深井高應力軟巖巖巷支護技術研究

摘 要：本文重點針對新汶礦區埋深大、高地應力帶來的巷道支護難題，研究新汶礦區深井高應力軟巖巷道支護技術。首先通過地應力測試和圍巖分類為選擇合理的支護方式提供依據，通過選擇合理的斷面形狀提高巖巷承載能力，通過優化巷道布置，研發高強錨桿、錨索、高強W鋼帶等深部巷道支護材料，采用高強錨桿一次支護、聯合支護、讓壓支護、鋼管混凝土支架強力支護等多種支護方式確保了深井高應力巖巷及大斷面硐室支護安全。

關鍵詞：深井 高應力 巖巷 支護技術

中圖分類號： TD353 文獻標識碼：A 文章編號1672-3791（2015）05（a）-0000-00

隨著煤炭資源的不斷開采，淺部資源量逐漸減少，我國東部礦區煤礦開采深度以每年10-25m的速度迅速增加，東部多數礦井已經進入深部開采時代。新礦集團目前有8對礦井采掘深度超過1000米，有4對最大采深超過1200米屬超深井開采。集團公司最大回采深度達到1280米，最大掘進深度達到1501米。目前新礦集團老區礦井有效可采儲量有44%在千米以下。深部高地應力造成巷道支護困難，特別是深部巖巷，由于服務年限長，后期巷道圍巖破壞嚴重，巷道失修率不斷增加。

1深井高應力巷道支護困難

隨開采深度增大，地應力顯著增大， 礦壓顯現強烈，巷道變形量明顯增大，給生產系統安全運行帶來嚴重問題。個別礦井最大水平應力達到39.13MPa。由于地應力的升高，在淺部相對較硬的圍巖，到達深部后成為“工程軟巖”，表現出強烈的擴容性和應變軟化特征，巷道巖體強度降低，巷道與支護體破壞嚴重，半圓拱巖巷表現為拱部以上巷道變形嚴重，失去原有的拱形特征，最大變形量超過0.9米；煤巷半煤巷主要表現為頂板下沉、底板鼓起、幫部鼓出，據部分統計，深部巷道實際返修比例高達90%以上。

2 深井高應力巷道支護體系

2.1 深井高應力巷道變形特征

由于深部巷道開挖前處于高應力環境中的平衡狀態，一旦巷道開挖，原平衡狀態即遭到破壞，主要表現為巷道圍巖變形，通過現場實測發現具有巷道圍巖變形量大、初期變形量大、圍巖變形持續時間長、圍巖變形易受擾動、圍巖變形的沖擊性等特點。

新汶礦區深部巷道圍巖變形與破壞主要受三方面的因素影響：其一是巷道圍巖地質賦存條件，包括煤巖體物理力學性質，節理、裂隙發育程度及地質構造；其二是巷道工程賦存環境，主要包括地下水環境、應力環境和溫度環境；三是巷道施工因素，包括巷道類型，斷面形狀及尺寸，開挖方式以及支護形式、支護參數和支護時機等。

2.2 進行地應力測試和圍巖分類

搞好深部巖巷支護，需要對新汶礦區不同地域、不同煤巖層的地應力、煤巖層賦存情況進行測試，為此對開采深度較大的孫村煤礦、協莊煤礦、華豐煤礦、潘西煤礦選取了13個施工地點進行地應力測試，測出了各煤巖層的最大水平主應力、最大水平主應力方向、垂直應力、最小水平主應力，同時進行了鉆孔的窺視工作，得到了不同支護及不同巖層巖性及節理和裂隙情況，為深部巷道合理支護設計提供了依據，形成新汶礦區深部高應力巷道合理支護參數選擇方法。

2.3 優化全巖巷道斷面形狀

提高巷道支護效果的重要手段之一是選擇穩定的斷面形狀。一般認為圓形巷道四周受力均勻，能夠適應于軟巖或高地應力的條件。 在圍巖穩定的條件下，可選擇形狀簡單的折線型巷道斷面，在圍巖不穩定的條件下，可選擇形狀復雜的曲線型巷道斷面。根據不同的埋深、圍巖條件、技術條件、用途、服務年限等選擇不同的巷道斷面形狀。目前新礦集團深部巖巷一般選擇馬蹄形、橢圓、半圓拱、曲墻拱型斷面。

2.4 優化全巖大巷巷道布置

依據測定的最大水平應力方向布置巷道，確保巷道在低應力下掘進。最大水平主應力的大小及方向是影響錨桿支護巷道圍巖穩定性的關鍵因素之一，經過理論分析，相同煤柱時，最大水平主應力與巷道夾角為90°時煤柱的變形量約為夾角0°時的1.3倍，巷道底鼓量約為夾角0時的2.2倍，因此最大水平主應力與巷道軸線的夾角愈小愈有利于巷道圍巖的穩定。

2.5 深部高應力巖巷支護方式

深部全巖巷道的支護方式先后經歷了架棚支護、錨噴支護、錨網噴支護、錨網噴二次支護、高強錨桿錨噴一次支護等。高強錨桿錨噴一次支護工藝分為初期支護、錨網支護、噴漿三部分。目前新礦集團深部主流的支護方式為高預應力強力錨桿一次支護，實現一次支護有效控制圍巖變形與破壞，避免二次支護和巷修，并以此為基礎衍生了集多種支護方式于一體的復合型支護。

