高应力复合型软岩巷道支护技术研究.pdf

“ “ “ “ 高应力复合型软岩巷道支护技术研究 刘银志贾明魁马念杰 （中国矿业大学北京校区北京“““） 摘要 以某矿井底车场巷道为例， 通过对围岩物化分析、 力学参数、 地应力测试， 现场工 程地质调查及巷道破坏特征分析， 针对该矿软岩巷道围岩变形量大和流变变形显著这两个特 点 ， 提出了一次支护采用强力锚喷网 、 二次支护采用锚注支护是适合该矿岩体特点的合理支 护形式， 并在该矿西大巷延拓及井底车场巷道、 硐室修复中成功应用， 取得了良好的技术经济 效果。 关键词 高应力； 复合型软岩； 巷道； 强力锚喷网； 锚注 中图分类号 565; 56 . A5B （C856 365DBEF5GH IJ ;5656NNIEG 56 856KF G8B GOI P56 JBGEBF IJ EIKOH 56 FIJG EIL，5*B*，EEI6K56EEI6K56G5I6 IJ G8B KPMGF 8DB RBB6 L85BDBK* ; /,*3 858 FGEBFF；LIPNIF5GB FIJG EIL；EIKOH；FGEI6 JIELB RIMG56 6K F8IGLEBG56 PBF8； RIMG56 6K G56 某大型矿井一水平井底车场巷道平均垂深 ’’“P。//0 年至 “““ 年基本建设期间， 施工井底车场主要巷道 0-P， 支护方式为一次支护锚喷网， 二次支护锚喷网、 钢筋混凝土 碹或 3/ 型钢。二次支护完成后巷道严重破坏 /,P， 占 ““ 年第 0 期 煤炭工程施工技术 收稿日期 ““ . . , 作者简介 刘银志 （/,’） ， 男， 高级工程师， 平煤集团六矿矿长， 中国矿业大学 （北京校区） 博士研究生。 “。为寻求适合于该矿具体工程条件， 成本低、 施工简便 的巷道支护方法， 与中国矿业大学合作开展了高应力复合型 软岩巷道支护技术研究， 通过对围岩物化分析、 力学参数、 地 应力测试， 现场工程地质调查及巷道破坏特征分析， 针对该 矿软岩巷道围岩变形量大和流变变形显著的特点， 提出了一 次支护采用强力锚喷网 、 二次支护采用锚注支护是适合该 矿岩体特点的合理支护形式， 并在该矿西大巷延拓及井底车 场巷道修复中成功应用， 取得了良好的技术经济效果。 井底车场巷道岩层及其巷道围岩变形特点 ““岩层特点 “） 岩体结构面十分发育， 岩体整体强度低 该井田四周是以大断层为天然的井田边界， 井田内落差 大小不等的断层密布， 给井田留下以断裂为主的构造形迹， 形成复杂的岩石组合。的巷道位于层状碎裂、 碎裂和散 体结构等不良岩层中， 岩层基本上为泥岩、 砂质泥岩和粉沙 岩互层组成， 其自然含水状态下单轴抗压强度为 “ ’ *。 节理组数， 岩体体积节理为 “, ’ , 条-.， 间距 “/,.， 岩体整体强度低。 ,） 地应力较高 实测垂深 ,/. 以下水平方向的最大主应力是垂直应力 的 , 倍， 水平应力超过了岩块的单轴抗压强度， 巷道围岩应 力集中加剧了碎裂岩层破坏。 ） 围岩强膨胀、 易崩解 泥岩中粘土矿物含量为 0 ’ 01， 其中伊-蒙混层含量 , ’ ， 伊利石含量 , ’ ， 高岭石含量 “ ’ ， 绿泥石 含量 , ’ ,， 其吸水性强， 与水膨胀、 泥化。 “,巷道围岩变形特点 根据工程地质分析、 围岩物化分析和现场进行的围岩变 形观测， 巷道围岩变形特点如下 “） 围岩变形量大 由于岩层结构面十分发育， 岩体整体强度低， 加上地应 力大， 巷道围岩变形初期速率高且变形持续不止， 难以稳定。 