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1、深井软岩巷道支护技术研究 及工程实践,淮南矿业集团 2008年8月,目 录,引言 巷道变形破坏的原因分析 深部巷道围岩稳定性的控制方法 施工中要注意的几个问题 工程实例及效果 结语,一、引言,望峰岗矿井是淮南矿业集团开发建设的第一对千米深井，也是淮南矿区开采技术条件最复杂、开采难度最大的一对深井，是被国家批准的高瓦斯复杂地质条件下的深井开采实验矿井。矿井设计生产能力300万t/a，矿井第一水平深达-960m，第二水平-1200m，并在-817m设一辅助水平，该水平巷道岩性较差且断层及煤线发育。在开始掘进-817m水平巷道时，巷道变形特别严重，维护困难，常常出现前掘后修、重复翻修的现象。为此，探
2、索出一套适合于深部巷道围岩变形特点的支护体系对望峰岗矿井及类似深井软岩巷道的支护实践具有深远的意义。,二、巷道变形破坏的原因分析,1、地应力。巷道埋深大，接近850m左右，围岩受力情况极其复杂。根据对-817m水平地应力测试结果，该区最大水平主应力量值为20.33MPa，水平应力大于铅直应力，侧压系数约为1.12，应力场是以水平应力为主。再加上施工扰动引起的内部应力重新分布，围岩体容易发生卸荷破坏。,3、支护形式与围岩变形不适应。原来施工的巷道采用锚网索喷和金属支架联合支护，但没有优化锚网索支护各环节，围岩的变形能没有得到初步释放，支护结构难以承受围岩急剧释放的应力作用，从而导致巷道围岩的变形
3、破坏。 因此，巷道的支护形式应综合考虑地应力、岩性等不利因素的影响。,2、岩体性质。-817m水平巷道岩性以泥岩、砂质泥岩、细砂岩为主，岩性较差，并且断层及煤线较发育，再加上高应力、高地温的影响，巷道围岩强度低，表现出软岩特性，稳定性差，具有流变性。因此，巷道开挖后，随着时间的增加，围岩变形不断的增大，导致支护体破坏、巷道失稳。,三、深部巷道围岩稳定性的控制方法,研究表明，锚网支护对提高围岩的整体效能、改善围岩的应力状态有着积极的作用；较高的预紧力能改善围岩的应力状态，致使失稳围岩从两向受力状态转化为三向受力状态，从而减小围岩的变形、控制顶板离层；而注浆能够提高巷道周边被破坏围岩的刚度和整体性
4、。为此，针对望峰岗矿井深部巷道围岩特点，提出了锚网索喷整体支护及围岩加固技术，其具体支护工艺流程为：,掘巷时预留断面,初喷,锚网支护,锚索滞后支护,复喷,注浆加固,底板治理,三、深部巷道围岩稳定性的控制方法,巷道掘进时预留断面，具体预留尺寸根据现场岩性在措施中规定。这样就使巷道在开挖后，围岩有一个变形能释放的空间与时间。允许巷道周边产生一部分松动变形，既保证了巷道的设计断面，又确保了锚网索支护的效果。,3.1 掘巷时预留断面,三、深部巷道围岩稳定性的控制方法,因现场地质情况和工人的操作熟练程度的不同，迎头爆破后成型难免不规则，而巷道周圈不规则部分最易产生应力集中。采取初喷混凝土的方法及时封闭围
5、岩，可以将断面内坑坑洼洼的部分填平，一方面起到胶结裂隙、加固围岩，防止围岩风化的作用，另一方面，初喷后使巷道表面形成圆滑曲面，有利于钢筋网、锚杆（索）的托盘紧贴壁面，确保了锚杆的预紧力。喷射混凝土体积比严格按水泥：黄沙：石子1:2:2进行配比，初喷厚度不小于70mm，复喷厚度不大于50mm，喷层总厚度120mm。,3.2 初喷混凝土,三、深部巷道围岩稳定性的控制方法,待初喷混凝土初凝后，锚网支护必须及时紧跟迎头，不得空帮空顶。锚杆选用高强度、高预应力树脂锚杆，杆体采用建筑用V级无纵筋左旋螺纹钢，端部螺纹采用等强滚丝加工，锚杆屈服强度，延伸率，锚杆规格22mm、L2500mm，间排距800mm8
