专题-软岩大变形巷道锚索网联合加固技术研究与应用.doc

1、专题部分软岩大变形巷道锚索网联合加固技术研究与应用摘要：随着我国浅部煤层资源的日益枯竭和市场对煤炭资源需求的持续，煤炭开采将逐步向深部发展已经成为一种必然趋势。软岩巷道的稳定性控制，一直是煤矿支护的薄弱环节，困扰着煤矿开采，且随着采深的增加，这一问题就更加严重。因此，加强深部软岩巷道支护技术研究对我国进一步开发利用深部煤炭资源具有重要意义。本文针对桃园煤矿软岩巷道支护中出现的诸多问题，结合国内外深部软岩巷道研究现状，在对软岩巷道变形破坏机理和锚注支护机理的系统论述的基础上，采用理论分析、数值模拟研究以及现场实践监测相结合的综合研究手段，对软岩巷道围岩变形破坏特征、控制技术进行了深入研究关键词：

2、软岩巷道；围岩变形；支护Study and application of combined reinforcement technology of cable net in large deformation roadway in soft rockAbstract：With the increasing depletion of shallow coal resources and the sustained demand of the market for coal resources in our country, coal mining will gradually develop t

3、oward the deep coal seam has become an inevitable trend. The stability control of soft rock roadway is always a weak link of the coal mine supporting and plagues of the coal mining. Moreover，with the increase of coal mining depth, the problem is more serious. Therefore,strengthening the deep soft ro

4、ck roadway supporting technology research will have an important meaning for further development and utilization of deep coal resource in our country. This paper directs at many problems in soft rock roadway supporting of Tao-Yuan coal mine. Combined the domestic and foreign research status of deep

5、soft rock roadway and based on the systematic discussion of deformation and failure mechanism of soft rock roadway and the bolting and grouting mechanism,this paper has conducted the thorough research for deformation and damage characteristics and control technology of soft rock roadway by the combi

6、nation of the means of theoretical analysis, numerical simulation analysis and Engineering practice. Keyword: : soft rock roadway；Deformation of surrounding rock；Support1绪论煤炭一直占我国能源生产和消费的 70%以上，在国民经济建设中的地位举足轻重。由于资源枯竭和国家对能源需求的紧张，我国许多煤矿不得不建在地质条件复杂、岩层结构软弱的煤田上，矿井建设中巷道的掘进支护与维护问题越来越突出。已有生产矿井在向深部开采后，巷道围岩体表

7、现出明显的的软岩特性，传统支护方法难以控制的深井、软岩巷道明显增多。我国是一个地域辽阔、地质条件极为复杂的国家，深井、软岩巷道分布极其广泛，近半数的矿区都存在深井软岩矿井，个别矿区大部分甚至全部都是深井软岩矿井。随着我国第三纪新生代煤田的开采及老矿井开采的延深，深井软岩矿井的数量和分布范围会继续增加和扩大，深井、软岩巷道问题变得更加突出。深井、软岩巷道掘进与维护普遍存在难度大、安全性差等问题。其巷道支护强度高，多数巷道需多次返修、多次扩刷、多次支护，支护材料费比一般巷道高出 35 倍，尚不能有效控制围岩变形，保持巷道的稳定。并且维护费用比正常掘进的每米成本还要高，甚至高出 23 倍。由于围岩开

8、裂、断面收敛及底鼓严重，巷道掘出不长时间即表现出大范围巷表岩体及支护体离层、悬空，导致生产安全隐患大。近年来，一些新建矿井的基本巷道破坏严重，巷道前掘后翻、边掘边翻。有的矿井不得不停产维修，陷入重复投资、多次巷道修复的困境。特别是“九五”期间，新中国投入大量资金和人力建设的能源基地大部分都遇到了深部软岩巷道支护难的问题，阻碍了当地经济发展和我国煤炭资源的利用。深井软岩巷道已成为制约煤矿安全与效益提高的一个重要难题，因此软岩问题先后被列入了“六五”“七五”“八五”国家重点攻关课题。软岩巷道支护理论的不完善仍然阻碍着深部软岩巷道支护技术的发展。现阶段，深部软岩巷道的围岩压力控制理论以及支护体系发展

9、仍不成熟，还处于实践摸索之中，迫切需要积极开展基础理论的研究，以求在新理论的指导下，使实用技术有新的突破和发展，使矿井开采走上安全、高效高产的健康轨道。因此对深部高应力软岩巷道破坏变形机理、支护体系进行深入研究对我国煤矿资源的开发利用具有重要的理论意义与应用价值。2 深部软岩巷道支护理论的研究现状2.1国内研究现状巷道支护一般多采用砌碹支护、锚杆支护、锚网喷支护等传统支护技术，但随着开采深度的增加，对于深井、高应力、软岩巷道，传统支护往往不能彻底解决支护难的问题。我国软岩巷道支护技术研究工作起始于二十世纪五十年代，步晚，发展快，经过几十年的努力，我国深井、高应力、软岩巷道的支护技术有了较大的进

10、步，从对软岩巷道的支护机理有了一定认识到形成系统的软岩巷道支护理论体系。近年来我国巷道围岩控制方面的专家学者着重研究和试验了锚网喷,锚索支护、锚网喷,锚索二次支护、锚网喷+锚索+注浆支护、U 型钢支架+锚索支护、U 型钢支架+注喷支护、混凝土（料石）碹+注浆支护、U 型钢可缩支架架后充填全断面封闭式支护、架后充填大弧板支护、架后充填钢管支架、网壳支架支护及上述部分支护形式等组成的联合支护技术，在软岩巷道围岩控制理论方面取得了丰硕的科研成果；在软岩岩性分类、软岩巷道围岩变形的力学机制、软岩巷道支护工艺及施工监测方面也取得了卓有成效的工作。主要产生并形成了以锚网喷或 U 型钢支架进行一次让压支护，

