高地应力松软围岩巷道支护研究与实践

高地应力松软围岩巷道支护研究与实践　董瑞（中国神华神东煤炭集团寸草塔煤矿，内蒙古鄂尔多斯０１７２００）　摘要：本文结合各大矿区巷道支护实践，提出　锚注　支护方式来进行高地应力软岩巷道围岩控制。该　锚注　支护方式在河南　某矿进行了现场试验，结果表明，通过　锚注”可以有效对高地应力软岩巷道围岩进行控制，在该支护方式下的围岩变形仅为原　锚网　喷　支护方式下的１／１０～１／８。　关键词：高地应力；软岩；变形机理；支护方案；支护效果　中图分类号：１７４０６．３；ＴＤ３５３　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００８—０１５５（２０１４）１０—０１８２—０３　近年来，随着国内煤炭行业的飞速发展，各大矿区　单井产能得到了大幅度的提升，随着矿井浅部资源的　大规模开采殆尽，部分老矿井已经进入了深部开采水　平。深部开采与浅部开采相比主要特点有地应力高、　岩石硬度低、地质构造复杂、围岩支护困难等，这样采　用传统的锚喷支护、可缩性ｕ型钢、工字钢棚等已经难　以控制巷道围岩变形…。目前，我国煤矿巷道支护方　式主要有被动支护、主动支护和补强加固等三种，其中　被动支护多指以金属型钢棚架、砌碹等支护方式，主动　支护多以锚杆、锚索为支护基础的锚网索支护、锚杆支　护、全锚索支护等支护方式，补强支护多指在上述主动　支护和被动支护基础上增加以注浆加固为主要支护形　式的补强加固Ｌ２　Ｊ。巷道支护实践表明，采用单一的支　护方式能够一定程度的控制巷道变形，但对于高地应　力深部软岩巷道围岩控制效果并不理想。笔者结合自　身深井支护经验，提出了深部高地应力作用下的软岩　巷道支护方案：普通锚杆＋注浆锚杆＋锚索＋金属网　＋钢带＋喷浆。该方案在河南某矿轨道下山车场进行　了现场试验，结果表明，巷道围岩控制效果较好，该支　护方式具有较好的推广价值。　１高应力软岩巷道变形机理　地应力是决定深部巷道是否稳定的重要因素，在　生产实际中常根据岩石强度Ｒ　与最大主应力ｏ　。　的　比值来划定地应力等级，当Ｒ　／ｏｒ　＜４时为极高地应　力，当Ｒｂ／　＞７时中等地应力，当４≤Ｒｂ／盯　≤７时　为高地应力　］。高地应力的存在会促使开挖的巷道围　岩出现变形、破坏和表面剥蚀，且这种对巷道的破坏作　用具有客观性和长期性。资料显示，在巷道开挖后，揭　露的岩体由原来的三向应力平衡状态重新分布，巷道　径向应力随着地应力的增大而逐渐增大，这样会一定　程度的降低围岩强度和自承载能力。所以，在高地应　力作用下的巷道在开挖后极易出现应力瞬间和长时间　释放，促使巷道围岩出现剪胀破坏，其具体表现就是巷　道的收敛变形，顶板的冒漏和壁帮煤岩体的片落。　深部岩层在高地压和高地温作用下其强度和硬度　都会出现一定程度的降低，当岩层中含有蒙脱石、伊利　石和高岭石等易膨胀性黏土类矿物质时，在地压、地　温、地下水和地质构造等多种因素作用下会变得更加　软弱。尤其是对于含有膨胀性黏土类矿物质的泥岩、　碳质泥岩、铝质泥岩和砂质泥岩等岩体而言，地下水的　作用对于其物理性质的改变具有决定性的作用，一方　面这些岩体遇到水后发生水理作用，导致岩体出现膨　胀、变形和崩解；另一方面水也会一定程度的促使围岩　结构面和片理面强度降低，造成围岩在矿山压力、工程　扰动作用等内外作用力下出现变形和破坏。巷道支护　实践发现，软岩巷道常出现的变形破坏形式为顶板冒　漏和底鼓，前者多是由于矿山压力作用和支护不当引　起，后者形成原因较复杂。