深井高地压软岩控制及巷道支护技术.pdf

2 0 0 7年第1 1期 煤炭科技 望峰岗井是淮南矿区第一对开发建设的千米深井, 井筒最深达1 0 2 2 m,水平标高分别为- 8 2 0 m、- 9 6 0 m和- 1 2 0 0 m。由于该井田煤层的顶底板多为泥岩或砂质泥岩, 岩性松软、 稳定性差, 加之深部地压大 在岩性为泥岩等 松 软 岩 性 下 , 测 得- 8 2 0 m水 平 的 最 大 主 应 力 为 2 1 . 5 M P a , 其地压治理成为建设生产过程中的技术难题。 - 8 2 0 m水平岩性以泥岩、 砂质泥岩、 泥质粉砂岩、 炭 质泥岩为主。 巷道断面设计形式均为直墙半圆拱形, 原采 用锚网喷支护,锚杆为φ 2 0 m m 2 2 0 0 m m的等强锚杆, 间 排距8 0 0 m m 8 0 0 m m,φ 6 . 5 m m - 1 2 0 0 m m 2 2 0 0 m m的金属 网 网格1 5 0 m m 1 5 0 m m 全断面挂网, 外喷1 5 0 m m厚的 C 2 0砼。 - 8 2 0 m水平于2 0 0 5年2月开始施工。 该车场巷道在 施工1个月后受水平应力、 深部软岩及地压影响, 巷道变 形量大, 出现喷浆皮炸裂、 脱落、 底鼓现象。 进入深部以后, 多数巷道受“ 三高” 、 “ 一扰动” 的作 用, 巷道围岩的力学性质发生了明显变化, 在高围压作用 下, 岩石转化为蠕变性, 永久变形量较大。而浅部 低围 压 开采中岩石破坏以脆性为主, 通常没有或仅有少量的 永久变形或塑性变形。 深部与浅部相比, 表现出不同的矿压显现现象, 主要 体现在矿压显现剧烈、 围岩变形量大、 破坏程度严重、 破 坏范围大等。 1 .现场监测 为验证设计提供科学依据,通过与高校和科研院所 合作进行现场监测。监测的主要内容为深部围岩位移情 况和锚杆 索 受力情况。 2 .深部软岩巷道支护特点 深部软岩巷道的变形特点决定了其支护不可能一次 到位, 必须进行二次或多次支护。 掘巷时允许围岩产生一定的松动变形,释放一部分 聚集在围岩内的变形能。 在初次支护的基础上,根据深部软岩巷道的破坏从 关键部位开始的特征, 通过现场宏观观察、 量测等手段确 定关键部位。 根据位移反分析原理,确定支护系统二次支护的最 佳时间。 在关键部位实施锚索二次耦合支护,最佳时机的刚 柔耦合二次组合支护可以最大限度地发挥深部围岩的自 承载能力, 使围岩对支护体的作用力降到最小, 从而减小 支护被破坏的可能性。 3 .支护参数优化 根据观测,初始设计的支护参数不能很好的控制巷 道变形, 根据围岩松动圈支护理论, 巷道支护参数优化如 下。 1 锚杆变为高强度φ 2 2 m m- 2 5 0 0 m m锚杆, 采用 Z 2 3 5 5型中速树脂锚固剂2卷/眼,设计抗拔力不小于 1 0 t,砼强度为C 2 0;巷道断面锚杆的间排距为8 0 0 m m 8 0 0 m m。 2 每个断面在拱部布置3根φ 1 7 . 8 m m - 6 5 0 0 m m锚 索, 间距2 . 5 m, 排距3 m, 每根锚索使用4根Z 2 3 5 5型中 速树脂锚固剂; 设计预紧力不小于8 t, 抗拉强度大于1 8 t, 锚索外露长度1 5 0 ～ 2 0 0 m m。 