淮南礦區(qū)深部軟巖巷道掘進與主動支護技術(shù)

摘 要：隨著煤礦采掘深度的逐漸增加，淮南礦區(qū)越來越多的礦井將要進入千米深部，掘進與支護的矛盾顯現(xiàn)突出。深部軟巖巷道圍巖壓力大，破碎巖體增多、地質(zhì)條件惡化、地應(yīng)力增大、地溫升高、水壓增大，導(dǎo)致深部軟巖巷道掘進困難，開挖后圍巖穩(wěn)定性控制與支護難度加大，常產(chǎn)生大變形而破裂失穩(wěn)，支護破壞嚴重，頂板壓垮、底臌變形大，環(huán)境惡化、生產(chǎn)成本增加、安全事故多發(fā)。煤礦生產(chǎn)建設(shè)的發(fā)展趨勢迫切需要對該類群巷道掘進與支護問題進行深入研究，本文就淮南礦區(qū)軟巖巷道掘進與主動支護技術(shù)進行了初步探討與介紹，探討了淮南礦區(qū)軟巖遵循“宜炮則炮、宜綜則綜”的掘進原則，軟巖巷道掘進與主動支護問題的合理方法與有效途徑。

關(guān)鍵詞：深部 軟巖巷道 穩(wěn)定 掘進 支護技術(shù)

中圖分類號： 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）05（a）-0000-00

0引言

淮南礦區(qū)位于華北板塊，煤田盆地由南北翼對沖推覆運動構(gòu)造，構(gòu)造復(fù)雜，地層內(nèi)應(yīng)力很大，地層巖性多為泥質(zhì)頁巖、泥巖，圍巖大部分為Ⅳ類不穩(wěn)定或Ⅴ類極不穩(wěn)定類別，因此必須把握影響巷道支護的主要因素，按類別研究不同巷道的支護技術(shù)。

1 深、淺部巖巷穩(wěn)定性分析

就問題的實質(zhì)而言，深部與淺部的主要區(qū)別在于巷道圍巖所處的應(yīng)力環(huán)境的差別，進而導(dǎo)致圍巖強度和變形性質(zhì)的明顯差異。就煤礦而言，在淺部十分普通的巖石，在深部可能表現(xiàn)出軟巖的特征---易變形并具一定的延續(xù)性、蠕變性強。

淺部原巖大多處于彈性狀態(tài)，深部原巖處于潛塑性甚至塑性狀態(tài)，巷道開挖后，由于巷道自由面一側(cè)應(yīng)力減為零，圍巖由開挖的三項應(yīng)力狀態(tài)調(diào)整為二兩應(yīng)力狀態(tài)，若支護效果不佳，導(dǎo)致圍巖很快由表及里發(fā)生大變形。

2 深部圍巖變形破裂機理

2.1 巖石破壞機理

任何材料的破壞，從不同部分散離的狀態(tài)來看，不外是兩種，即產(chǎn)生散離的部分互相遠離或錯開。所以物體的破壞機理歸結(jié)到底只有兩種：即拉斷和剪切。因此巖石的破壞，從其機理上說也只有拉壞和剪壞，對于巖石類抗壓不抗拉的材料，多以剪切破壞為主。

2.2 高地應(yīng)力作用

淮南礦區(qū)處于-700m～-1000m深度的巖石，即使在自重應(yīng)力的作用下，其原巖應(yīng)力達到20Mpa左右。開挖后造成法向應(yīng)力卸荷幅度近20MPa，周向應(yīng)力增加幅度40～60MPa，最大偏應(yīng)力（σ1-σ3）達到60～80MPa，這兩個方向應(yīng)力的一降一升產(chǎn)生了圍巖的高應(yīng)力與低強度之間的突出矛盾，必然導(dǎo)致圍巖開挖后的快速劣化，裂隙由表及里快速萌生與擴展，很快導(dǎo)致圍巖的破裂失穩(wěn)。