有关学者在研究软岩底鼓　时将其机理总结为挤压流变性底鼓、膨胀性底鼓、剪切　性底鼓和复合型底鼓等　Ｊ，可描述为：①挤压流变性底　鼓主要发生在软弱破碎围岩岩层中，底板软弱围岩受　到水平构造应力的作用沿着巷道自由空间隆起和开　裂，该类型底鼓具有一定的时间效应，其变形机理是巷　道的开挖造成底板岩层应力重新分布和水平构造应力　的持续释放；②剪切性底鼓是指矿山压力通过巷道两　侧煤柱传递给底板软弱围岩，软弱围岩无法抵抗这部　分力沿弱面出现剪切滑移，促使底板部分岩体在巷道　自由空间内鼓起；③膨胀性底鼓主要是指含有蒙脱石、　伊利石、高岭石等膨胀性黏土类矿物质的软岩在巷道　积水、顶板淋水及顶板水作用下出现岩体膨胀和扩容　现象，同时膨胀应力又作用岩体加剧岩体出现变形，最　终引起底鼓；④复合型底鼓是指上面几种底鼓的综合　体，软弱底板围岩受到剪切应力、构造应力、地应力、工　程扰动、水理作用等多种因素下形成底鼓。　２高应力软岩隧道支护方案的确定　高地应力软岩隧道与普通围岩巷道不同，其主要　特点是地压大、围岩强度低、承载能力弱、构造应力复　杂，容易受到工程扰动等作用影响，所以高地应力软岩　巷道若支护不合理则极易造成巷道的变形和坍塌。平　煤神马集团十一矿丁二轨道下山车场埋深超过９００ｍ，　其围岩岩性为砂岩、砂质泥岩和泥岩，支护方式为常规　锚喷支护，结果造成车场巷道顶板下沉；ｉｅ￣４００ｍｍ，两帮　收稿日期：２０１４—０６—３０　作者简介：董瑞（１９７７一），内蒙古达拉特旗人，助理工程师，现就职于中国神华神东煤炭集团寸草塔煤矿。　ｌ８２　收敛达８００ｍｍ，底鼓量达￣ｌＪ８ＯＯｍｍ，部分地段原锚喷支　护完全失效　；晋煤集团赵庄煤矿３３０６工作面埋深约　为６００ｍｍ，顶底板岩性为碳质泥岩、泥岩和砂质泥岩，　围岩软弱易碎，支护方式为锚网索联合支护，在回采过　程中顶底板变形严重，其中超前支护范围内底鼓量可　达１４００ｍｍ，严重地影响了工作面的通风、行人和运　料　；萍乡矿业集团白源煤矿二水平运输大巷埋深６００　余米，该巷道穿过泥岩、碳质泥岩和粉砂岩，围岩总体　表现裂隙发育、松散破碎，采用锚网喷支护时出现大面　积片帮、冒顶现象，巷道始终处于边掘边修状态，后通　过改变断面形状和支护参数方一定程度地控制了围岩　变形　；榆树井煤矿总回风巷沿１５＃煤层底板掘进，由　揭露地质条件可知，１５＃煤层底板岩性几乎全为泥质胶　结，顶板岩性为碳质泥岩和泥岩，在采用“锚网喷＋Ｕ　型支架”支护时在高地应力作用下频繁出现顶板　漏　和底鼓现象，严重地影响了该巷道的稳定性和安全　性　Ｊ。由此可知，若高地应力软岩巷道支护方式选择　不当则难以控制巷道围岩变形，故只有结合高地应力　软岩巷道实际特点采用针对性的支护方式才能对软弱　围岩形成有效控制。　在进行高地应力软岩巷道支护实践中发现，巷道　围岩支护结构所受力主要来自围岩变形，当采用型钢　架棚支护时难以对该部分压力形成躲让，在巨大的围　岩变形压力作用下可造成刚性支护结构出现扭曲、变　形和破坏，支护结构的破坏也最终造成巷道围岩的破　坏。所以，在进行高地应力软岩巷道支护时，应该保证　支护结构具有一定承压作用的基础上，尽量提高软岩　的强度和完整性，这样一方面可以提高围岩自身强度　和承载能力，减少围岩变形程度和对支护结构的变形　膨胀力；另一方面可以提高支护结构的支护作用力，确　保支护结构与围岩关系保持合理平衡状态。　在高地应力软岩巷道变形特点的基础上，结合国　内各大矿区高地应力软岩支护实践，提出“锚注”支护　技术，该支护技术是常规“锚网喷”的基础上加入注浆　锚杆支护巷道顶板、两帮和底板，“锚注”支护的优点　是：①利用传统“锚网喷”支护促使支护结构与围岩形　成同一个承载结构，控制巷道便面围岩自由变形，调整　围岩应力分布，防止巷道表面松散岩体碎裂和冒落；②　通过中空注浆锚杆将破碎围岩胶结在一起，降低围岩　裂隙发育程度，提高巷道围岩的强度、硬度和完整性，　同时注浆锚杆可发挥其悬吊、组合梁、挤压加固等常规　锚杆应有的作用对围岩进行控制。故“锚注”支护可以　对软岩巷道围岩形成复合加固作用，确保巷道围岩保　持长期稳定。　３工程应用　３．１工程概况　河南某矿设计生产能力为３Ｍｔ／ａ，开采深度为７００　～９００ｍ，其二水平轨道下山车场所处岩层为砂质泥岩　和泥岩，车场巷道毛断面为１５．