专题-深部矿井巷道支护技术.doc

1、专题部分专题部分深部矿井巷道支护技术摘要据了解，我国煤矿开采深度以每年8-12m的速度增加，部分煤矿开采深度已经超过1000m。随着我国煤矿巷道服务 年 限 加 长，采 深 度 增 加，安徽、山东、河南地区煤采掘接替日趋紧张，锚网支护巷道受动压影响也出现变形局部跨落冒顶等问题，特别是靠近采空区一侧的巷道矿压显现特征与浅部的缓倾斜煤层呈现明显不同，传统的支护及常规的施工方法已不能满足安全生产的 需 要。随着开采逐渐向深部转移，垂直和水平应力的不断提高，使得巷道变形底臌失修等问题便得 更 加 突 出，严重影响了矿井的安全高效生产。区段巷道压力较大维护困难，巷道维护问题已成为制约生产的主要环节。另外

2、，在深部高应力环境中，在浅 部 表 现为硬岩特性的岩层也表现为软岩特性，巷道围岩长期变形不止 目前，深部巷道变形大已经成为深部工程安全的瓶颈之一，成 为 国 内 外 研 究 的 热 点。本文讨论了埋深大于800m的深部矿井巷道及其支护技术存在的主要问题，并对影响巷道稳定的主要因素进行了分析，提出了深部矿井巷道的支护技术，并结合一些矿井的现场实践结果，对巷道支护技术进行了总结，对于类似地质条件下巷道支护具有一定的借鉴价值。 关键词：深井巷道支护；稳定因素；锚杆支护技术；监测；高应力1深井巷道及其存在的主要问题1.1深井巷道的概念目前国内井工开采的煤炭70的产量来自埋深400m以下的地层中，而巷道

3、的稳定性由矿井埋深和岩性两个主要因素决定。一般认为开采深度大于800m的矿井为深井。随着开采深度的增加，巷道矿山压力也在增加，基本趋势如图1所示1.2深井巷道存在的主要问题 原岩应力大原岩应力与开采深度呈线性关系，深度越深，原岩应力越大。同时，围岩移近率随采深的加大也和应增大。 构造应力显现加剧构造应力是由于地壳构造运动在岩体中引起的应力.对于深部巷道，构造水平应力一般均大于自重应力。在构造应力集中带，由于构造应力的作用，薄层页岩顶板一般沿层面滑移，厚层砂岩顶板则以小角度或小断层产生剪切，从而失稳冒落；在高水平应力作用下，巷道首先从支护弱面即直接底板破坏，导致底鼓；而两帮产生很大的拉应力，导致

4、两帮破裂、鼓出和塌落，两帮比顶板破坏深度更大，从而引起顶板岩层破坏进一步发展。水平应力大小及方向变化很大，较难预侧和理论计算，所以实测地应力对深部巷道支护设计有着重要价值。 岩体强度降低随着矿井开采深度的加大，岩体强度明显降低。由于采深增加，巷道周边的集中应力超过了围岩的自身强度，致使围岩移近率相对增加，巷道周边塑性区范围扩大。在塑性区范围内，岩石内聚力与内摩擦角迅速下降，致使岩体状态恶化。 变形呈软岩特性由于深部巷道围岩应力大，围岩强度降低，围岩孔隙率增大，加上地质构造发育的影响，导致巷道变形呈软岩特性。 顶板离层严重层理、节理或裂隙发育的顶板，在强自重应力作用下，特别是下软上硬顶板，深部比

5、浅部离层更为严重，且遇水呈片状破碎。 冲击地压发生频率及强度增大矿井采深越大，自重应力越大。在坚硬顶板条件下。巷道围岩或煤体积聚的弹性能也增大，特别在构造应力集中区，当支架-围岩作用平衡体受到诸如放炮等因素诱发而失稳时，更易发生冲击地压。例如徐州矿区自1991年7月10日在权台煤矿发生首例冲击地压以来，已先后在三河尖、张集、旗山、张小楼等矿(井)发生20多次冲击地压。1.3巷道变形破坏形式 (1)顶板下沉，出现离层破坏现象。变形破坏主要是由 于顶板下沉量超过支护允许范围，引起顶板中间下坠，两侧 切断等。 (2)底臌。巷道底板一般不支护，受压引起底臌，底臌一 般在300600inln，部分巷道可