2.3 高滲透壓與風(fēng)干失水作用

開挖前：深部圍巖處于很高的靜水壓力作用下，圍巖體內(nèi)孔隙壓力很高；呈飽和狀態(tài)；或處于干燥、半干燥的緊密壓縮狀態(tài)。

開挖后：導(dǎo)水裂隙發(fā)育處：近表圍巖孔隙壓力大大減小（等于大氣壓力），有效應(yīng)力大大增加。

2.4 溫度梯度的作用

隨著開采深度的增加，地溫階梯狀升高，巷道開挖后，由于通風(fēng)造成距巷道表面一定深度的圍巖內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度梯度（特別是冬季），引起附加的溫度應(yīng)力、附加變形 ，圍巖離層，進一步增高最大剪應(yīng)力（σ1-σ3），加劇高應(yīng)力與低強度的矛盾。

2.5 巖爆作用

在構(gòu)造應(yīng)力較大的區(qū)域遇到堅硬、脆性巖石時，必然在圍巖替內(nèi)集聚很高的彈性應(yīng)變勢能。巷道開挖擾動造成開挖面附近一定深度范圍內(nèi)應(yīng)力場調(diào)整，易誘發(fā)圍巖體內(nèi)彈性應(yīng)變勢能突發(fā)性釋放，造成巖爆災(zāi)害。

綜上所述，圍巖骨架受到大大高于巖體強度的有效應(yīng)力，使得圍巖高應(yīng)力與低強度的矛盾尤為突出，破裂損傷的速度和范圍難以控制。

3 深部圍巖穩(wěn)定性控制對策

3.1 掘進方式

掘進方式遵循“宜綜則綜、宜炮則炮”原則。為減少擾動對巷道圍巖的危害，在條件適宜時，巖巷盡量采取綜合機械化掘進，若條件限制采用炮掘施工時，必須采用光面爆破技術(shù)，為發(fā)揮圍巖的承載能力，盡可能采用全斷面一次成型，減少對圍巖的二次震動。

3.2 支護技術(shù)

3.2.1 支護時間

巷道開挖后要在最短時間內(nèi)最大限度地恢復(fù)巷道自由面上的法向應(yīng)力，改善因巷道開挖導(dǎo)致劣化的近表圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，提高圍巖的非固有強度和變形模量，限制圍巖沿巷道自由面法向和結(jié)構(gòu)面法向的張開變形。

3.2.2 支護強度

用高強支護增強圍巖，提高圍巖的固有抗剪剛度，限制圍巖沿潛在破裂滑移面的剪切變形，有效提高圍巖抵抗高應(yīng)力作用下剪切破壞的能力。

3.2.3 修復(fù)作用

選擇恰當時機采用高強高韌材料加固損傷破裂區(qū)圍巖，使開挖擾動產(chǎn)生的破裂區(qū)得到固結(jié)，損傷區(qū)得到修復(fù)，提高圍巖的完整性和整體強度。

4 深部軟巖掘進及支護技術(shù)

4.1巖巷掘進技術(shù)

淮南礦區(qū)巖巷掘進普遍采用的以傳統(tǒng)鉆爆法為主。近年來，在“巖巷的根本出路在于機械化” 精神的引領(lǐng)下，礦區(qū)巖巷機械化水平得到較大的提高。

淮南礦區(qū)進入2014年來正常保持20條以上巖巷綜掘作業(yè)線、10條液壓鉆車作業(yè)線作業(yè)。除個別礦井因地質(zhì)和采場條件制約外，其余各生產(chǎn)礦井均不同程度推廣使用了巖巷綜掘、液壓鉆車等機械化作業(yè)線。

以鉆爆法為主的巖巷機械化作業(yè)線主要配套主要有三種：第一種是氣腿式鑿巖機配耙斗式或鏟斗式裝巖機作業(yè)線；第二種是液壓鉆車配側(cè)卸裝巖機作業(yè)線；第三種是液壓鉆車配履帶式挖掘裝載機（耙裝機）+皮帶轉(zhuǎn)載機+（矸石倉）多礦車、牽引機車的作業(yè)線，其中在淮南礦區(qū)成功推廣使用第三種。

