量，实行炮孔痕迹率加价　办法提高光爆质量，巷道超挖控制在２５０　ｍｍ之　内，欠挖控制在５０　ｍｍ之内，减少爆破对围岩破　坏。　（５）ｕ形金属支架架设要贴帮贴顶，每节搭　接处要严实合缝，卡缆螺母拧紧（下转第７６页）　支架架设，对架设的金属支架进行全封闭的喷浆　７６　高陆军，等壁后注浆技术在深地层、高地压井巷工程中的应用　２０１３年８月　Ｆｅｂ．，２０１３　般以不对巷道造成新的破坏为原则。　过３０　ｍｍ，平均位移为１５　ｍｍ，且巷道没有出现　４壁后注浆施工工艺　施工工艺：施工准备一钻孔一安装注浆管一　开泵注浆　观察注浆情况—停止注浆一关闭注浆　导管阀门一拆除注浆泵与导管连接装置一清洗设　备。　施工措施：先采用钻机按照设计沿巷道断面　轮廓线打注浆孔，安装注浆管，并封好孔；注浆工　作必须连续进行，注浆过程中，要观察好浆液吸人　情况，待吸浆量明显减少时，压力稳定在２　ＭＰａ　以上２０　ｒａｉｎ，停止注浆；注浆压力没有达到设计　压力，压力不再上升，此时要暂停注浆，约１～２　ｈ　以后，再次注浆，如压力仍不上升，要停止注浆，并　封孔后换孔注浆；当注浆压力达到注浆终压时，要　裂缝、脱皮、掉块等来压现象。　通过实际施工结算对比，三水平戊组石门大　巷按锚网喷方案巷修时，共投入资金３８．９４万元。　其中直接工程费为２６．９万元；而壁后注浆施工投　入资金为３２．１万元，其中直接工程费为２０－３万　元。通过对比可以看出，壁后注浆支护在经济效益　上节约了资金。同时，三水平戊组石门大巷在巷修　时，共投入工期５０　ｄ，由于巷修处大巷轨道运输　被中断，大巷里段工作面无法施工，影响了工程施　工工期，且按锚网喷方案巷修，巷道一般会出现反　复来压，复修现象比较普遍。而壁后注浆施工在不　影响大巷轨道运输，不影响里段工作面掘进的同　时，可平行作业，人员投入少，巷修见效快，经济效　益一目了然。　先关闭闸阀，确保不漏浆不漏气后方可卸注浆泵　的压力；在停止注浆之前，立即关闭注浆管上的阀　门，拆除注浆泵与导管连接装置，对注浆泵及注浆　管路注入清水５　ｍｉｎ，将注浆泵及注浆管路冲洗　干净；为保证注浆效果，应在巷道围岩充分变形，　并趋于稳定后开始实施注浆加固；注浆加固深度　６结论　随着煤矿开采深度越来越深，深地层、高地压　下的井巷工程支护所面临的难度越来越大，巷修　工程量也越来越大。平煤六矿三水平戊组石门大　巷的壁后注浆加固支护取得了显著的效果，现在，　壁后注浆加固技术在平煤六矿三水平工程中已全　面推广，此项技术的推广，有效地减少了巷修工程　量，节约了大量资金，降低了施工成本，为井巷工　程的施工积累了宝贵经验。　［作者简介］　应略超过围岩裂隙发育的深度；每组注浆孔的施　工顺序：沿巷道底板由低向高，从下向上，先底角，　再两帮，最后是顶板的顺序注浆。　５壁后注浆支护效果与经济效益比较　三水平戊组石门大巷采用壁后注浆加固支护　后，巷道稳定性大大增强，根据巷道顶底板位移观　测点连续３个月的观测，巷道累计最大位移不超　高陆军（１９７３一），男，助理工程师，毕业于河南理工大　学采矿专业，从事煤矿建设管理工作。　［收稿日期：２０１３—０３—２０］　（上接第７４页）力矩要符合要求，棚间的拉杆连　接要牢靠，对于钢棚与巷壁贴不实处必须用混凝　土灌注，喷浆全封闭。　道合格验收断面尺寸。　（３）施工中要控制岩爆药量、匹配好锚杆锚　索的“三径”、严把安装预紧力，可以从根本上改善　巷道矿压显现。　７结论　（４）井巷工程施工中，应充分考虑和利用矿山　的岩矿地质条件，特别对于矿山开采中重要的巷　道和服务寿命长的巷道工程，需尽可能布置在稳　定岩层中，应尽力减少或避免由应力释放引起的　巷道破坏，减少巷道支护成本。　［作者简介］　（１）优化后的锚网喷＋锚索＋３６　Ｕ金属支架　＋喷浆支护新技术，在夏店矿回风石门岩巷实施　后，对巷道进行１Ｏ个月的应用和观测数据统计，　两帮最大收敛量５５　ｍｍ，只达到设计断面的　１．１％，顶板下沉３０　ｍｍ，底鼓６０　ｍｍ，分别达到设　计的０．７３％和１．５％，达到了预期支护效果。　刘新杰（１９７４一），男，工程师，硕士研究生，毕业于重庆　（２）通过实测巷道受压变形数据分析和计　算，优化增大巷道的掘进断面尺寸，留足巷道受高　应力、超厚软岩体自身膨胀的变形量，可以确保巷　大学项目管理专业，现为中国平煤神马集团夏店矿筹建处　副主任　［收稿Ｅｌ期：２０１３—０２—０５］