井巷工程 难维护巷道围岩变形控制技术

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1、难维护巷道围岩变形控制技术 概述难维护巷道的类型围岩应力转移的控制原理与技术巷道围岩注将加固原理与技术合理的支护方法工程实例 岩巷难维护的原因 一 概述 围岩松软破碎 单轴抗压强度 10 20MPa深井 自重应力 高应力采动应力 原岩应力的3 6倍 构造应力松软破碎 高应力 该类巷道具有围岩破碎严重 塑性区 破碎区范围很大 蠕变严重 巷道围岩变形少则几百毫米 多达1 0 2 0m 巷道在服务期间需要进行不断的维护与返修 特别是它们的两类或三类的复合型 问题更为突出 破坏方式 软岩巷道破坏是一个渐进的力学过程 总是从某一个或几个部位开始变形 损伤 进而导致整个系统失稳 破坏过程 沿巷道断面各个方

2、向的位移速度各不相同 总是从剧烈变形的部位发生裂纹 鳞状剥落 变形破坏区域逐渐扩大 最终导致整个支护系统的失稳 难维护岩巷的变形破坏特点 第一类 围岩软弱型 即软岩巷道第二类 采动影响型 即动压巷道第三类 深井高应力型 即深井巷道第四类 上述三类巷道的复合型 难维护岩巷的类型 二 难维护巷道的类型 动压巷道煤层开采引起的采动应力通常在原岩应力的3 10倍左右 将造成回采巷道 受跨采影响等巷道的严重破坏 软岩巷道是指在工程力作用下能产生显著显著的塑性变形和非连续变形的巷道 工程力指作用在巷道围岩的力之和 包括自重应力 残余构造应力 水的作用力 采动影响力及膨胀应力等 地质软岩 单轴抗压强度在0

3、5 25MPa的松散 破碎 软弱及风化膨胀性一类岩体的总称 工程软岩 在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体 工程岩体是软岩工程研究的主要对象 包括岩块 结构面及其空间组合特征 工程力是指作用在工程岩体上的力的总和 可以是重力 构造残余应力 水的作用力和工程扰动力以及膨胀应力等 显著塑性变形以塑性变形为主的变形量超过了工程设计的允许变形值并影响了工程的正常使用 包括显著的弹性变形 粘弹塑性变形 连续性变形和非连续性变形等 软岩的概念 深井巷道根据我国煤矿的巷道支护技术水平和地质条件 一般将800m作为深部开采的标准 部分软岩矿井的深部开采标准可定为600m或更浅 我国国有大中型煤矿开采深度

4、每年约以10m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 开采深度加大 岩体应力急剧增加 地温升高 当岩体应力达到或超过岩体强度时 有关岩体力学的若干问题由量变逐渐发生质变 造成资源开采的极端困难 并引发矿井重大安全事故危险性增加 严重威胁矿井的安全生产 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 难维护岩巷成为重点 式中 R 塑性区半径 a 巷道半径 P0 原岩应力 Pi 支护阻力 c 岩石内聚力 岩石内摩擦角 u0 巷道周边位移 G 围岩剪切模量 以往的研究多注重加固围岩和支护技术 但是位移u0随围岩应力P 的变化非常显

5、著 对此却研究很少 故降低围岩应力是在深井 软岩 动压条件下保持巷道围岩稳定的重要技术发展方向 三 围岩应力转移的控制原理与技术 开槽孔 巷道周边开槽孔后的应力分布 围岩应力较低区 应力升高区 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 松动爆破 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 顶部构建软弱区应力转移原理与技术 鲍店矿 430m水平胶带输送机硐室围岩松软 分层开采的采煤工作面多次从大巷上方通过 需保护受强烈采动影响的机头硐室 方案 硐室顶部构建弱化区 技术关键 在硐室上方两侧开掘两条与硐室平行的小断面巷道 然后在巷道间进行松动爆破 在硐室上方构建一个宽1

6、9m 长60m的松动弱化区 效果 应力转移后最大应力集中系数仅为2 6 是无松动弱化区时的30 实测表明 受采动影响期间 硐室顶底板移近量24mm 两帮移近量31mm 保持了硐室的长期稳定 底部构建软弱区应力转移原理与技术 蒋庄矿回采工作面从大巷胶带机硐室群上方通过 机头底部有1 8m深的基础 要求不底鼓 基础不受破坏 为此在巷道底板构筑松动弱化区 以降低硐室周围 特别是底板的围岩应力 硐室埋深约340m 围岩主要为砂质泥岩 煤层开采影响 硐室治理的技术思路 现场实施方案 技术关键 在硐室底板两侧开掘小巷道 两巷道之间深孔松动爆破形成弱化带 以达到应力转移的目的 效果 应力转移后垂直应力减少了