以綜掘機為主的機械化作業(yè)線主要配套：綜掘機、二運皮帶轉(zhuǎn)載機、皮帶轉(zhuǎn)載機、矸石倉、多礦車、牽引機車等。

4.2掘進方法選擇的影響因素：

（l）巖石的堅固性。掘進系統(tǒng)經(jīng)濟性在很大程度上取決于巖石的種類、抗壓強度及其磨蝕性。堅硬的巖石可采用綜掘機掘進或鉆爆法掘進。

（2）運輸及裝配條件。使用全斷面綜掘機，遷移和安裝是個重要問題。在礦井和主巷道中運輸時拆卸成零部件，裝配時需要一定的空間。

（3）巖體控制與穩(wěn)定性。綜掘機掘進與鉆爆法掘進相比，除了掘進速度高外，還有一些系統(tǒng)本身固有的優(yōu)點，如開挖出的巷道幫壁較光滑，有利于支護；可以靠近工作面緊接著掘進連續(xù)進行支護；支護受力均勻，其承載能力比與巖石貼合不良的支護大數(shù)倍。而鉆爆法往往造成圍巖松動。

（4）綜合除塵。鉆爆法掘進中主要采用濕式鑿巖防塵，加強通風(fēng)和噴霧灑水等方法除塵；綜掘機掘進采用濕式除塵風(fēng)機除塵，主要以除塵風(fēng)機為主要除塵設(shè)備，以合理配風(fēng)為主要措施，輔以其它除塵設(shè)施，建立健全綜掘綜合防塵工作長效機制。

（5）掘進速度和機械利用率。綜掘機掘進的主要優(yōu)點是平均掘進速度高，純掘進速度和機械利用率是巷道綜掘機2個重要的指標。純掘進速度可根據(jù)刀盤每旋轉(zhuǎn)一周滾刀的切人深度和刀盤轉(zhuǎn)速來確定。刀具切入深度除了與巖石條件有關(guān)外，還取決于刀盤的結(jié)構(gòu)，刀具的種類、數(shù)量及其配置等情況。提高機械的利用率是加快掘進速度的關(guān)鍵，這要求對其配套作業(yè)進行很好的組織。通常支護時綜掘機工作間斷時間過長，導(dǎo)致部分斷面綜掘機利用率大多不超過30%。

4.2 巖巷支護技術(shù)

深部軟巖掘進采用工作面超前錨桿+臨時支護，防止片幫冒頂，確保施工安全。針對拱頂、底板中央、兩邊墻拉伸破壞區(qū)，采用預(yù)應(yīng)力錨索加固，以控制拱頂下沉、底臌、兩幫收斂變形；針對兩拱肩應(yīng)力集中區(qū)，采用加密錨桿、增大錨桿抗剪強度和剛度，控制剪切破壞區(qū)發(fā)展；針對兩側(cè)底角應(yīng)力集中區(qū)，增設(shè)幫腳錨桿和底角注漿錨管，提高圍巖抗剪強度，阻止剪切滑移；與底板錨索共同抵抗底臌變形；全斷面后注漿補強，對破裂損傷區(qū)圍巖固結(jié)修復(fù)，并增強錨桿（索）的支護效果，確保巷道的長期穩(wěn)定。

4.2.1錨桿（索）施工技術(shù)

（1）錨桿高應(yīng)力。給錨桿施加高應(yīng)力是恢復(fù)和改善圍巖應(yīng)力的有效途徑，淮南深部礦區(qū)采用扭矩達到1200N·m的MQS90J2型氣動錨桿安裝機，使錨桿達到足夠的預(yù)應(yīng)力。