４ｍ　，净断面为１４．２ｍ　，　支护方式为“锚网喷”联合支护。经过二年的时间，该　车场场出现了严重的变形，其中顶板下沉量为３００～　４５０ｍｍ，两帮收缩量为７００～９００ｍｍ，底鼓量为６００～８００　ｍｍ，巷道锚喷支护结构部分出现完全失效情况。分析　该巷道破坏原因主要有：①该车场巷道埋深超过８５０ｍ，　部分地段巷道围岩垂直应力可达４１．２ＭＰａ，在高地应力　作用下容易促使巷道围岩出现流变变形；②该巷道部　分地段处于Ｆ３逆断层影响范围内，当巷道开挖后原构　造残余应力重新分布，当超过支护结构支护强度时便　会出现围岩变形和破坏；③该车场巷道所处岩层岩性　为砂质泥岩和泥岩，该类岩体中含有较多的膨胀性黏　土类矿物质，在受到顶板淋水、巷道积水等作用下可发　生膨胀变形，当膨胀变形压力超过支护阻力时便会引　起巷道围岩破坏，该巷道底鼓多由此引起；③原支护方　式不合理，采用“锚网喷”支护时在初期一定程度地控　制了巷道围岩变形，但由于普通锚杆、锚索在软岩中抗　拔力和黏结力较弱，导致支护一段时间后在围岩流变　变形作用下出现拉出现象，同时也破坏了原来的喷层，　造成支护结构的失效。车场巷道的大范围毁坏严重地　影响了矿井正常物料运输，故寻求新的高地应力软岩　支护方式对于控制该车场巷道围岩变形和保证矿井正　常生产具有重要的意义。　３．２支护方案确定　在分析高地应力软岩巷道支护基础上，认为“锚　注”支护可以有效改善和控制巷道围岩，现决定采用该　支护方式对该矿井二水平轨道下山车场巷道围岩进行　控制。由于原车场巷道变形严重，决定首先对车场巷　道进行重新刷大处理，扩刷后巷道净宽为４４００ｍｍ，净　高为３６００ｍｍ。车场巷道顶板支护方式为“普通锚杆＋　注浆锚杆＋锚索＋金属网＋喷浆”支护，其中普通锚杆　和注浆锚杆为交互布置，普通锚杆为　２２×２４００ｍｍ的　左旋无纵筋螺纹钢锚杆，注浆锚杆为　ｌ６×２４００ｍｍ中　空注浆锚杆，锚索为ｑｂｌ６．８×６０００ｍｍ钢绞绳，金属网　为网格为５０×５０　ｍｍ的菱形金属网，喷层厚度为　１２０ｍｍ，其中锚杆间排距为７００×７００ｍｍ，锚索间排距为　１４００×１４００ｍｍ；两帮采用“普通锚杆＋注浆锚杆＋金　属网＋喷浆”支护，其中普通锚杆、注浆锚杆、金属网和　喷层厚度均与顶板支护方式和支护参数相同；底板采　用“注浆锚杆＋底板浇筑”支护，锚杆间排距为７００×　７００ｍｍ，底板浇筑混凝土２５０ｍｍ。该车场巷道支护布置　具体见图１所示。　锚索　图１二水平轨道下山高地应力软岩车场巷道支护方案　１８３　３．３支护效果分析　［５］陈高君，何宗礼．大埋深高应力软岩巷道锚注支护技术　研究与应用［Ｊ］．中州煤炭，２００６，４：６—８．　［６］李洪彪．赵庄矿大采高松软煤层工作面矿压规律及围　３．３．１监测方案设计　为了掌握“锚注”支护方式下的车场巷道支护情　况，决定对该巷道变形情况进行观测。观测方案为：在　巷道选择两个截面，两截面相ｇ￣１５ｍ，分别在截面顶底　和两帮布置测点，采用十字交叉法记录巷道变形情况，　观测频率为１次／天．观测时长直至巷道稳定为止。　３．３．２支护效果分析该矿井二水平车场围岩变形　情况见图ｌ和图２所示，由图可知，随着时间的延续，巷　道变形速率呈现先增后降的趋势。从车场围岩变形曲　线可知，在前２０ｄ范围内，车场围岩变形速率较大，顶底　板和两帮收敛速度可达２．６ｍｍ／ｄ和２．Ｏｍｍ／ｄ；随着时　岩控制研究［Ｄ］．太原理工大学，２０１２．　［７］王志萍．锚、网、梁、喷＋锚索联合支护技术在软岩巷道　中的应用［Ｊ］．煤矿支护，２００７，２：３５—３６．　［８］李睿，等．软岩巷道变形破坏机理分析与支护对策研究　［Ｊ］．煤炭工程，２０１２，２：６９—７１．　（责任编辑：焦蓬华）　（上接第１７３页）　其矿井运输、排水、通风、供电等生产系统不用进行改　造，可最大化的回收煤炭资源。　