深井软岩硐室群及巷道复合支护研究与应用.doc

济宁矿业集团霄云煤矿 深井软岩硐室群及巷道复合 支护研究与应用 可行性研究报告 承担单位济宁矿业集团霄云XXX煤矿 协作单位山东科技大学资环学院、河海大学岩土工程研究所 起止时间 2008.10.01～2010.10.01 二〇〇八年十月 一、矿井概况 霄云XX煤矿是由济宁矿业集团投资兴建的中型现代化矿井，井田位于山东省金乡县霄云XX镇境内。矿井由济南煤炭设计研究院设计，采用立井开拓，设主、副两个井筒，设计生产能力0.9Mt/a。主井深度840m，付井深度860m，表土段423m，冻结深度472m。现主井井筒已经到底，主付井贯通巷、泵房、南石门、等巷道已经开始施工，付井也已施工至840m深度，将马上施工到井底。井下峒室群将陆续施工。 从井底局部峒室揭露的岩层情况看，巷道围岩情况为 （1）南石门和南石门交叉点为细砂岩和粉砂岩为主，但是节理裂隙特别发育，支护难度较大。 （2）主井北牛鼻子底板为恢褐色泥岩，遇水泥化、膨胀，造成牛鼻子附近局部发生底鼓，支护难度大。 （3）主井北的贯通巷迎头揭露的岩石为灰褐色泥岩，遇水泥化、膨胀，支护难度大。 （4）水仓掘进迎头揭露的岩石为泥质粉砂岩，节理裂隙发育，有一定支护难度。 现有的支护形式为锚杆、锚索、焊接金属网加喷射混凝土，锚杆杆体为右旋等强螺纹钢，锚杆规格 Q335 Ф18－2100。锚索规格为Ф17.8mm,长度5000～6000mm。从现有的支护显现看，巷道局部顶、帮有一定变形，个别地段混凝土喷层出现纵向开裂。 为确保以后施工的巷道峒室能够安全可靠的使用，济宁矿业集团、霄云XX煤矿经过调研，特委托山东科技大学资源与环境工程学院和河海大学岩土工程研究所进行“深井软岩硐室群及巷道复合支护研究与应用”项目研究。以确保矿井的顺利、安全、有效地施工和建设。 以下为现场采集的岩石试样照片。 二、国内外研究现状 （一）国内深井峒室群围岩控制研究现状 深井软岩硐室群及巷道变形与压力控制是目前深井建设中遇到的普遍问题，合理有效的硐室群支护技术不仅确保矿井生产安全，而且能够降低和取消支护维修费用，提高矿井的综合经济效益。随着矿井各种峒室和巷道的不断掘进，对相对复杂地质条件下，探究经济合理的硐室群支护技术，对矿井安全有效建设具有重要的现实意义和工程价值。 目前，山东菏泽巨野、郓城及济宁周边一带建设的深井，如唐口煤矿、梁宝寺煤矿、龙固煤矿、彭庄煤矿、郭屯煤矿、赵楼煤矿在峒室群施工过程中均遇到了深井巷道支护之问题，对于软弱岩体好多矿井大多采用了后处理的办法来解决深井峒室群的支护难题，其中以锚注为主。锚注虽然是一种处理变形破坏巷道的一种有效方法，但是它一种被动解决问题的方法，是原支护方法没有有效地控制围岩松动圈扩展，造成巷道围岩变形，导致混凝土开裂。 深井软岩峒室群支护的理念应该是－采用主动围岩控制方法，提高围岩的自身承载能力，使支护结构－锚杆、锚索、金属网和混凝土喷层协同有效抵抗地应力释放，以平衡巷道围岩的变形，真正实现锚网主动支护。 滕东省建煤矿，主井井筒深度921m，副井井筒深度949m,主副井井壁均采用素混凝土。