（2）錨桿采用全長錨固。淮南礦區(qū)工程實踐已經(jīng)證實，深井高應(yīng)力軟巖條件下，端部樹脂錨固的難以保證達到預(yù)期的支護效果，要保持圍巖穩(wěn)定，實現(xiàn)全長錨固至關(guān)重要

（3）錨注聯(lián)合支護。淮南礦區(qū)自2011年9月開始引入中空注漿錨索支護技術(shù)，先后試用于深井巷道修復(fù)加固、深井大巷掘進支護、沿空掘巷支護、沿空留巷支護等方面，取得了顯著成果。

4.2.2加強底板支護

對于深部軟巖巷道，底板必須采取有效的支護措施，否則巷道底板塑性破壞區(qū)的剪切滑移必將導(dǎo)致巷道周圍其余部分圍巖的進一步變形破壞。

4.2.3 滯后注漿工藝

滯后注漿加固的作用機理體現(xiàn)在兩個方面。一是對圍巖裂隙固結(jié)增強。注漿后，圍巖裂隙得到粘結(jié)，提高了圍巖的完整性，使得列些的抗剪強度及剛度大大提高；二十改善圍巖表面應(yīng)力狀態(tài)。注漿壓力消散后再噴層及圍巖表面之間仍存在一定的殘余應(yīng)力，在錨網(wǎng)噴支護的基礎(chǔ)上進一步增強了作用于圍巖表面的分布面力，有效改善圍巖的受力狀態(tài)，提高圍巖強度，維護圍巖的穩(wěn)定。

5 工程實踐

淮南礦業(yè)集團礦業(yè)工程分公司在新莊孜礦北一-812m62313底板巷大斷面堅硬巖石巷道掘進中，采用 CMJ-17HT履帶式全液壓掘進鉆車打眼、P-90B耙矸機、皮帶機聯(lián)合出矸，月最高進度達到127m的好成績。

淮南礦業(yè)集團礦業(yè)工程分公司在朱集北礦西一回風(fēng)大巷（北）大斷面軟巖巷道掘進中，采用國產(chǎn)綜掘機施工，以二運皮帶轉(zhuǎn)載機、皮帶轉(zhuǎn)載機、矸石倉、多礦車、牽引機車為主的排矸系統(tǒng)，取得了月最高進度達266m好成績。

淮南礦業(yè)集團謝一礦-780m13槽地板運輸巷巖性主要以碳質(zhì)泥巖、中細砂巖為主。采用普通炮掘施工，P60耙裝機配合1.5t礦車出矸，“三八制” 作業(yè)，支護技術(shù)采用高預(yù)應(yīng)力超強錨桿、錨索和網(wǎng)噴支護頂幫，反底拱控底拱，開挖一月左右采用滯后全斷面注漿固結(jié)修復(fù)圍巖。

6 結(jié)語

淮南礦區(qū)深部軟巖巷道掘進按照經(jīng)濟指標、地質(zhì)條件、及掘進速度要求等，遵循“宜炮則炮、宜綜則綜”的原則，合理選擇掘進方式，鉆爆法為主的巖巷機械化作業(yè)線主要以液壓鉆車配耙裝機+皮帶轉(zhuǎn)載機+（矸石倉）多礦車、牽引機車的作業(yè)線；綜掘機械化作業(yè)線主要以綜掘機、二運皮帶轉(zhuǎn)載機、皮帶轉(zhuǎn)載機、矸石倉、多礦車、牽引機車等為配套。

淮南礦區(qū)深部軟巖巷道主動支護技術(shù)采用錨桿全長錨固、底部錨桿支護和中空注漿錨索支護技術(shù)、圍巖開挖擾動區(qū)滯后注漿工藝，以聯(lián)合支護方式代替單一的被動支護形式， 通過支護體與圍巖間的主動和動態(tài)的相互作用， 來全面保持巷道圍巖與支護體系的長期穩(wěn)定， 延長巷道的修復(fù)周期，滿足現(xiàn)代化高效煤炭生產(chǎn)發(fā)展的要求。

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