陶二矿回风下山长环形支架耦合加固方案(锚杆距).

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1、邯郸矿业集团陶二煤矿邯郸矿业集团陶二煤矿 新南总回风下山长环形支架耦合加新南总回风下山长环形支架耦合加 固固 设计方案设计方案 河北工程大学矿山工程研究所 2011 年 7 2 目 录 1 概 况1 1.1 工程地质概况 .1 1.2 新南总区回风下山原支护设计概况 .2 2 回风下山围岩变形破坏分析及治理思路4 2.1 回风下山围岩变形破坏分析 .4 2.1.1 现场巷道围岩变形情况 .4 2.1.2 初次支护形式评价 .4 2.1.3 底臌成因 .4 2.1.4 现场巷道围岩变形破坏分析 .5 2.2 巷道底板及巷帮破坏深度计算 .5 2.3 回风下山治理思路 .6 3 回风下山长环形支架

2、支护设计方案8 3.1 回风下山支护设计 .8 3.1.1 回风下山顶帮锚网索支护设计 .8 3.1.2 巷道围岩注浆加固回风下山 .9 3.1.3 长环形支架二次支护及支护时机确定 .9 4 施工工艺及顺序.12 4.1 巷道扩断面施工 12 4.2 喷浆施工 12 4.3 打锚杆锚索挂网施工 12 4.3 长环形支架施工 13 4.4 注浆工艺过程 13 4.4.1 前期准备工作 13 4.4.2 钻孔施工 13 4.4.3 具体注浆施工工艺 13 4.4.4 注浆监控和质量检查 15 5 矿压监测.17 6 支护材料概算.20 新南总区回风下山长环形支架加固设计方案 1 1 概概 况况

3、1.1 工程地质概况工程地质概况 冀中能源集团陶二煤矿属国有煤矿，位于邯郸市以西 15 公里处，是集团公 司下属的集煤炭生产、洗选加工和发电于一体的重点煤矿。陶二煤矿于 1982 年 投产，年设计生产能力 90 万吨，近几年通过技术改造，核定年生产能力达到 150 万吨。该矿交通条件便利，其中邯长（邯郸长治）铁路和 309 国道横穿 井田中部。陶二矿南采区回风下山位于矿井南部，巷道埋深为 644835.2m，水 平标高为520m711.2m，属于深部开采，见图 1.1。 新南总区回风下山下部与扩大区井底车场绕道相连，下部与新南总区总回 风巷相通，设计服务年限 20 年。该巷道于 09 年 3

4、月底竣工，目前已经过两次 主要以起底为主的维修。回风下山沿着 2#煤底板掘进，距离 2#煤底板约在 7m15m 之间，总工程量为 450m，巷道坡度约 19。回风下山所在层位为粉砂 岩，厚度 15.6m，底板主要为粉砂岩，厚度为 1321m，裂隙发育，较软，含黄 铁矿、钙质结核；夹层为 0.4m 的薄层泥岩，极软、易破碎，见图 1.2。 图 1.1 回风下山平面位置关系图 新南总区回风下山长环形支架加固设计方案 2 图 1.2 回风下山围岩柱状图 1.2 新南总区回风下山原支护设计新南总区回风下山原支护设计概况概况 回风下山设计断面为直墙半圆拱形巷道，净断面 4500mm3550mm，巷道 顶

5、和两帮采用锚梁网喷联合支护。支护参数：222400mm 螺纹钢锚杆，间排 距 700mm700mm；拱顶锚索每排布置 3 根，间排距 1800mm1400mm；锚杆 间使用梯子梁连接，锚索间使用纵向梯子梁连接；表面喷射 120 mm 厚的混凝 土，见图 1.3。 图 1.3 回风下山原支护设计 新南总区回风下山长环形支架加固设计方案 3 经课题组现场勘查发现，回风下山全断面变形严重，表现巷道底臌量在 1.52m 左右，两帮收缩量达 1m 左右，特别是靠近轨道巷一侧帮部变形量较大， 腰线以下部位浆皮出现撕裂，宽度为 2030cm，顶板下沉量为 0.8m 左右。巷道 下部底板涌水量较大，该巷道已经