井筒施工至700左右时，滕东煤矿与山东科技大学资环学院合作，采用高强预应力锚杆、锚索主动预加固井壁围岩，在井底峒室群施工过程也同样采用了高强预应力锚杆＋锚索＋金属网＋钢带（钢筋梯）＋喷射混凝土等复合支护技术，取得了显著的支护效果，现首采面回采巷道已经开始施工，所有峒室和巷道达到了预期的支护效果，巷道维修率不到2％。 霄云煤矿附近的李堂煤矿井深较霄云煤矿浅300m，但是其相对煤系地层的深度要大，在井底峒室群施工的初期，采用的传统支护参数和传统的支护材料，但其支护效果不理想，造成局部峒室变形开裂。此后，李堂煤矿与山东科技大学合作，对现有的支护系统和方法进行研究和改进，在提高单体锚杆强度、增加锚杆安装应力、扩大锚杆间排距的情况下，大幅度提高了峒室及巷道的支护效果，确保了矿井的快速安全建设。 （二）国外锚杆支护研究现状 美国作为世界上第二采煤大国，锚杆支护技术是最先进的，美国锚杆支护技术至今已有一百多年的发展历史，但锚杆支护技术的广泛应用，仅是近五、六十年的时间，现在美国矿井的锚杆支护率为100％。 1945～1950机械式锚杆的研究与应用 1950～1960广泛采用机械式锚杆，开始对锚杆进行系统研究 1960～1970发明了树脂药卷，引发锚杆技术的一次革命 1970～1980发明管缝式锚杆、水力账管式锚杆，研究新的锚杆设计方法，长锚索产生 1980～1990混合锚头锚杆、组合锚杆、桁架锚杆、各种特种锚杆得到应用，树脂锚固材料得到改进。 美国是世界上较早使用锚杆并以锚杆作为唯一的煤矿顶板支护方式的国家，也是目前世界上锚杆支护技术最先进、最成熟、锚杆使用数量最多的国家。由于使用锚杆能有效控制巷道围岩变形，美国所有井工巷道都布置在煤层中。美国每年锚杆使用量在8000万套以上，每年有2.5万km的煤巷使用锚杆支护。 50年代初，美国发明了世界上第一个涨壳式锚头，由此而来带来了美国采矿工业的一场革命。 60年代末由于树脂锚固剂的发明，锚杆使用的相当一部分都是以树脂锚固剂全长胶结的形式。 70年代末，美国首次将涨壳式锚头与树脂锚固剂联合使用，使锚杆预应力可以达到杆体本身强度的50～75。同时锚杆的直径和强度有了进一步的提高（直径达到22mm和25mm，强度达到800MPa）。美国的实践证明，高强度高预应力锚杆系统在水平应力大、层理裂隙极端发育的复合顶板及破碎围岩情况下是非常成功的。 80年代美国陆续开发了螺母阻尼式预应力锚杆、两节镦头式预应力锚杆、镦头涨壳式预应力锚杆、普通镦头锚杆、钢绞线锚杆及各种M、W型钢带及托盘等新型支护材料。 美国在复杂的地质条件下成功使用锚杆的经验是采用高预应力、高强度锚杆，对巷道顶板采取积极主动的支护，极大地提高了巷道围岩的自承载能力和巷道的稳定性，减少了锚杆数量、提高了巷道掘进速度、降低了巷道的支护成本。 美国巷道支护的理念是－锚杆、锚索是支护结构的主体，为了充分实现锚杆主动支护的效果，通过提高锚杆预应力去主动加固受掘进破岩影响的松动围岩，以提高围岩的自身承载能力，控制松动圈的扩展。现矿井喷射的混凝土，由于受巷道初始成型的影响，混凝土喷层厚度很不均匀，现混凝土喷层主要作用是封闭围岩，防止围岩风化，保证围岩的长期强度。 另外，澳大利亚作为第三大采煤国，也几乎全部采用锚网支护。 国外发达国家锚网支护的特点是1单体锚杆强度大；（2）锚杆安装应力大；（3）间排距大；（4）锚网支护效率高，支护效果良好。 （三）国内锚杆支护研究现状 自50年代以来，锚杆支护技术在我国得到了逐步的应用，特别是进入90年代，随着我国市场经济的建立与实施，锚杆支护因在价格和效率方面的显著优势，许多矿井改变传统的棚式和砌体支护的理念，开始试用推广锚网支护，大量的实践验证了锚网支护高效安全的优势。同时，在矿井软岩、动压巷道及煤巷中采用锚杆支护也获得了良好的效果。原煤炭工业部1995年提出“煤巷锚杆支护是我国煤矿继综合机械化采煤之后的第二次支护技术革命”，并将“煤矿锚杆支护技术”列为煤炭工业“九五”重点科技攻关项目的五个项目之一，在攻关研究的基础上，在煤矿中大力推广煤巷锚杆支护技术。但是煤矿锚网支护作为一种主动支护方式，要达到理想的支护效果，在技术细节上尚需要解决和探索问题，如锚杆组件、锚杆结构、锚杆施工安装机具和锚杆与其它支护结构的耦合问题等。 我国现有锚杆支护存在的不足 （1）锚杆支护设计主要依靠现场经验，设计理论依据有待完善和补充； （2）各类巷道锚杆千篇一律；很多设计单位只是笼统选择了锚杆直径和长度。但是不同的锚杆结构和施工工艺会很大的效果差别。 （3）没有考虑地应力大小、方向、比值的影响（在进行锚杆支护设计之前，基本上不进行三维地应力测试）； （4）没有地质力学分析和巷道压力显现与锚杆支护参数的匹配关系分析与选择，所以提出的支护方案很难适应地质条件的变化，不能实现量体裁衣、对症下药。 （5）单根锚杆强度低、预紧力低、可靠性低、间排距小（单体锚杆钻机推力小（小于0.5吨）、扭距小小于160Nm，锚杆基本上没有预应力）； （6）锚杆消耗量大、施工速度慢、工效低、费用高、安全性较低。 表－1 国内外锚杆支护技术对比 比较项目 中国 美、澳、英 锚杆材料强度（MPa） 235、335、500 450、500、600、700 锚杆锚固力（t） 5～15 20 锚杆直径（mm） 16～22 20～24 锚杆间排距（m） 0.7～0.9 1.0～1.2 锚杆长度（m） 1.6～2.4 2.2～2.6 锚杆安装应力（t） 0～3 6～10 （四）混凝土材料的国内外研究现状 现国内煤矿用于巷道支护的混凝土材料均为传统的混凝土材料－水泥＋骨料（砂子或石子），在喷射混凝土时会添加少量的速凝剂。目前矿井采用的混凝土材料是一种典型的脆性材料，其抗剪、抗拉和抗弯变形的能力很低，而巷道围岩地应力释放对混凝土喷层产生的应力大都是剪应力和拉应力为主，所以巷道微小的变形就会使混凝土喷层产生变形破坏。而且速凝剂的添加会是混凝土快速凝固，在混凝土快速凝固过程中产生张力对混凝土产生初始损伤。 现纤维混凝土已在国内外水利水电工程中取得了很好的应用，课题组研究人员对纤维混凝土进行了大量的室内研究。研究结果与实践表明，纤维混凝土的抗拉抗剪和抗弯能力可以提高50％～70％，纤维混凝土以钢纤维混凝土应用效果最好。 在普通混凝土中掺入适量的钢纤维配制而成的混凝土，称为钢纤维混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete，简称SFRC）。 由于钢纤维阻滞基体混凝土的微裂纹的扩展，从而使其抗拉、抗弯、抗剪强度等较普通混凝土显著提高。其抗冲击、抗疲劳、开裂后韧性和耐久性也有较大改善。近年来，它广泛应用于公路、桥梁、机场、隧道、水工、建筑、军事工程和各种建筑制品等领域。 