淮南礦區深部軟巖巷道掘進與主動支護技術

摘 要：隨著煤礦采掘深度的逐漸增加，淮南礦區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突出。深部軟巖巷道圍巖壓力大，破碎巖體增多、地質條件惡化、地應力增大、地溫升高、水壓增大，導致深部軟巖巷道掘進困難，開挖后圍巖穩定性控制與支護難度加大，常產生大變形而破裂失穩，支護破壞嚴重，頂板壓垮、底臌變形大，環境惡化、生產成本增加、安全事故多發。煤礦生產建設的發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，本文就淮南礦區軟巖巷道掘進與主動支護技術進行了初步探討與介紹，探討了淮南礦區軟巖遵循“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。

關鍵詞：深部 軟巖巷道 穩定 掘進 支護技術

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

淮南礦區位于華北板塊，煤田盆地由南北翼對沖推覆運動構造，構造復雜，地層內應力很大，地層巖性多為泥質頁巖、泥巖，圍巖大部分為Ⅳ類不穩定或Ⅴ類極不穩定類別，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。

1 深、淺部巖巷穩定性分析

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

淺部原巖大多處于彈性狀態，深部原巖處于潛塑性甚至塑性狀態，巷道開挖后，由于巷道自由面一側應力減為零，圍巖由開挖的三項應力狀態調整為二兩應力狀態，若支護效果不佳，導致圍巖很快由表及里發生大變形。

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來看，不外是兩種，即產生散離的部分互相遠離或錯開。所以物體的破壞機理歸結到底只有兩種：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 高地應力作用

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

2.3 高滲透壓與風干失水作用

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

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

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，由于通風造成距巷道表面一定深度的圍巖內部產生較大的溫度梯度（特別是冬季），引起附加的溫度應力、附加變形 ，圍巖離層，進一步增高最大剪應力（σ1-σ3），加劇高應力與低強度的矛盾。

2.5 巖爆作用

在構造應力較大的區域遇到堅硬、脆性巖石時，必然在圍巖替內集聚很高的彈性應變勢能。巷道開挖擾動造成開挖面附近一定深度范圍內應力場調整，易誘發圍巖體內彈性應變勢能突發性釋放，造成巖爆災害。

綜上所述，圍巖骨架受到大大高于巖體強度的有效應力，使得圍巖高應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，為發揮圍巖的承載能力，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

3.2.1 支護時間

巷道開挖后要在最短時間內最大限度地恢復巷道自由面上的法向應力，改善因巷道開挖導致劣化的近表圍巖的應力狀態，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構面法向的張開變形。

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力作用下剪切破壞的能力。

3.2.3 修復作用

選擇恰當時機采用高強高韌材料加固損傷破裂區圍巖，使開挖擾動產生的破裂區得到固結，損傷區得到修復，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

4.1巖巷掘進技術

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

淮南礦區進入2014年來正常保持20條以上巖巷綜掘作業線、10條液壓鉆車作業線作業。除個別礦井因地質和采場條件制約外，其余各生產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線。

以鉆爆法為主的巖巷機械化作業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線；第二種是液壓鉆車配側卸裝巖機作業線；第三種是液壓鉆車配履帶式挖掘裝載機（耙裝機）+皮帶轉載機+（矸石倉）多礦車、牽引機車的作業線，其中在淮南礦區成功推廣使用第三種。

以綜掘機為主的機械化作業線主要配套：綜掘機、二運皮帶轉載機、皮帶轉載機、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。掘進系統經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，還有一些系統本身固有的優點，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，加強通風和噴霧灑水等方法除塵；綜掘機掘進采用濕式除塵風機除塵，主要以除塵風機為主要除塵設備，以合理配風為主要措施，輔以其它除塵設施，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。純掘進速度可根據刀盤每旋轉一周滾刀的切人深度和刀盤轉速來確定。刀具切入深度除了與巖石條件有關外，還取決于刀盤的結構，刀具的種類、數量及其配置等情況。提高機械的利用率是加快掘進速度的關鍵，這要求對其配套作業進行很好的組織。通常支護時綜掘機工作間斷時間過長，導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

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，采用預應力錨索加固，以控制拱頂下沉、底臌、兩幫收斂變形；針對兩拱肩應力集中區，采用加密錨桿、增大錨桿抗剪強度和剛度，控制剪切破壞區發展；針對兩側底角應力集中區，增設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，對破裂損傷區圍巖固結修復，并增強錨桿（索）的支護效果，確保巷道的長期穩定。

4.2.1錨桿（索）施工技術

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

（2）錨桿采用全長錨固?；茨系V區工程實踐已經證實，深井高應力軟巖條件下，端部樹脂錨固的難以保證達到預期的支護效果，要保持圍巖穩定，實現全長錨固至關重要

（3）錨注聯合支護?；茨系V區自2011年9月開始引入中空注漿錨索支護技術，先后試用于深井巷道修復加固、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的剪切滑移必將導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在兩個方面。一是對圍巖裂隙固結增強。注漿后，圍巖裂隙得到粘結，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力狀態。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力，在錨網噴支護的基礎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，提高圍巖強度，維護圍巖的穩定。

5 工程實踐

淮南礦業集團礦業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、皮帶機聯合出矸，月最高進度達到127m的好成績。

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

淮南礦業集團謝一礦-780m13槽地板運輸巷巖性主要以碳質泥巖、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，支護技術采用高預應力超強錨桿、錨索和網噴支護頂幫，反底拱控底拱，開挖一月左右采用滯后全斷面注漿固結修復圍巖。

6 結語

淮南礦區深部軟巖巷道掘進按照經濟指標、地質條件、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線主要以液壓鉆車配耙裝機+皮帶轉載機+（矸石倉）多礦車、牽引機車的作業線；綜掘機械化作業線主要以綜掘機、二運皮帶轉載機、皮帶轉載機、矸石倉、多礦車、牽引機車等為配套。

淮南礦區深部軟巖巷道主動支護技術采用錨桿全長錨固、底部錨桿支護和中空注漿錨索支護技術、圍巖開挖擾動區滯后注漿工藝，以聯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的相互作用， 來全面保持巷道圍巖與支護體系的長期穩定， 延長巷道的修復周期，滿足現代化高效煤炭生產發展的要求。

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