初期两帮收敛速率最大 ,“..-2， 持续变形速率 , ’ ..-2， 以 至巷道前掘后修。 ,） 围岩流变变形显著 现场长期观测和研究表明， 该矿巷道围岩变形具有明显 的时间效应， 变形不易得到控制。这是由于 （“） 岩层结构容 易劣化， 易发展为碎裂体或松散体的流变体；（,） 持续不断的 高地应力作用， 促进了围岩的流变水平。 （） 井底车场巷道、 硐室密集， 净断面大 （ 3 ,/.,）导致围岩应力集中加剧， 变形 量大。 ） 巷道破坏特征 巷道破坏的主要特征可归为三种形式， 如图所示。从图 “ 可以看出， 该类围岩巷道变形严重， 收帮、 底臌同时存在。 （） 锚网喷 4 5,6 （7） 锚网喷 4 锚网喷 （8） 锚网喷 4 混凝土碹 图 巷道破坏特征 “巷道支护对策 根据岩层及其巷道围岩变形特点， 制订以下支护对策 “） 采用强力锚喷网支护， 提高第一次支护的强度， 防止 围岩结构劣化。 因为岩体结构面十分发育， 第一次支护强度不足会导致 岩体结构劣化， 层状 9 碎裂结构岩体劣化为碎裂岩体， 碎裂 结构岩体劣化为散体结构， 使岩体整体强度成倍降低， 最终 可能使围岩劣化和弱化为松散体的流变体。 “先让后抗” 的 软岩巷道支护原则不适用于该矿软岩巷道。而应该是 “有控 放压” ， 以防止围岩原有结构劣化。 国内外大量支护 9 围岩关系研究结果表明， 巷道围岩变 形与支护强度直接相关， 特别是软岩巷道的支护 9 围岩关系 与中硬岩有明显区别， 主要表现为 支护强度与围岩变形之 间的非线性特性， 支护强度的提高导致围岩变形更显著的降 低， 即支护强度对软岩巷道变形控制比对中硬岩巷道作用更 大， 图 , 是模型试验得出的研究结果， 表明软岩巷道围岩的 流变速度 （） 与支护强度 （*） 呈指数函数关系。支护强度提 高 ’ 倍， 巷道围岩变形量降低 ’ “/ 倍。所以， 第一次支 护强度要高， 这是保持和充分发挥围岩自撑能力的关键， 可 以达到 “事半功倍” 的效果。 图 “ 软岩巷道围岩的流变速度 （） 与支护强度 （） 为了防止围岩结构劣化， 应当尽早进行强有力的第一次 支护并及时封闭暴露出的围岩。目前， 该矿井巷施工都将锚 喷网作为一次支护， 这是合理的， 但主要问题是，（“） 锚喷网 支护设计强度不够；（,） 施工质量有待提高， 钢筋锚杆直径应 增大到 ,/ ’ ,..， 锚固剂质量要好， 混凝土喷层配比和厚度 要保证， 良好的光面爆破效果也是防止围岩劣化的重要手 ,, 施工技术煤炭工程,// 年第 期 段。 ） 二次支护采用锚注支护， 改善围岩性能 锚注支护是一种新型巷道支护方法， 它采用一种新型的 外锚内注式锚杆， 利用锚杆兼做注浆管， 采用快硬空心水泥 药卷进行密封和锚固， 实现外锚内注， 巧妙地解决了锚注支 护的封孔难题， 从工艺上把锚杆支护和围岩注浆加固有机地 结合起来， 对于节理裂隙发育的软岩， 注浆可改变围岩的松 散结构， 提高粘结力和内摩擦角， 封闭裂隙阻止水对岩体的 侵蚀， 使岩体强度显著提高， 注浆加固还可为锚杆提供可靠 的着力基础， 使锚杆对松碎围岩的锚固作用得以发挥。 工程实践 试验地点选在一水平西大巷延拓工程， 巷道埋深 ““ 左右， 断面为半圆拱形， 断面积 ， 围岩基本上为低强 度、 强膨胀、 易崩解的泥岩、 砂质泥岩和粉沙岩互层组成， 其 自然含水状态下单轴抗压强度为 ’ “*,-。