湿喷钢纤维混凝土施工技术近年来在国外发展很快,它将是今后喷射混凝土的发展方向,有完全取代传统的挂钢筋网干喷混凝土的趋势。在桥梁、隧道、水电等行业中应用取得了良好的效果。 传统的混凝土材料跟岩石材料一样，是一种抗压而不抗拉的材料，而矿用喷射混凝土材料因施工的特殊性，凝固后其抗拉、抗弯和抗剪强度更低，而巷道混凝土喷层的破坏大都是剪破坏和拉破坏。为了提高和改善传统的井下喷射混凝土材料的力学性能，山东科技大学和河海大学研究人员在吸收国外最新复合增强混凝土材料的基础上，结合矿山巷道施工的特殊情况，最新研制出了适合湿喷的增强复合钢纤维混凝土材料。该新型复合混凝土材料具有如下特点 （1）强度高，柔性好。复合钢纤维混凝土的抗压强度提高20％以上；抗拉强度（劈裂法）平均提高50％～60％；抗弯强度平均提高60％～70％；抗剪强度平均提高80％～90％。尤为突出的是钢纤维可控制裂缝的扩展，提高混凝土的裂后强度，阻裂效果明显，使混凝土裂后仍能承受一定的载荷，因而呈现很高的韧性，钢纤维复合混凝土的韧性平均可提高30～40倍。同时也具有良好的抗冲击、抗疲劳、抗震动和抗爆炸性。 钢纤维混凝土抗裂性能良好，意味着它的抗拉强度、抗弯强度、抗疲劳强度等性能均比普通混凝土有较大地改善。由于大量很细的钢纤维均匀地分布在混凝土中，钢纤维与混凝土基体的接触面大，如按1％体积比掺入Φ0.25mm12.7mm的钢纤维时，每立方米混凝土中有1600万根，其比表面积为160m2，与同样质量的钢筋相比，比表面积约增加32倍。因而，在所有方向上性能都得到增强，具有了普通混凝土所不具备的优良性能。 （2）施工方便，易保证质量和安全。可免除钢筋网的架设。对大断面巷道来说挂网工艺存着一定的不安全因素，同时混凝土喷射冲击金属网震动，影响混凝土与岩石、混凝土与金属网的结合力和粘结强度。钢纤维复合混凝土可以免除上述弊端，确保混凝土与岩面的充分结合。 （3）节省工程量，降低造价。如果保证同样的喷浆层强度，钢纤维复合混凝土可以降低混凝土厚度20％～30％。同样的喷射厚度可以增加支护强度40％～50％，是巷道支护强度显著提高。 （4）使传统的锚喷支护更加合理。传统的锚喷支护，混凝土喷浆层的变形性能（刚度）和锚网的变形性（刚度）差别较大，不能保证喷浆层和锚网同时承载地压，造成各个击破。钢纤维复合混凝土的韧性大大提高，改善了混凝土喷浆层变形性能，使锚网喷支护结构支护效果显著提高。 技术特点 湿喷复合钢纤维混凝土技术是在湿喷混凝土拌和料中掺入一定量的钢纤维及相应外加剂,采用泵送稠流式或风送稀流式作为湿拌混凝土料的压送喷射动力,在喷嘴处加入液态速凝剂和压缩空气喷射至岩面,钢纤维在喷射混凝土中呈二维随机方向均匀离散分布,通过混凝土与钢纤维的全长粘结和端头锚固作用,形成一种近乎均质,抗弯、抗拉、抗剪强度及抗冲击力性,抗渗性、抗收缩性、耐久性较好的混凝土- 钢纤维新型复合材料。这种混凝土- 钢纤维新型复合材料,在发生较大变形后仍能承担荷载,具有良好的韧性和裂后强度。 工艺特点 1湿喷钢纤维混凝土施工工艺具有粉尘少、回弹率低、水灰比准确、喷射混凝土质量稳定、外观平整等优点。 2湿喷钢纤维混凝土施工工艺改善了施工环境,省去了费时而危险的挂网作业,简化施工工序,机械化程度高,施工生产能力大,减少循环作业时间,使支护更加快捷、及时,提高了施工和结构的安全性,施工更加快速、安全、高效。 