6、达600ram以上，影响巷道断 面、轨道运输等。 (3)巷道两帮挤压。两帮挤压使巷道两帮片帮、臌出、引 起支护破坏、断面缩小等，影响使用。 (4)锚喷巷道喷层开裂和剥落，形成网兜2. 深井矿压规律2.1地应力竖向垂直压力主要来自于上覆岩层自重压力P。即： 式中： P上覆岩层压力，； 岩层容重，； H深度，m； k与岩层性质有关系数。从上式可以看出，在同类围岩条件下，巷道埋深越大，地应力相对越大。2.2 主应力方向对巷道稳定的影响原岩地层中的任一点的盈利处于平衡状态，巷道开挖后，由于褶曲、断层、火成岩侵入等地质作用，围岩盈利重新分布，巷道周围应力不均等，造成巷道不同形式的破坏。应力方向分为垂直应

7、力和水平应力，因此主应力方向与巷道方向的关系影响其稳定性。见图2。(1)当巷道轴向与最大水平主应力方向平行时，受水平应力影响最小，对巷道的稳定最为有利。(2)当巷道轴向与最大水平主应力方向垂直时，受水平应力影响最犬，对巷道的稳定最为不利。(3)最大水平主应力方向与斜交的巷道，巷道一侧出现应力集中而另一侧出现应力释放，因而巷道的变形破坏会偏向某一侧。水平应力大于垂直应力，容易产生底臌，巷道不稳定。2.3开采深度与巷道围岩的变形关系开采深度对巷道围岩的影响十分复杂，除与巷道的围岩性质密切相关外，如受采动影响的巷道，则与护巷方式和周围采动状况等也有密切关系。根据我国的研究成果，可得开采深度与巷道维护

8、之间的一般关系如下:(1)岩体的原岩应力即上覆岩层重量，是在岩体内掘巷时巷道围岩出现应力集中和周边位移的基本原因。因此，随开采深度增加，必然会引起巷道围岩变形和维护费的显著增长。(2)巷道的围岩变形量或维护费用随采深的增加近似的呈线性关系增长。(3)巷道围岩变形和维护费用随开采深度的增长的幅度，与巷道围岩性质有密切关系，围岩愈松软，巷道变形随采深增长愈快，反之，围岩愈稳定，巷道变形随采深增长愈慢。(4)巷道围岩变形和维护费用的增长率还与巷道所处位置及护巷方式有关，开采深度对卸压内的巷道影响最小，对位于煤体内巷道及位于煤体-煤柱内巷道的影响次之，对两侧均已采空的巷道影响最大。前苏联对矿井开采深度

9、与巷道稳定性的关系进行过大量研究，认为深部巷道矿压显现的一个主要特点是在巷道掘进时就呈现围岩强烈变形，且在掘进后围岩长期流变，使巷道支架承受很大压力。浅部开采时表现不明显的掘巷引起的围岩变形，在深部开采时显现十分强烈。根据在顿巴斯矿区进行的大量巷道矿压观测，提出了深部巷道掘进初期围岩移近量的计算公式为:式中: 、顶板、两帮在掘进后t时间内的位移量，cm；t时间，d;、顶板,两帮作用在支架上的压力，kN/ ；岩石容重，kN/m；H巷道所处的深度，m；R岩石单轴抗压强度，kPa；Ro寻求常数时引人的单轴抗压强度，3000kPa； b巷道所处的深度，cm； h巷道高度，cm； 由此可以看出随着开采深

10、度的增加，维护时间的增长，巷道变形将逐渐增加，维护也越困难。3影响巷道稳定的因素3.1 稳定性系数影响巷道稳定的因素有很多，研究认为，埋深6001200m的巷道围岩稳定性指数表示，围岩自稳指数小于1，指数越小巷道越稳定。S=h/RS围岩稳定性系数；R岩石单项抗压强度；3.2 影响因素分析1 岩石力学性质包括强度、孔隙度、吸水率、膨胀性、崩解性等，但主要的是坚固性系数f，即R值。2围岩性质及构造特征影响 围岩的性质包括岩体的强度、节理发育和分布情况、分 层厚度等，围岩强度越低、节理越发育、分层厚度越小，则巷 道越不稳定，越易变形破坏。以良庄矿为例一580中央泵房布置 在强度高、完整性好的十一层底