3 改变钢筋网片结构, 缩小孔洞, 采用三角形三层 叠加焊接; 在不增加重量情况下, 增强钢筋网抗拉强度约 2 0 。 4 实行巷道初喷, 初喷厚度不小于7 0 m m, 复喷厚 度不大于5 0 m m,喷层总厚度1 2 0 m m,基础深度不小于 1 0 0 m m。 5 在巷道两帮底角部增设地角锚杆, 角度4 5 。 4 .支护参数优化后观测数据分析 在巷道掘进后1 0 d内,巷道深部围岩累计移近量急 剧增大, 巷道变形剧烈, 巷道变形量占整个巷道变形量的 6 5 左右; 变形过程中,1 m、2 m、2 . 5 m变形基本协调一致, 2 . 5 m范围内的围岩出现整体外移。 在巷道掘进后1 0 ～ 3 0 d期间, 巷道深部围岩变形趋于 深井高地压软岩控制及巷道支护技术 张五一 一、 概况 二、 深部巷道围岩特征 三、 深部软岩巷道的支护措施和方法 5 0 2 0 0 7年第1 1期 煤炭科技 缓和,距巷道表面2 . 5 m范围内的围岩整体向外移动, 移 动的距离较1 0 d以前有所增加, 达到3 m m左右。 在巷道掘进3 0 d以后, 巷道深部围岩变形趋于稳定, 但巷道围岩由里及表仍处在缓慢变形中,且距巷道5 m 的深部围岩仍具有一定的移近量。 巷道深部围岩在掘进期间至掘好后1 0 d内变形速率 较大, 且距巷道表面越近变形速率越大; 在巷道掘进2 5 d 以后, 巷道深部围岩变形速率趋于平稳, 而距巷道5 m的 深部围岩变形速率均小于0 . 1 m m / d。 巷道深部围岩的松动圈缩减小为2 . 0 ～ 2 . 5 m。 1 .巷道实行初喷 在软岩巷道围岩暴露后及时向巷道周壁喷射快速硬 化的混凝土, 在巷道周壁上形成保护层, 减少对围岩表面 的破坏, 防止风化吸潮及离层和松动岩块突然冒落, 对围 岩起支撑和加固作用, 有利于围岩保持稳定状态。 巷道掘挖后及时初喷 喷厚7 0 m m封闭围岩并找 平, 使钢筋网紧贴围岩, 增大锚杆直径、 长度φ 2 2 m m - 2 5 0 0 m m左旋无纵筋高强锚杆 ,采用锚索 φ 1 7 . 8 m m - 6 5 0 0 ～ 8 0 0 0 m m 补强加固,滞后迎头5 ～ 1 0 m再进行复喷 喷厚5 0 m m , 并对锚杆、 锚索施加预应力。掘进工作面 必须使用风动扳机加扭锚杆, 扭矩力不得小于2 0 0 Nm, 保证锚杆的预紧力不小于3 t。 2 .采用光面爆破技术 采用光面爆破技术, 加强技术管理提高爆破质量, 改 善围岩的力学状态及稳定性是关键。因爆破施工会使围 岩受到松动, 造成围岩壁面超挖, 超挖对巷道围岩的应力 影响很大, 有关试验结果表明, 在超挖部位产生明显的应 力集中现象, 使围岩力学状态恶化, 对巷道围岩的稳定性 不利。 3 .减少震动对围岩稳定性的影响 根据巷道围岩性质确定合理的爆破参数,严格控制 装药量。 松软岩层的强度低且抗震性差, 特别是处于临界 塑性流变阶段的松软岩层, 受震动的影响尤为明显。 根据 对泥页岩等松软岩体中围岩的变形量测,爆破施工时围 岩的变形一般要比风镐开挖大2 0 ～ 5 0 。 爆破震动也会 降低锚固力。 4 .