6、维修过 2 次，巷道浅部围岩仍破碎严重，网 兜较多。现巷道断面高度为 1.62.3m，腰线部宽度 2.53.5m，见图 1.4，巷道 断面的较大变形严重影响了煤巷的生产与安全。 16002300 4500 巷 道 中 心 线 原断面 现断面 图 1.4 回风下山原巷道轮廓与现轮廓对比图 新南总区回风下山长环形支架加固设计方案 4 2 回风下山围岩变形破坏分析及治理思路回风下山围岩变形破坏分析及治理思路 2.1 回风下山围岩变形破坏分析回风下山围岩变形破坏分析 2.1.1 现场巷道围岩变形情况 2011 年 3 月 30 日，课题组下井勘查了扩大区回风下山变形破坏情况，发 现巷道底臌和围岩变形主

7、要表现为： 底板整体同步底臌，底臌量约 0.52m 不等。 巷道顶板和两帮变形严重，顶板下沉量平均 0.8m，两帮变形量平均为 1m，巷道表面围岩破碎严重，金属网出现“网兜”凸起现象。特别是靠近新南总 轨道下山侧巷帮墙体剪切破坏明显，分析认为主要是由于底臌致使墙体破坏。 巷道中、下部流水较为明显，虽然有管道导流，但由于水量较大，排水 不及时，造成底板围岩遇水弱化，底臌比较严重。 2.1.2 初次支护形式评价 巷道围岩发生剧烈变形，顶板较为完整，两帮移近量大，底臌严重，围岩 在各个方向都产生了较大的松散破碎圈。然而在两帮变形破坏过程中，发现多 处锚杆整体外移，这说明单一的锚杆支护没有起到有效控制

8、围岩变形的作用。 由于岩巷成形不太好，且所采用的焊接钢筋网孔径比较大，出现部分锚杆 托盘悬空现象，钢筋网接顶不密实，这样的围岩一旦发生碎涨，就出现“网兜” 或锚杆托盘“嵌入”等现象，从而造成锚杆支护系统失效。原施工巷道仅对底板 水进行抽放，而对底板却没有进行支护，导致巷道底板遇水膨胀，底板变形严 重。由于围岩易破碎和风化，巷道开掘后封闭围岩的时机及复喷的时机选择非 常关键。因此，可采用锚索束注浆+长环形支架耦合加固围岩，增大岩体破裂面 的黏聚力，提高围岩自身承载能力。 2.1.3 底臌成因 巷道底臌主要由以下几个方面的因素引起： 底板岩层弹塑性变形。巷道开挖使得底板岩层局部和部分卸载，随即将

9、产生弹性恢复；同时，部分岩层应力超过其屈服强度后，也会产生塑性变形。 底板岩层扩容。岩层破坏势必造成岩层体积扩容，因而扩容变形是引起 巷道底臌的主要原因。 底板岩层遇水软化。岩层进过长时间浸泡后，会产生一定的体积膨胀， 特别是当岩层含有蒙脱石、伊利石等矿物时，膨胀效果将会更加明显，加剧了 底板变形。 底板岩层流变。底板岩层流变导致底臌量随着时间的推移不断增加、岩 新南总区回风下山长环形支架加固设计方案 5 层强度不断降低。在软岩巷道中，底臌的时间效应表现尤为突出。 扩大区 2#煤属于突出煤层，瓦斯压力将近 5MPa，煤层中本身高应力没 有释放，内部存在高应力，造成围岩变形持续时间长、变形较大。

10、 2.1.4 现场巷道围岩变形破坏分析 通过现场调查，目前新南总区回风下山已经掘进施工完毕的巷道表现出变 形破坏严重，巷道整体变形超过 1m。另外该巷道已经进行了 2 次起底维修。形 成此种状况的主要原因如下： 回风下山埋深在 644835.2m 之间，井底车场711 水平巷道的实测地 应力数据显示该区域地应力较大，特别是水平地应力较大（最大水平主应力： 31.13MPa，最小主应力：13.06MPa，垂直主应力：15.7MPa） ，说明构造应力影 响显著，虽然水平地应力方向与巷道轴向近似平行，但在高应力环境下巷道围 岩仍表现为工程软岩的特性。 巷道底板表面有流水与底板岩层接触，粉砂岩中含泥质

11、成分，遇水后降 低了围岩强度。 回风下山原支护方案只考虑顶板和两帮的支护，巷道底板无支护，碎裂 底板自由变形，没有得到限制。 2.2 巷道底板及巷帮破坏深度计算巷道底板及巷帮破坏深度计算 巷道底板围岩破坏深度主要与巷道断面形状、巷帮塑性区宽度、埋深、支 护形式、围岩性质等有关，巷帮中应力向底板转移通道在巷帮塑性区深部，所 以通过公式计算确定巷帮塑性区宽度，后通过公式确定巷道底板破坏深度。 由极限应力平衡方程可得巷帮的塑性区宽度为： 式中 x巷帮的塑性区宽度，m； m巷道的高度，3.55m； A 侧压系数，取泊松比 =0.25，则 A=u/(1-u)=0.34； 围岩界面的内摩擦角，取 20；