11、之后再进行二次加强支护，维护围岩稳定性的支护思想，目前，以联合支护理论为指导的支护体系应用最为广泛，深部软岩巷道的主要支护技术、理论有：联合支护理论。软岩巷道支护，要与围岩变形特点结合起来，不能盲目地只顾增强支护强度，要把支护刚度与支护的柔性、让压作用结合起来，先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定支护，利用此规律的联合支护形式有锚网喷+锚索支护、锚喷网+ U 型钢架支护、锚注支护、锚带网+ U 型钢架支护、锚喷弧板等。围岩松动圈理论。按照围岩所处的具体地质环境，对围岩松动圈大小对围岩进行分类，为采取合理的支护方法和优化支护参数提供依据。对于坚硬岩层，巷道开挖以后，其可保持较高的整体性，围岩松动圈

12、厚度几乎为零，可不用采取支护措施。支护难度随着松动尺寸的增大而增大。对围岩采取恰当支护可有效减小围岩松动圈扩展过程中产生的碎胀变形。锚杆围岩强度强化理论。我国专家学者对通过强化锚杆支护强度来增加围岩强度进行了深入的研究，结果表明，随着锚杆支护力度的增大，锚杆与围岩组成的锚固体的物理性能和强度也在增大，是围岩更加稳固。锚固体强度强化到一定程度就能保持围岩稳定。该理论假定巷道边界径向支护阻力等于零，采用了锚杆锚固区围岩力学性质参数较锚固区外的岩体提高的方法进行了力学上的计算，分析了锚杆强度强化效果。岩性转化理论。该理论可概括为：在不同工程环境条件下，具有相同组成成分、物理结构的岩体的应力应变也会有

13、差异，岩体表现特性也不同。应力控制理论。该理论也被称为卸压法、围岩弱化法等。通过人为的采取支护的主动方式来调整围岩应力，释放和转移围岩能量，减小支护结构的承载压力，是围岩压力向原岩应力区转移，实现巷道稳定。锚喷弧板支护理论。该理论要点是对软岩不能总是强调防压，防压达到一定程度，一定要坚决顶住，限制围岩向中空移动，采取高强度、高标号钢筋混凝土弧板作为先柔后刚的刚性支护形式。轴变理论。围岩应力增大达到围岩的极限承载能力失衡后，围岩会自发调节，通过片帮、坍塌等物理现象改变应力分布和长短轴之比，使应力分布更加均衡，巷道重新达到新的平衡状态。工程力学支护理论。其对围岩力学变形机制进行了科学分类，主张岩体

14、变形力学分析和具体地质条件相统一的方式，对岩体变形力学机制进行科学判定，为支护形式和支护参数的优化选择提供参考。主要涉及软岩基本属性、变形机理等内容。主次承载区理论。成巷后，根据主要围岩应力作用形式的不同，将在围岩分为浅部的张拉区和深部的压缩区，前者指巷道周围较浅部位区域，与支护结构共同发挥承载辅助作用，也被称为次承载区；后者位于围岩深部区域，发挥着承载的骨干作用，是维护巷道稳定的重要力量，也被称为主承载区。二者相辅相成，共同维护着巷道稳定。2.2 国外研究现状早在 20 世纪中叶，一些工业技术先进的发达国家就已经开始了对深部软岩巷道支护系统进行了比较全面、系统的研究，软岩巷道支护理论和技术得

15、到了不断发展、完善和推广。基本软岩巷道支护理论有 A.Haim，W.J.M.Rankine 和 A.H.Nhnk提出的古典压力理论、日本樱井春辅和同山地宏提出的应变控制理论，其中以奥地利工程师 L.V.Rabcewicz 提出的新奥法为典型代表，主要的成果、方法有：新奥法，20 世纪中期该技术最先应于奥地利隧道的支护和施工，后由工程师L.V.Rabcewicz 不断研究和完善，提出了早期软岩巷道支护理论：新奥法支护理论。由于该支护技术的独特优越性，使其迅速在煤矿中得到发展和应用。该理论为软岩巷道支护理论的发展奠定了扎实的基础。其要点是通过在岩体或土体中设置特定的设计施工方法，在岩体中可以形成一

16、个类似圆形环状支撑结构。通过形成的类似圆形的环状结构，可使围岩应力分布更加匀称，也充分利用围岩的自承能力，维持巷道稳固。能量支护理论。其主要内容是在变形过程中，围岩与支护结构相互作用，传递能量。前者会随着变形卸压释放能量给后者，直至达到一定的平衡，而能量在传递过程中没有损失。认为应该利用该规律和特征，充分发挥支护结构的特点，使其能够自动释放多余能量，并自动调节其与围岩能量之间的平衡。应变控制理论。该理论核心内容为：随着支护强度的增加，巷道围岩应变减小，但允许应变反而增大。因此，通过加强支护，增大围岩的允许应变范围，就能比较容易地控制围岩稳定。数值计算法。以假设为前提，把一些高等数学理论与计算机技术结合，开发出一种可以对具体现场环境进行简单相似模拟的数值模拟软件，该软件通过数值虚拟计算模拟巷道支护效果可为巷道合理支护形式与参数优化提供积极的参考，大大提高了矿井支护质量和效率。3软岩巷道特征及支护原理在煤层中开挖巷道以