6、00mm；锚杆托盘采用加强型特制凸型铁托盘，规格为18018012mm，钢筋网规格为6.5mm930 1750mm、100100mm。每根锚杆使用2个Z2355型树脂药卷进行锚固，确保锚杆扭距不小于200 N.m、抗拔力不小于10t。,3.3 锚网支护,三、深部巷道围岩稳定性的控制方法,锚索的作用主要表现为将下部锚杆支护形成的锚固承载结构整体悬吊于深部围岩中，起到强化支护作用，锚索二次耦合支护后，可以通过深浅部围岩之间的强度联系实现巷道围岩高应力向低应力的转化。 研究表明，巷道的破坏是一个渐进的过程，是从某一个或几个部位开始变形、损伤，进而导致整个支护系统的失稳，这些首先破坏的部位称为关键部位
7、。因此，在锚网支护的基础上，需对关键部位进行锚索加强支护，从而抑制变形向围岩纵深发展。通过现场观察，确定加强支护关键部位为巷道的底板、正顶及两拱肩部位,如图1、图2所示。,3.4 关键部位锚索加强支护,图1 锚网支护后巷道最大主应力场图,图2 锚网支护后巷道围岩破坏区图,三、深部巷道围岩稳定性的控制方法,3.4 关键部位锚索加强支护,三、深部巷道围岩稳定性的控制方法,所以需对巷道正顶及两拱肩处实施高预应力锚索支护，锚索规格17.8mm6500mm，采用高强度凸形铁托盘，规格24524514mm。锚索每排3根，排距2.4m，设计预紧力不小于8t，锚固力大于20t，锚索外露长度100300mm。
8、另外，需要注意的是，锚索加强支护必须滞后迎头一定的距离方可施工。这是因为深部巷道掘进期间实施锚网及时支护后，围岩有一个剧烈变形阶段，在巷道围岩剧烈变形阶段结束或临近结束的时间段里，施加锚索关键部位二次支护，能够在充分释放围岩变形能的基础上，实现锚索与锚网和围岩之间的最佳时空耦合。,3.4 关键部位锚索加强支护,本-817m水平工程在实际施工中，通过大量的现场观测，认为在巷道掘出57天内，巷道矿压显现趋于缓和，因此决定滞后迎头15m左右对巷道关键部位进行锚索二次加强支护效果最佳。,三、深部巷道围岩稳定性的控制方法,3.4 关键部位锚索加强支护,三、深部巷道围岩稳定性的控制方法,复喷要在巷道变形趋
9、于稳定的时候进行，一般滞后迎头20m40m，复喷的目的是对钢筋网施加一个保护层以便封闭钢筋网，复喷厚度不超过50mm，初喷厚度不小于70mm，喷层总厚度120mm。这样金属网扎在靠近砼体的表面位置，极大地提高了砼体的抗张拉能力，使砼体不易开裂脱落，合理地利用了砼体的力学性质，对确保安全施工十分有利。,3.5 复喷,三、深部巷道围岩稳定性的控制方法,对巷道锚网索喷支护以后，适时对巷道围岩进行注浆加固，以提高围岩的整体承载能力，增强围岩的刚度和稳定性。 选择最佳时间段对巷道进行注浆加固，既能允许巷道发生一定的松动变形的同时，又能充分发挥围岩的自承能力，是以最小支护成本取得最大支护效果的关键因素之一
10、。通过深入研究，认为注浆加固最佳时间段应在巷道剧烈变形阶段以后的缓慢变形阶段初期，据此我们确定本施工地区注浆时间为巷道掘进后1520天内。注浆浆液为Po32.5级普通硅酸盐水泥配制成的单液浆，水灰比为0.71.0，采用深浅孔交替注浆，深孔3m，浅孔1.5m，孔径42mm，注浆终压为23MPa。,3.6 注浆加固,三、深部巷道围岩稳定性的控制方法,掘进过程中，巷道底臌非常严重，有时新开挖的巷道前面掘进，后路就需卧底维修，耗费了大量的人力、物力和财力，妨碍了正常的运输、行人和通风，给安全生产带来了严重威胁。因此，选择合适的时间及方法对巷道底板进行支护，对增强巷道底板的稳定性是非常必要的。 为此，在