7、4 5左右 硐室两帮相对移近量小于40mm 底鼓量小于10mm 且为均匀底鼓 机头基础未受到破坏 上行开采的应力转移原理与技术 基本原理 下部煤层先行开采后 在采空区上方形成冒落带 裂隙带 缓沉带 此时上部裂隙带或缓沉带中的煤层巷道处于低应力区 维护十分容易 孙村矿二煤在上 四煤在下 相距22m 水平应力大 二煤埋深千米 开掘二煤的4218 4219两工作面顺槽时 巷道前掘后修 顺槽无法维护而报废 掘不出顺槽工作面不能生产 两工作面申请并获省局批准报废 为此 提出了先采四层煤 使二层煤顺槽处于低应力区的上行开采方案 效果 四煤上行开采后 二煤围岩中的垂直应力仅为原岩应力的36 61 回采工作面

8、前方支承压力系数仅为1 26 1 60 两巷顶底板及两帮移近量均小于250mm 用矿工钢支架即能维护且不需维修 顺利采出了4218 4219两工作面40万t煤炭 效果 上行开采后 采用矿工钢或锚带网即可正常维护巷道 项目研究后 孙村矿的二 四煤全部改为上行开采布置 技术方案 底板半圆形面积内布孔 孔底松动爆破 应力转移至围岩深部且稳定后 注浆固结底板岩石 巷道底板深部反拱及应力转移原理与技术 实施效果 平顶山六矿上山绞车房埋深550m 围岩松软 掘后不久即因严重底鼓而破坏 采用应力转移技术后 绞车房底鼓显著降低 底鼓量仅为原底鼓量的1 3 硐室保持了长期稳定 掘进工作面超前钻孔应力转移原理与技

9、术 基本原理 在迎头打超前钻孔将应力转移到深部后 迎头顶板应力减小 围岩变形量小 顶板完整 便于支护 解决了以前顶板破碎 锚杆无法施工的难题 参数确定 钻孔长度 直径 位置 实例 平顶山十一矿己16 1722120工作面顺槽埋深846 925m 迎头顶板破碎打不上锚杆 应力转移后迎头顶板完整 不但顺利打上了锚杆 且降低了围岩变形量 四 巷道围岩注将加固原理与技术 设计断面为16m2的大巷 掘出数月 框式支架就严重损伤破坏 极软岩锚网喷支护巷道 掘出数月 就坍塌破坏 注浆固化稳定围岩机理 提高围岩裂隙面的变形刚度和抗剪强度 浆液固结体的网络骨架作用 转变围岩破坏机制减小巷道围岩松动圈封闭水源提高

10、锚杆锚固力 1 杆体 2 托盘 3 压紧螺母 4 螺纹丝扣 5 挡环 6 射浆孔 7 钻孔 8 环形密封锚固卷 9 注浆嘴 10 岩体注浆加固圈 3 浆液扩散情况 注浆围岩岩芯照片 锚注加固支护 1 普通锚杆 2 注浆锚杆 3 金属网喷层 4 注浆加固圈 5 锚杆加固圈 注浆与锚杆共同作用效果 锚注支护中的锚杆还可有效抑制结构面的错动 从而提高围岩整体承载能力 祁南矿运输大巷锚注支护前后的状况 谢桥矿回风大巷锚注支护前后的状况 架棚 工字钢棚 U型棚及其它异型棚 锚杆支护体系 锚杆 锚索 桁架 三维锚索 砌碹类 其它组合支护 介绍几种目前较典型的 五 合理的支护方法 支护的准则和要点主要有4点

11、 先让后抗 先柔后刚 二次支护 控制底鼓 本质 让 抗 柔 刚的合理选择与匹配 关键 让 抗 柔 刚的的程度 强度 难维护岩巷的支护原则 构筑柔性层 应用实例1 某矿 850m二采区轨道下山位于砂质页岩和中砂岩互层中 砂质页岩灰色 性脆 具贝壳状断口 中砂岩灰白色 钙质胶结 成分以石英长石为主 含较多暗色矿物 围岩抗压强度小 埋深998 1065m 巷道长期流变 大变形 维护困难 显现出深井 软岩岩巷围岩的变形破碎特征 一次支护锚杆间排距为800 800mm 锚杆为直径22mm 长度2 4m的左旋高强度螺纹钢锚杆 二次支护采用锚杆支护与注浆加固 二次支护锚杆布置与一次锚杆布置呈五花型 间排距为