11、板砂岩中，采用直墙半圆拱 支护，受上覆西51104面跨采影响两帮变形量仅为20mm，顶 板移近量仅为26mm，支护状况完好。而相同条件下处于围 岩强度较低、完整性较差的一580总回风巷粉砂岩段，跨采影 响两帮移近量平均94mm，最大为119mm，顶底移近量平均 233mm。3开采深度的影响 随着开采深度的增加，巷道上覆岩层重量加大，形成的 支承应力增高，巷道的变形及破坏的程度加大。此外，原始 岩温也随着开采深度的增加而增高，温度升高会使围岩由脆 性变形向塑性变形转化，容易使巷道产生塑性变形。 4原岩应力的影响 在巷道掘进初期和采动影响期问，原岩应力是引起采场 矿压显现、使巷道围岩应力重新分布并

12、导致变形失稳的力 源。巷道围岩变形随着最大主应力方向与巷道轴向夹角a 的改变而变化，0=0。时对巷道稳定最有利，0=90时最为不 利。 5地质构造影响 地质构造通常是由松散的岩块所组成，在地质破碎带内 开掘巷道很容易产生巷道冒顶事故。另外，巷道靠近大的断 层构造，也对巷道产生较大的影响，影响程度与断层的产状、 落差、围岩性质，巷道与断层距离等因素有关。如南冶矿3 采区，西翼上下部被H=30m的断层切割，东翼下部被H： 112m大断层切割，中部H=2030m倾斜断层穿过。西翼压 力小，东翼及中翼压力大。布置在西翼的3207西巷，从开掘 至回采影响阶段，两帮移近量为74mm，顶底移近量为77mm，

13、 而位于东翼的320r7东巷，从开掘至回采影响阶段，两帮移近 量为259mm，顶底移近量为195mm。 6巷道与开采关系影响 对同一条巷道，回采引起的围岩变形量要比掘进阶段大 得多，如东51101回风巷，掘进开挖及稳定阶段两帮变形量为 11lmm，顶底移近量为41mm，而回采影响阶段两帮移近量为 473mm，顶底移近量为373mm。巷道是受一侧还是两侧采动 影响及受采动影响次数，都对巷道的变形破坏影响较大。另 外，巷道布置在采空区上下部，还是布置在煤柱支承压力带， 是跨采还是留设煤柱，是留单侧煤柱还是留双侧煤柱，跨采 期问巷道是无煤柱送巷还是留煤柱掘巷，以及掘巷时上区段 采空区稳定程度等，也将

14、对巷道矿压显现产生不同影响。7巷道麓工方式、质量、支护方式影响 采用不同的巷道支护方式，对于巷道围岩的完整性有重 要影响。巷道采用爆破施工时易使围岩破坏，如爆破参数选 择合理，成型好、对围岩破坏程度低，有利于巷道稳定。采用锚杆支护还是采用刚性金属 支架支护，对巷道的控制效果影响较大。刚性金属支架本身 没有可缩性能，通过棚腿插入底板，架棚后破碎矸石压缩，以 及支架挠曲变形等适应巷道围岩变形。刚性支架使用最多 的是工字钢梯形支架，一般用于巷道顶底板移近量不大于 200ram，巷道断面不大于10平方米的I、类固岩回采巷道中。 如：4208运煤巷开始使用工字钢梯形棚支护，掘后巷道阿岩 变形量大，70被

15、压坏，前掘后修，改用锚网带支护后，效果 较好，巷道围岩变形量两帮仅为55nml、顶底仅为97nun。锚 杆支护具有加固拱、组合梁、悬吊等作用，在深部巷道符合锚 固平衡拱原理，是一种主动支护形式，能够解决深井巷道支 护难题从而被广泛使厢，但锚杆的材质、类型、施工质量等对 支护效果影响较大。 另外，还有巷道断面形状等因素的影响。 8支护材料与结构形式主要是支护材料的强度、刚度和弹塑性。结构形式主要指改变围岩应力状态的方式，如锚杆、锚索起悬吊、挤压、加固作用，网喷起表面封闭和调节应力集中作用;注浆则将松散破碎岩体粘结成整体，起固结强化并改善围岩应力状态等主动支护作用。9支护参数支护参数主要指材料的强度、规格、型号，结构原理、方式，支护结构在围岩中的布置密度、形式等。如锚杆材料、锚固形式，直径、长度、锚固力、预紧力。锚杆布置方式、间排距等。重点是支护强度大于外力临界值。10施工工艺与质量开挖方式对围岩扰动程度和范围不同，所以光面爆破，降低装药量是保护围岩的有效方法;支护顺序和时间;支护设备及工艺过程;施工操作执行力;检验评价方法;质量管理及控制体系等。前五条是客观因素，后五条是主观因素。4深部