11、分析底板变形破坏机理基础上，提出了超挖锚注回填的措施。具体流程如下：,3.7 底板治理,三、深部巷道围岩稳定性的控制方法,（1）巷道掘进期间一次支护中，需在底板上不大于100mm处两帮施工底脚锚杆，底脚锚杆与水平面呈60夹角扎向底板。 （2）在巷道剧烈变形阶段以后的缓慢变形阶段初期，此时巷道变形趋于相对稳定，对底板一定深度的岩体进行超挖。 （3）对超挖巷道的底板进行锚管注浆。锚管长度2.5m，间排距2m2.5m，锚管端部车丝，注浆完毕用专用托盘上紧。锚注的作用是充填底板裂隙、加强超挖巷道底板围岩整体强度。,3.7 底板治理,三、深部巷道围岩稳定性的控制方法,（4）在巷道底部施工锚杆，使底板围岩
12、形成一个组合梁。对一些断面大的硐室，如马头门、水泵房、变电所等，增设底板锚索。底板锚索采用SGZ-A型钻机钻孔，钻杆 42mm，钻头46mm，孔深6.5m，锚索22mm6500mm，间排距2.5m2.5m，每根锚索采用4卷特制Z4050型树脂药卷锚固。 （5）用C40混凝土对超挖底板进行回填。,3.7 底板治理,四、施工中需注意的几个问题,（1）在抓好光爆成型的基础上，在喷射混凝土这道工序里，关键抓初喷，要确保初喷的质量。复喷以超过钢筋网表面10mm为宜。,（2）必须保证锚杆的预紧力。施工中，要不断探索，改进施加预紧力的机具，实现锚杆高预紧力。我们在现场施工中，从开始的人工单向扭力扳手，过渡到
13、长柄双向循环扳手，到能施加高预紧力的风动扳手（如图3）。,图3 MQS90J2型气动锚杆风扳机,四、施工中需注意的几个问题,（3）为保证底板锚索支护质量，锚索眼孔钻好后，要用压风将孔内积水和岩渣吹净。 （4）因现时本矿巷道施工中最粗锚索直径为22mm，而底板锚索眼孔直径为46mm，为保证锚固效果，按照“三径匹配”原理，对锚索端部2m范围内补以14铁丝麻花状绑扎牢固，以增大锚索锚固段的直径。,四、施工中需注意的几个问题,（5）积极和科研单位合作，开展围岩变形量、变形速度、锚杆工作阻力及其与巷道开掘时间关系的现场监测工作，准确掌握围岩变形活动规律，以便及时调整支护参数、采取补强支护措施，（实测数据
14、如图4、图5）。,图4 巷道深部围岩位移变化曲线,图5 巷道锚杆受力变化曲线,四、施工中需注意的几个问题,（6）采用先进监测仪器，加强对不同地段围岩松动圈的观测研究。巷道掘进后，利用顶板离层仪对围岩变动情况进行实时观测，巷道注浆后，利用钻孔窥视仪监测注浆效果（如图6）。,图6 钻孔窥视仪监测图,五、工程实例及支护效果,-817m南翼轨道大巷、-817m北翼C15顶板轨道大巷及-817m马头门、等候室等硐室群在施工中均采用该综合支护技术。通过现场观测，在施工后至今，主要硐室群基本无变形量，如-817m南翼轨道大巷、-817m北翼C15顶板轨道大巷两帮位移量最大仅80mm，顶板下沉量平均50mm，特别是控制底臌的效果十分显著，底鼓最大处仅20mm且在较长的时间内趋于稳定，保证了巷道的正常使用，取得了良好的技术经济效果。,-817m等候室,-817m南翼轨道大巷,六、结语,（1）在高强度、高预应力锚杆支护基础上，适时实施高预应力锚索关键部位加强支护及巷道围岩注浆加固，并且配合有效的底板治理才能保证深部软岩巷道围岩的稳定性。 （2）针对深部巷道围岩特点，积极探索和推广支护工艺改革，对深井软岩巷道的施工具有积极意义。 （3）加强和科研部门的合作，大力推行信息化施工，对支护效果进行实时监测，是深部软岩巷道施工中可靠的手段。,不妥之处请指正，谢谢！,