实行锚杆、 锚索二次加扭、 加压 在滞后迎头5 ～ 1 0 m复喷前, 对未复喷的锚杆、 锚索 用风动扳机、 涨拉仪进行二次加扭、 加压, 防止因爆破震 动降低锚杆、 锚索预紧力。 5 .软岩巷道的围岩注浆加固 注浆可以改变围岩的松散结构,提高粘聚力和内摩 擦角, 增加裂隙面的摩擦阻力, 提高围岩的整体性, 减少 围岩位移, 从而提高岩层的强度和稳定性。 现场对发现变形的巷道及时进行围岩中孔 孔深 3 . 0 m 高压 承压达到5 . 0 M P a以上 注浆 水泥浆 加固, 根据钻孔窥视仪测定的数据制定合理的注浆参数,使松 散的围岩有效地胶结, 封闭裂隙, 增强围岩的抗压能力, 把载荷变成承载体, 为锚杆提供可靠的着力基础, 使锚杆 对松散破碎的围岩的锚固得以恢复,使巷道处于较稳定 状态, 并用钻孔窥视仪检验注浆效果。 改善注浆管的封孔质量。膨胀式封口注浆管现场试 验密封性好、 承压高 承压达到6 . 0 M P a以上 , 安装简单, 成本低, 水泥浆液浪费少, 注浆效果好。把膨胀式封口注 浆管 长度3 0 0 m m, 由铁管、 橡胶密封圈、 垫圈、 挡圈、 螺 帽组成 放入孔口内, 用扳手拧紧螺帽挤压橡胶圈8 0 N m , 使橡胶圈压缩膨胀紧贴孔壁产生摩擦力达到固管封 孔的目的。 6 .加强对巷道底板的支护 松软岩层的围岩强度低,具有遇水失稳甚至崩解及 泥化等特性, 巷道底板更易受到水的浸蚀和影响, 底鼓量 通常超过顶底板移近量的2 / 3。底鼓造成锚喷支护、 支架 弯矩剧增而损坏, 因此, 加强底板管理是提高软岩巷道稳 定性的关键。 及时封闭巷道底板,是控制底板强烈膨胀的根本措 施。采用喷射混凝土 1 5 0 ～ 2 0 0 m m厚封闭巷道底板作为 止浆层, 采用膨胀式封口注浆管深、 浅孔1 5 0 0 / 6 0 0 m m 高低、 压5 . 0 / 2 . 0 M P a 结合进行底板注浆, 有效地控制底 鼓。 7 .实行设计、 施工、 监测相结合 在进行软岩巷道的围岩控制时,重视施工过程中的 监控量测, 根据量测信息反馈调整支护参数。 根据围岩允 许的最大变形量预留收缩断面, 设计支护柔度; 根据松动 圈大小设计锚杆参数;根据围岩变形状态确定二次支护 的时间、 封底时间和补强时间; 根据一次支护阻力设计二 次支护强度等。 巷道开挖后, 作为一次支护的喷层须紧跟工作面, 及 时封闭围岩, 防止风化, 然后挂网打上锚杆。作为二次支 护的复喷混凝土, 应按二次支护原则, 滞后适当时间和距 离施工。 为增强支护效果, 提高锚杆初锚预紧力, 可改进锚固 机具, 使初锚预紧力达到5 0 0 mN以上。 加强锚杆和锚索的初锚预紧力测试和监测,使锚杆 索 、 钢筋网和喷层三者合理匹配, 充分发挥整体支护的 作用, 最大限度地利用围岩的自稳能力, 使碎裂结构的岩 体转化成为镶嵌结构以致块状结构,巷道周边轮廓形成 能承受较大压力的闭合拱。尽量避免由于预紧力不能达 到施工要求而导致锚杆、 锚索的支护效果不佳。 巷道支护参数优化后, 巷道稳定性明显改观, 锚杆的 加长、 加粗对控制巷道变形起到了很好的作用, 巷道支护 四、 现场工程施工 五、 结束语 5 1 2 0 0 7年第1 1期 煤炭科技 参数基本合理有效。 