12、C 围岩界面的粘聚力，1.4MPa； k 应力集中系数，取 3； 岩石平均容重，25KN/m3； ) Px tg C tg C H ln( 2 A k tg mA x 新南总区回风下山长环形支架加固设计方案 6 H 巷道埋深，700m； Px 支架对巷帮的支护阻力，一般为 0.10.2MPa，取 0.2MPa； 由塑性滑移线场理论可求得巷道底板塑性破坏带的最大深度 h。 解得 x=1.4m； 式中 x 巷帮的塑性区宽度，m； 围岩界面的内摩擦角，取 20； 解得 h=3m； N.布什曼从很多模型中得到巷道底板最大破坏深度与巷道宽度有关，一般 巷道底板最大破坏深度带深度为 h=N*L 式中 L

13、巷道宽度；N 破坏系数，一般 N=0.50.75。 巷道破坏深度在 2.253.375m 之间。 通过公式、取破坏深度大值，确定回风下山巷道底板破坏深度 3.4m。 2.3 回风下山治理思路回风下山治理思路 对于回风下山底臌量大，帮侧变形严重，提出采用“双壳”支护巷道的思想， 见图 2.1。通过采用高强锚杆、锚索支护巷道围岩，并施加较大预应力，使 支护体结构与围岩耦合成一体，提高围岩的骨架承载能力，使巷道周围形成第 一应力承载壳；利用封闭式长环形支架较大的增阻和可缩性能，对巷道围岩 进行二次支护，形成第二应力承载壳，再次提高支护结构对围岩变形的抵抗能 力。 长环形支架的特点为： 对顶板不均匀应

14、力适应性强。当围岩作用支架下的压力达到一定值时， 支架便产生屈服缩动，从而避免了支架受压过载导致失效； 由于支架本身是一个闭合体，其承载能力较拱形、梯形支架有较大提高， 对巷道两帮和底臌具有较好的控制能力； 提高了对底板的支护阻力。对底板提供较高的支护阻力以后，将产生两 个作用，一是使巷道底板岩体从两向应力状态成为三向受力状态，提高底板岩 体的强度极限；二是当底板岩体遭到破坏以后，可以阻止底板破碎岩石向巷道 ) 2 4 exp( ) 2 4 2cos( cos tg x h 新南总区回风下山长环形支架加固设计方案 7 自由空间挤出，减少底板变形量，控制底臌。 一一一一 一一一一一 一一 h v

15、 一一一一一一 一一一一 一一一 一一一一 一一一 一一 h v 一一一一一 图 2.1 双壳支护效果示意图 深部巷道的地应力增加，导致巷道围岩塑性区和破碎区范围增大，尤其在 邻近巷道和底板水的作用下，支承应力和围岩变形量急剧增加。采用“双壳”思 想能系统地从围岩深部到到浅部控制围岩变形，减少塑性区破坏范围，从而提 高巷道的稳定性。 新南总区回风下山长环形支架加固设计方案 8 3 回风下山长环形支架支护设计方案回风下山长环形支架支护设计方案 为了适应高水平应力的影响，减轻底板破坏程度，使支护体和围岩耦合成 相互平衡结构，达到控制底板较大变形的目的，采用锚网索+长环形支架（U 钢） 二次支护方案

16、。 3.1 回风下山支护设计回风下山支护设计 支护原则：高阻让压，强化围岩，二次支护。 实施方案步骤：高强锚杆、锚索协调支护系统；围岩注浆，提高破碎 区岩体强度；采用全断面长环形支架控制围岩，永久支护。 3.1.1 回风下山顶帮锚网索支护设计 首先根据巷道断面要求进行扩帮、挑顶、卧底，使巷道断面达到设计要求， 即 5200mm5000mm（宽高） ，然后进行锚网索支护，见图 3.1。 8000 800 4200 一一 一一 1300 一 一 一 一 一 5200 800 350 2400 2400 2400 2400 8000 图 3.1 巷道断面初始支护示意图 锚杆：采用超强螺纹钢锚杆，规格为 222400mm，破断强度为 335KN，间排距 800mm800mm