3湿喷钢纤维混凝土工艺改善了喷射混凝土的物理力学性能,湿喷钢纤维混凝土抗压、抗拉、抗弯强度较普通喷混凝土提高较大,同时具有很好的柔性和抗裂效应,允许变形量和残余强度较素喷混凝土大许多,能吸收较大的变形能,有利于充分发挥围岩的自承能力,并可降低喷层厚度。 4湿喷钢纤维混凝土能很好地适应不规则岩面,使喷混凝土与岩面更加紧帖,避免了喷层后的空洞和钢筋网的腐蚀,同时大大地减少了喷混凝土填充量。 5湿喷钢纤维混凝土抗裂性、抗冲击性、抗渗性、抗冻融性和耐久性好,适合于作为永久衬砌。 三、研究目的和意义 深井因埋藏深度的增加，地应力将会随之增加，地应力的增加会使浅部具有锚网可支的围岩变为不可支性围岩，这就是现在“相对软岩”新观点。此时如果不改变传统的锚杆支护参数，巷道围岩变形是难以控制的。 霄云矿井从主井井底峒室揭露的巷道围岩看，巷道围岩以粉砂岩、泥岩粉砂岩和泥岩居多，且围岩节理裂隙发育，其巷道变形是“相对软岩”和“绝对软岩”的综合影响。该项目旨在摸清霄云矿井真实的地质力学条件，研究适应该条件的合理支护技术，实现霄云煤矿峒室群巷道锚喷复合支护安全、高效、低成本的目标，使霄云煤矿峒室群及巷道支护达到国际先进、国内领先水平。该项目对霄云矿井的安全高效建设具有重要的理论意义和现实意义。 （一）具体目标 （1）矿井围岩力学性能测试与分析； （2）矿井围岩矿物成分显微分析和岩石水理性能测试； （3）矿井地应力测试与分析； （4）矿井巷道围岩松动范围测试； 5 矿井巷道围岩可支支性评价与分类； （6）矿井不同跨度、不同类型巷道的支护方案设计, 编制分类断面支护图集； （7）支护方案的实施与支护系统的测试与评价； （8）支护效果及围岩变形显现的测试； （9）支护方案的再优化与信息反馈，确保支护方案最优。实现支护成本最低，支护效果最加，支护效率最低。 （二）课题研究意义 （1）技术上，使支护技术和水平处于国内领先水平。 （2）安全上，显著提高巷道支护的安全可靠性，力争消除巷道维修，确保巷道不冒顶，改善巷道维护状况，为巷道正常使用创造条件。 （3）经济上，提高施工速度，降低支护费用，取消或降低巷道维修费用，提高矿井建设的综合经济效益。 四、主要研究内容 （一）研究范围 （1）水仓和泵房； （2）井底车场； （3）变电所； （4）库房； （5）各种联络巷道； （6）各种交叉点； （7）大巷300米。 （二）主要研究内容 （1）围岩力学性能测试与分析； （2）围岩矿物成分显微分析和岩石水理性能测试； （3）地应力测试与分析评价； （4）巷道围岩应力与变形分析模拟； （5）峒室群施工中的交叉影响的力学分析和数值模拟； （6）巷道围岩松动范围测试； 7 巷道围岩围岩分类与可支性质量评价； 8 钢纤维混凝土喷射湿喷工艺参数的计算与设计； 9 钢纤维混凝土喷层支护效果的分析与测试； 10 高强预应力锚杆的应用测试与现场测试评价； （12）不同跨度、不同类型巷道锚杆支护方案设计, 编制分类断面支护图集； （13）支护方案的实施与支护系统的整体测试与评价； （14）支护效果及围岩变形显现的测试与评价； （15）支护方案的再优化与信息反馈，确保支护方案最优。 