12、800 800mm 锚杆为直径22mm 长度2 4m的左旋高强度螺纹钢锚杆 注浆材料采用ZKD高水速凝材料 注浆孔深2 5m 应用实例2 某矿井底车场巷道群埋深520m 所处地层为二叠系石盒子组下部 位于泥岩 砂质泥岩和粉砂岩互层中 被落差45 110m3条大断层切割 围岩呈碎裂结构 层理紊乱 节理发育 粉砂岩节理的平均间距小于 等于0 2m 围岩抗压强度小 泥岩中黏土矿物含量75 78 遇水易膨胀泥化 受围岩松软低强度和埋深及地质构造应力大的双重作用影响 巷道变形初期来压快 变形量大 稳定后围岩仍以一定速度长时间持续流变 大变形 巷道围岩变形强烈 支护方式 一次支护 锚网喷 二次支护 锚网喷

13、索 支护方式 一次支护 锚网喷 混凝土底拱 二次支护 锚网喷索 支护方式 一次支护 锚网喷 二次支护 全断面半刚性料石碹 单层 支护方式 一次支护 锚网喷 扩刷 二次支护 全断面半刚性料石碹 双层 二次支护后稳定期巷道变形速度 应用实例3 某矿西大巷埋深545m 位于泥岩和砂质泥岩互层中 构造复杂 水平应力22 0MPa 是垂直应力的2 0倍左右 水平应力与泥岩抗压强度之比为1 57 水平应力与砂质泥岩抗压强度之比为1 14 泥岩中粘土矿物含量为75 89 其中伊蒙层含量为25 33 伊利石含量为2 4 高岭土含量为14 33 绿泥石含量25 32 强吸水 遇水急剧膨胀泥化 风化 层理破碎 层

14、理节理裂隙十分发育 节理组 3 节理数平均为12 32条 m3 平均间距 0 2m 西大巷为典型的深井 软岩岩巷 采用 先让后抗 先柔后刚 的原则 即围岩卸压与加固相结合的原则 应力转移 降低浅部围岩应力采用二次支护 合理确定二次支护时机和支护强度 提出 一次支护采用有控主动卸压技术 锚杆 封闭式金属支架 有控主动破碎一定厚度的围岩 二次支护采用锚杆 注浆加固技术 采取的方法 紧跟迎头安设封闭式工字钢圆形支架 按照一次支护的锚杆间排距安装锚杆 完成一次支护后 当围岩变形过大挤压支架 挤压力达到1MPa时 主动破碎一定厚度的围岩 周而复始 直至围岩变形速度稳定 二次加强支护 安装锚杆并喷浆封闭围

15、岩 用高水速凝材料进行注浆加固 施工步骤 合理的一次支护 方法一 有限让压合理控制围岩技术 如锚喷网 可缩性金属支架 关键 确定合理的支护强度 选择不同锚杆间排距下锚固体对应的力学参数及原岩应力 岩体力学参数 巷道半径 锚固区半径值 研究支护强度与围岩塑性区范围的变化关系 支护参数的确定 根据变化拐点的支护强度进行相关支护参数的计算 方法二 有控主动卸压技术 深部 软岩岩巷初期变形速度通常都在10mm d以上 围岩剧烈破坏 支护体失效 掘进初期巨大的变形能必须以某种形式释放 关键 巷道掘进时紧跟迎头打设顶板锚杆保证安全 架设棚式支架 当围岩变形挤压支架时 主动破碎一定厚度的围岩 使围岩与支架之

16、间留有一定的变形空间 释放变形能 将高应力向深部转移 二次支护时机 一次支护后形成的塑性区具有显著的流变性质 工程实践表明 二次支护过早将难以抗拒围岩的初期剧烈变形 二次支护过晚 围岩破坏加剧 自身承载能力又会急剧下降 即二次支护在时间上与围岩变形特性不能协调 二次支护时机是决定维护效果的关键因素 二次支护最佳时机是围岩应力 塑性区及变形速度趋于稳定 此时围岩的膨胀变形能得到了充分释放而围岩自身承载能力又没有太多的损失 该时机的掌握可以通过对巷道表面位移监测 当巷道表面位移速度由快到趋于平缓的拐点附近为二次支护的最佳支护时机 变形速度 10 6m s 1 t 105s 一次支护后围岩变形速度随时间变化曲线 应力 MPa t 105s 一次支护后巷道周边应力随时间变化曲线 难维护岩巷围岩产生大范围的破碎区 塑性区难以避免 一次支护控制高应力软岩巷道围岩大变形难以实现 应进行二次支护 二次支护时机是决定维护效果的关键因素 二次支护最佳时机是围岩应力 塑性区及变形速度趋于稳定 此时围岩的膨胀变形能得到了充分释放而围岩自身承载能力又没有太多的损失 该时机的掌握可以通过对巷道表面位移监测 当巷道