区域内小 的断裂、 褶曲发育， 岩体破碎， 施工时顶板有滴淋水现象。最 大水平主应力为 “,-， 最小 ’*,-， 最大水平主应力方向与 西大巷走向夹角 ““. /.， 平均 0“.。 一次支护采用直径 螺纹钢树脂锚杆， 长 ， 全 长锚固， 预紧力 ’1 ， 间排距 2 ， 金属网用 ’圆钢点焊而成， 网孔 ’ 2 ’， 喷射混凝土强度 等级 3*， 喷厚 ’。一次支护后预留变形量 ’“。并 设置矿压观测站， 监测巷道围岩变形。待围岩变形速度趋稳 且总变形量小于预留变形量时， 进行二次支护，支护方式为 锚注， 锚注锚杆用“0 钢管加工而成， 外锚内注， 长 ， 间排距 “2 “， 全断面布置， 锚固段长 ’， 采用 “ 根 水泥药卷锚固， 注浆角锚杆长 *， 与底版夹角 “.。注浆压 力 “ ,-， 水灰比 ’ ’。 围岩变形观测结果如图 *。采用一次支护强力锚网喷 后， 围岩最大变形速度为 *“45， 约 ’“5 后变形速度趋于稳 定， 稳定在 /45 左右， 比原来一次支护后最大变形速度 ’45 减小 “ 倍， 持续变形速度减小 倍。一次支护完成 “ *5 后， 及时进行二次锚注支护， 平均 05 后巷道基本稳定， 完成 ’ 年后， 围岩收敛变形速率小于 ’45， 支护效果良 好 。该段巷道支护材料成本比原采用锚网喷 6 钢筋混凝土 碹支护节约 7“0 元4， 简化了支护工艺， 减轻了工人劳动， 在 注浆压力 “ ,- 情况下， 锚固没出问题， 没有漏浆， 注浆系 统总体配套合理， 系统可靠； 实际每根锚杆注*89 纯水泥， 最 大注浆量达 894根纯水泥， 注浆量较大； 注浆过程中， 经常 出现浆液从相邻锚杆内流出的现象， 还经常出现浆液从附近 围岩裂缝内流出的现象， 最远距离可达， 浆液扩散范围 图 巷道围岩变形速度 大， 说明围岩破碎程度高， 内部裂隙很发育， 有长大贯通结构 面， 符合该矿软岩的基本特点。 “结论 目前， 一次支护采用强力锚喷网、 二次支护采用锚注支 护正在该矿破碎岩层巷道支护中进行推广应用。一次支护 强力锚喷网， 阻止了高应力破碎软岩结构劣化， 限制围岩较 大变形。二次支护锚注支护改变了围岩性能， 提高围岩抗变 形能力。新型锚注支护利用快硬水泥卷进行锚杆的锚固及 锚杆与钻孔之间的密封， 实现了 “锚封一体化” ， 锚固效果十 分理想， 成功解决了锚注支护在碎裂岩体中高压注浆的密封 难题； 新型锚注支护利用空心锚杆兼做注浆管，简化了锚杆 支护与注浆加固的工艺， 使锚杆与注浆各自的围岩加固效果 得到充分发挥， 为该矿高应力碎裂岩体巷道支护开辟了新的 途径， 提供了一处效果可靠、 成本低、 工艺简便的新方法， 推 广应用已取得显著的经济和社会效益。 参考文献 ［’］ 杨新安， 陆士良软岩巷道锚注支护理论与技术研究 煤炭学报， ’770 （’） * * ［］ 刘雄岩石流变学概论北京 地质出版社， ’77’’* ［*］ 陈庆敏等极软岩巷道的 “高阻 让压” 支护原则矿山 压力与顶板管理， ’77/ ［］ 刘长武软岩巷道全断面锚注加固的力学原理与应用 工程力学， “ ’* ’*/ ［“］ 何满潮中国煤矿软岩巷道支护理论与实践徐州 中 国矿业大学出版社’77 ［］ 陆家梁中国煤矿软岩巷道控制徐州 中国矿业大学 出版社’77 （责任编辑章新敏） * * 年第 期 煤炭工程施工技术