五、关键技术与创新 （一）先进的技术手段 （1）美国生产的钻孔全息窥视仪； （2）澳大利亚产的地应力测量技术； （3）山东科技大学和英国MINOVA公司合作开发的三维地应力分析软件； （4）课题组特有的巷道围岩分类与评价方法； （5）3D－FLAC围岩应力分析模拟软件（美国Itasca公司）； （6）Pulse Ekko 100型松动圈雷达探测仪（加拿大SensorsSoftware Inc）； （7）大速比锚杆安装应力倍增器； （二）关键技术与创新性 （1）岩石、岩体及岩层力学综合测试与评价技术研究。 （2）围岩主动控制与预应力支护体系的相互作用关系的关键理论与技术。 （3）协同支护体系与围岩耦合关系的关键技术。 （4）地应力释放与合理控制的关键技术研究。 通过综合分析与研究，给出能够充分体现锚网主动支护的工艺方法，使各支护结构能够协调抵抗地应力的释放与巷道围岩变形，确保巷道的支护效果佳，支护效率高，施工速度快，综合支护成本低。 采用国内外先进的支护技术理念和手段，安全可靠地解决深井软岩峒室群支护问题。 六、时间安排 ① 2008.10～2009.10 围岩岩性测试、地应力测试、松动圈测试等。围岩岩性测试和松动圈测试需要按产生进度揭露的情况分步进行。 ② 2008.10～2009.10 巷道围岩分类及围岩应力分析。 ③ 2008.10～20010.06 各种断面巷道的支护方案设计，支护方案实施的检测与观测。 ④ 2009.10～2010.10 方案的现场实施；分类各种支护设计方案及相关图集；现场观测 ⑤ 2010.06～2010.11 总结、鉴定 七、经费预算 （1）围岩力学性能测试与分析费 6.0万元； （2）围岩矿物成分显微分析和岩石水理性能测试费 6.0万元； （3）地应力测试与分析费 18.0万元； （4）矿压观测仪器仪表费 8.0万元 （5）巷道围岩松动范围测试 6.0万元； 6 巷道围岩可支性评价与围岩分类研究费 6.0； 7 钢纤维混凝土喷射湿喷工艺参数的计算与设计费 5.0万元； 8 钢纤维混凝土喷层支护效果的分析与测试费 3.0万元； 9 高强预应力锚杆应用测试与现场系统测试评价费 6.0万元； （10）不同跨度、不同类型巷道锚杆支护方案设计费 8.0万元； （11）分类支护图集编制费 7.0 万元 （12）支护方案的实施与支护系统的整体测试与评价费 7.0万元 ； （13）支护效果及围岩变形显现的测试与评价费 7.0万元； （14）综合研究、计算与设计费 12.0万元； （16）科研管理费 6.0万元； （17）资料编写与鉴定费 5.0万元。 合计116．0万元 八、经济效益分析 （1）控制巷道变形,提高支护效果，确保巷道不维修，显著提高建设的安全生产水平。 （2）综合支护成本降低20％。 （3）显著提高巷道掘进、施工速度，提高矿井建设的综合经济效益。 （4）显著减轻工人的劳动强度。 九、课题组成员 济宁矿业集团及霄云煤矿 张学生 集团公司总工程师 马金平 霄云煤矿 矿长 孙长军 集团公司科技中心主任 马永贞 霄云煤矿 总工程师 徐明武 霄云煤矿 副总工程师 集团公司及霄云煤矿相关技术人员 山东科技大学资源与环境工程学院 刘立民 教授（博士后） 秦忠诚 教授（博士） 付厚利 教授（博导） 研究生 3名 河海大学岩土工程研究所 朱珍德 教授（博导） 高玉峰 教授（博导） 研究生 3名 －12－