顶板变形量均大于两帮变形量,顶板仍然是控制巷 道变形的重点, 应加强顶板管理; 掘进迎头1 5 ～ 2 0 m范围 内巷道变形量大, 围岩不稳定, 应加强迎头的控制。 在巷道变形剧烈阶段以后,对巷道围岩进行加固锚 注, 可提高围岩的整体承载能力, 增强围岩的稳定性。 由于巷道在变形相对稳定阶段,其深部仍有一定的 缓慢变形, 要发挥锚索作用方可控制围岩稳定, 可加长加 粗锚索和应用W钢带, 以增强锚杆 索 支护的整体效 果。 在深井高地压软岩巷道支护中,采用锚网喷加锚索 联合支护及围岩壁后注浆是有效的支护方法。 作者单位 淮南矿业集团谢一矿 责任编辑 段顺昌陈泰 “ 谢一矿矿井现有的B 4 b、B 9 b、B 1 1 b、C 1 3 4层煤均有 煤与瓦斯突出的危险 瓦斯涌出量详见表1 。长期以来, “ 双突”一直是困扰煤巷掘进的一个突出难题, “ 双突” 煤 层的掘进单进, 已成为影响矿井采掘接替的关键因素。 因 此, 如何提高“ 双突” 煤层的掘进单进水平已成为高瓦斯 “ 双突” 矿井急需解决的课题。 1 .设计 1 根据地质部门提供的地质资料, 尽可能将施工巷 道布置在应力集中带以外, 降低巷道的突出危险性, 减少 巷道围岩压力。 2 合理选择支护参数, 将一次支护强度增加到最大 值, 减少巷道维修工作量, 增加巷道有效进尺天数。 3 根据通风部门提供的瓦斯涌出量, 选择适当的巷 道, 提前做好局部消突措施, 通过穿层钻孔预抽、 大直径 顺层钻孔自然排放等方法为施工创造良好条件。 4 施工过程中, 生产职能科室技术人员必须经常深 入井下施工现场, 现场解决施工过程中遇到的问题, 不断 完善、 优化设计, 使设计能够更加贴近生产, 为生产单位 服务。 2 .通风 通风系统是防突治突的根本所在,只有完善的通风 系统、 健全的通风设施、 合理的通风线路和较短的供风距 离, 才能从根本上保证掘进单进水平的提高。 要针对现场 实际情况, 编制有针对性的通风设计和防突措施, 合理确 定进风路线、 回风路线及供风量, 制定合理、 安全、 实用的 防突要求, 提前建立、 健全通风设施, 完善通风系统, 做到 工作面设计与通风设计同步进行,瓦斯治理工程超前掘 进施工进行, 为生产单位进入施工现场创造有利条件。 3 .施工 施工单位是提高掘进单进水平的关键。首先,施工单 位技术人员根据工作面设计、 通风设计、 地质资料和防突 措施等资料编制合理实用的掘进作业规程,施工过程中 严格按照工作面设计要求和防突措施要求进行施工, 合 理安排施工工序, 有效组织生产劳动。其次, 超前掩护钻 场的施工必须符合设计要求和防突措施的要求,使之能 够有效的掩护施工巷道的掘进。 第三, 施工单位在迎头施 工卸压释放钻时,必须按照措施要求确保每一个钻孔都 打到位, 并且给予充足的释放时间, 确保每一循环的顺利 进行。 第四, 施工单位技术人员必须熟悉图纸、 资料, 时刻 了解施工进度, 了解掘进过程中将出现的问题, 及时编制 各类专项技术措施, 保证施工安全、 顺利进行。 最后, 施工 单位在施工期间,必须严格按照质量标准化标准进行施 工, 确保支架支护有劲, 降低巷道返修工作量, 增加有效 进尺量。 “双突”煤层中提高掘进单进水平的几个措施 赵杰张震 一、 概况 二、 采取的措施 三、 对比 5 2