优点：①安全可靠、技术可行、经济有效；②提高资　间的进一步延续，车场围岩变形速率逐渐减小，直至到　约为１２０ｄ时基本围岩保持稳定。从量变角度分析，在　１２０ｄ内车场顶底板围岩累计收敛量为１２０～１２８ｍｍ，两　帮累计收敛量为９８—１　ｌＯｍｍ，底鼓量累计为８２—８５ｍｍ，　说明在“锚注”支护条件下，车场围岩得到了较好的控　制，车场围岩变形量仅为为原来“锚网喷”支护条件下　的１／１０—１／８，其中顶底板变形主要以底鼓为主，但底　鼓量较小，不影响正常的物料运输作业。　（ａ）ｌ＃断面围岩变形情况　（ｂ）２＃断面围岩变形情况　图２二水平轨道下山高地应力软岩车场巷道变形曲线　４结束语　（Ｉ）通过高地应力软岩巷道支护机理的分析，结合　国内各大矿区高地应力软岩巷道支护实践，提出适合　于高地应力软岩巷道“锚注”支护方式。　（２）“锚注”支护方式的主要优点是利用传统“锚　网喷”支护促使支护结构与围岩形成同一个承载结构，　控制巷道自由变形，同时利用注浆锚杆提高巷道围岩　的强度和整体性，从而确保所支护的高地应力软岩巷　道能够保持长期稳定。　（３）以河南某矿二水平轨道下山车场为例，通过现　场实测掌握了高地应力软岩巷道在“锚注”支护条件下　的变形情况。结果表明，通过“锚注”支护，围岩变形量　仅为为原来“锚网喷”支护条件下的１／１０～１／８，支护效　果较好。　参考文献：　［１］李斌，邱若华．煤矿高地应力软岩巷道支护技术现场试　验研究［Ｊ］．山西建筑，２０１１，３７（１５）：４８—４９．　［２］王其洲，蒋现科．软岩巷道支护方式探讨［Ｊ］．能源技术　与管理，２０１２，１．６２—６３．　［３］邹科，等．高地应力软岩隧道施工变形控制方法试验研　究［Ｊ］．隧道建设，２０１２，３２（１）：５—１０．　［４］陈见行，等．浅析巷道底鼓机理及其防治措施［Ｊ］．煤矿　现代化，２０１３，３．２８—３０．　１　８４　源回收率，延长矿井服务年限；③缓解就业压力，有利　于矿区稳定；④有利于矿井的可持续发展。　缺点：①征迁工作时间紧、任务重；②村庄搬迁费　用高；③工农关系复杂，协调困难。　３杨村煤矿“三下”压煤回采方案的探讨　根据实际情况，结合以上各采煤方法的优缺点，我　矿可以同时采取多种采煤方法对“三下”压煤进行回收　利用。　３．１建筑物下采煤　（１）在高敏感建筑物及密集建筑群下开采时，采　用上行开采顺序的综采矸石充填方法管理顶板。我矿　与中国矿业大学合作，利用其充填采煤沉陷计算模型　对采煤沉陷地表变形进行预计，利用其成熟的矸石充　填生产工艺，在我矿矸石山地面建立地面矸石投料系　统，在井下铺设矸石运料系统，通过综采充填支架实行　煤矸石充填开采，开采过程中加强地表沉降观测，对适　于不同地表变形值、不同房屋保护等级的建筑物采取　保护措施，及时采取补救措施，以确保安全生产。　（２）在个别零星建筑物下部进行开采时，对其进行　搬迁处理，以降低生产成本。　３．２铁路下采煤　（１）地面设立地面位移观测站，及时观测收集矿区　铁路及周边区域沉陷数据，分析其塌陷稳定性。　（２）成立维修队伍，专门负责这一区段线路的维　修工作，准备充足的维修材料，尤其是道碴和轨枕。　（３）按地表移动变形结果采取合理的措施对铁路　及时维修，加强线路上部建筑、线杆的保护。　（４）回采结束后，按铁路部门的规定对线路进行一　次纵、横断面整治，及时采取顺坡、起道、拨道、调整轨　距和轨缝等措施，在预计移动较大区段增设防爬器、轨　距拉杆或轨撑。　（５）加强对线路的巡视和移动观测，当线路下沉速　度较快时，按相关规定，设置减速或停车信号保护。　４结论　通过对“三下”压煤的回收利用进行研究，“三　下”压煤造成的大量呆滞煤炭资源，解决因资源枯竭造　成的杨村煤矿生产和接续问题，达到延长矿井服务年　限，提高矿井可持续发展能力。　（责任编辑：焦蓬华）