2.5.1 高強錨桿一次支護+鋼棚讓壓加固

華豐煤礦-1180東巖巷埋深1298米，所穿過的巖石大部分為粉砂巖、中砂巖，巖石傾角30～34°，自重應力28Mpa，還存在著較高的水平構造應力，在35～47 Mpa之間。圍巖擴容碎脹變形量較大，圍巖松動圈較大，一般大于2000mm，錨桿很難深入到穩定堅硬巖層中，錨桿全長都錨固在松動圍巖內，屬典型的深部高應力軟巖巷道。采用錨網噴支護作為永久支護，支護材料為一次支護頂部使用MSGLD-600（X）等強螺紋鋼樹脂錨桿，其余使用MSGLD-335全螺紋等強錨桿，滯后迎頭10m范圍正頂及下肩窩處各補打一根φ22×6300mm鋼絞線錨索。一次支護后滯后迎頭40m內按間距1000mm支設U29型鋼棚作加強支護。支護斷面如下圖2所示：

2.5.2 高強錨桿+鋼筋網+錨索聯合支護

潘西煤礦-1100西大巷開門處底板標高-1101.1m，巷道東部臨近-1100m皮帶暗斜井，南部臨近6198運輸巷，西、北部為未開拓區，巷道埋深1320.6～1339m，垂深較大。采用錨網噴+點式錨索聯合支護。巷道采用MSGLW-600/22×2400mm無縱肋螺紋鋼式樹脂錨桿配150×150×10mm的高強托盤、450×280×8mm的強力W鋼護板壓Φ6mm的鋼筋網進行支護。噴層總厚度為120mm，巷道拱部及兩幫采用點式錨索加強支護。錨索選用Φ22mm、19股高強度低松弛預應力鋼絞線，所用錨索長度為4.3m，采用300×300×16mm高強度可調心錨索托板。如圖3所示：

2.6 深部全巖大斷面硐室支護技術

深部大斷面硐室由于受高地應力、開采擾動、大斷面的影響，普通的支護方式已不能有效進行支護，因此試驗了鋼管混凝土支架支護以及錨網噴+錨索桁架聯合支護兩種支護方式。

2.6.1 鋼管混凝土支架強力支護

華豐煤礦由于受深部高應力和工作面采動影響，-1100泵房周圍巖體松動圈增大，部分U29型可縮性支架被壓壞，原有支護方式已不能滿足需要。2012年初，同中國礦業大學合作，對-1100泵房進行擴修。支護方式采用采用噴錨噴、錨網噴支護，后部采用錨索進行補強支護，最后集中架設鋼管混凝土支架作加強支護。鋼管混凝土支架是在鋼管外殼內填裝混凝土組成的構件，工作原理是借助鋼管外殼的約束左右，使混凝土處于三向受壓狀態，從而使夾心混凝土具有更高的抗壓強度和抗變形能力，內填混凝土和鋼管支架共同承受軸向壓力，由于其有圓柱狀外形，不僅具有慣性矩大的特點，而且無異向性，不易扭曲變形，承載能力是相同重量U型鋼支架的3～4倍。-1100泵房采用斜墻半圓拱形鋼管混凝土支架支護，墻腿外插以抵御兩幫來壓；鋼管混凝土支架外部預留0.5m的讓壓空間，保證支護效果；整個泵房內支架采用鋼絲繩柔韌性穿背形成一個整體，提高安全系數。通過礦壓觀測資料看，該支護比U形鋼支護效果明顯，巷道收縮量小于200毫米，底鼓量明顯減小，能有效控制巷道變形，降低巷道修復率，為礦井深部大斷面、高地應力支護提供了借鑒。目前在礦井深部大斷面硐室和永久巷道等支護薄弱地點采用該支架300余架。

2.6.2 錨網噴+錨索桁架聯合支護

潘西煤礦-1100中央泵房及管子道該位于-1100水平，自-1100變電所導F點以東25m處開門，開門標高-1099.9m，東臨-1100暗管子井，西接-1100變電所，南部為未開拓區，北臨-1100通過線。巷道采用Φ22×2400mm抗沖擊高強錨桿配高強托盤、W護板壓鋼筋網進行支護，錨桿間排距為800×800mm，每根錨桿采用兩支MSK28/500型樹脂錨固劑錨固。鋼筋網采用Φ6mm的鋼筋焊接，噴漿到迎頭的距離不大于30m。選用Φ17.8mm高強度、低松馳、粘結式1×7鋼絞線，所用錨索長度為6m，按錨索桁架布置加強支護，錨索桁架排距為1.6m，錨索間距1.3m。

2.7 深部巷道支護材料

為適應深部巷道支護的需要，先后研發了無縱肋螺紋鋼式樹脂錨桿、熱軋細牙等強螺紋鋼式樹脂錨桿以及配套高強錨固劑、高強W鋼帶等支護材料，引進了美國捷馬錨桿，研發了注漿錨索等支護材料。

3支護效果

3.1 有效控制了巷道變形

經實測，深部巷道表面位移和頂板離層比以往降低50%以上，巷道基本不需要大規模維修，滿足了生產要求。局部地段如過斷層、構造帶初期圍巖變形量仍較大，但通過補打錨桿、錨索，有效控制了圍巖變形破壞，圍巖穩定性和安全程度得到保證。

3.2 失修巷道明顯減少

目前集團公司失修巷道長度10319米，比2010年減少50%以上，嚴重失修巷道長度1118米，巷道失修率0.99%，巷道嚴重失修率0.11%，同比巷道失修率減少0.39%、嚴重失修率減少0.05% 。

4結語

重點研究了深部高應力巖巷支護體系，進行地應力測試和圍巖分類為選擇合理的支護方式提供依據。選擇合理的斷面形狀提高巖巷承載能力，通過高強錨桿一次支護、聯合支護、鋼管混凝土支架等多種支護方式確保了深井高應力巖巷支護安全。

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