1、专题部分深井巷道支护技术初探摘要：分析了深井巷道围岩变形破坏机理、巷道支护原则,阐述了深井巷道控制关键技术，并简单介绍了让压支护技术及卸压孔在深井巷道中的应用与实践。关键词：深井巷道；围岩控制Abstract : Surrounding rock deformation destroy mechanism and roadway support principle of deep well mining roadway are analyzed, introduces the key technical problems of deep entry support. In view of pr
2、actice and application on relief hole technology in the deep roadwayKeyword：deep entry; Surrounding rock control1 前言随着煤矿采深的逐年递增，矿压显现特征明显不同于浅部开采。随着采深的加大，地应力和构造应力随之增大，地质条件更加复杂，巷道变形严重，维护非常困难，并且前掘后修、重复翻修的现象经常出现，深部巷道的支护难题成了制约我国煤炭深部开采和安全生产的重大问题之一。深井巷道矿压显现特征主要表现为：地应力增大，垂直应力向两帮转移；巷道围岩自稳时间短；巷道围岩具有明显的时间和流变效应；
3、巷道掘进初期变形速度大且趋于稳定的时间长；巷道底鼓严重；巷道围岩变形破坏具有区域性，松动破碎及离层区增大；动力现象发生的频率和强度增大。2 深井巷道破坏机理及支护形式典型破坏分析2.1 深井巷道破坏机理在深井巷道开挖之前, 岩体处于三向受压的高地应力状态中, 且处于平衡状态。巷道开挖后, 巷道围岩的围压解除, 围岩应力重新分布, 切向应力增大而径向应力减小, 应力差增大。在低围压、高应力差作用下, 巷道围岩迅速发生破坏。随着破坏向围岩深部发展到一定范围, 围岩又处于平衡状态。巷道围岩破坏是逐渐进行的, 破坏区从出现、扩展到最终稳定下来是一个渐进的过程。围压及应力差的大小对深井动压巷道围岩变形破
4、坏有重大影响。随着围压的增加, 岩石的峰值强度和残余强度相应增加, 其差值逐渐缩小。在低围压的作用下, 岩石呈现脆性, 表现出明显的塑性应变软化特性; 在高围压的作用下, 岩石从脆性转为延性, 表现出塑性强化特性。在深部开挖巷道后, 引起大的应力差, 造成浅部围岩应力重新调整, 使巷道浅部围岩中原本闭合的结构面张开滑移, 并产生新的裂隙, 使围岩强度降低。高的应力差不仅改变浅部围岩应力状态和强度, 而且也改变了浅部围岩的水文地质条件, 水沿张开裂隙的渗流, 进一步降低了浅部围岩强度, 使巷道浅部围岩破碎。在受到采动影响后, 由于浅部围岩比较破碎, 巷道支护所能提供的围压较小。因此, 应力差进一
5、步增大, 引起巷道深部围岩屈服破坏, 造成大的变形。如图2-1所示。图2-1 体积应变与围压关系曲线 通过上述分析，我们可以得知深井巷道支护存在着下列问题：（1）地压大深部开采以后，如果只考虑自重应力的作用，原岩应力可达20MPa左右，而地层一般都经历过强烈的构造运动，故在煤系地层中赋存了较高的构造应力，以致于一般情况下原岩应力高于岩体自重引起的应力，由于原岩应力本身基数较大，浅部表现为普通坚硬的岩石，在深部可能表现出软岩的大变形、难支护的特征，对支护造成极大的困难。（2）掘巷初期变形速度大与浅部相比，巷道从使用期间维护困难已发展到掘进期间就维护困难，在掘出后巷道变形速度大,变形速度随时间的延
6、续呈负指数曲线急剧衰减,经过一定时间后趋于稳定。（3）巷道变形、收敛大，返修率高在巨大的围岩应力作用，深井巷道的破裂范围往往较大，部分巷道及回采顺槽还要遭受采动的影响，因此，深井巷道的维修工作量大、周期长,维护费用高。若支护形式选择不合理,则巷道变形、破坏更加严重，巷道翻修率可达40%80%,部分巷道返修率甚至高达100%。（4）巷道底鼓量大深部开采的巷道底鼓现象具有普遍性。随开采深度增大,易于产生底鼓的巷道比重越来越大，成为影响矿井安全生产的极大难题，当底鼓量较大时，如果不能采取有效的修复方式，还会造成后期的二次乃至数次修复，进一步加剧巷道围岩破坏，最后导致整个巷道失稳。2.2 深井巷道支护
7、形式典型破坏分析深井巷道地质工程条件更加复杂，巷道支护破坏的形式多种多样。某矿-920 m 西二辅助运输大巷采用架锚支护形式后，巷道顶板破坏主要出现尖顶破坏，V 形顶破坏，水平扭转、错位破坏等形式，如图2-2所示。图2-2 巷道顶板破坏形式-780 m 南翼运输大巷采用架锚注支护形式后，帮部仍然发生跪棚、棚腿扭曲破坏形式；锚索存在脱锚、钢绞线抽丝破坏，锚杆由于地应力发生拉断、受剪破断，如图2-3所示。图2-3 巷道支护破坏形式巷道围岩破坏有其客观原因及主观原因。客观原因主要是：采深。采深增加，造成高地应力，巷道围岩破裂区范围增大。 岩体强度。深井围岩有软岩特征，流变性明显，强度降低。地质构造。
8、地质条件更复杂，地质异常带围岩松散破碎。围岩应变软化系数。同等应变水平，深井围岩强度衰减幅度更大。深井开采地温、湿度、瓦斯等综合耦合作用对支护体的腐朽作用。主观原因主要是：支护方式。支护方式要能适应巷道围岩变形特征。支护设计参数。锚杆锚固长度，锚索钢绞线规格等参数不合理将导致围岩变形大。施工质量、组织管理制约支护体性能的充分发挥。动压。深井采掘动压影响显著。3 深井巷道控制3.1 深井巷道围岩控制根据巷道围岩应力、围岩强度及它们之间的相互关系,选择合适的巷道布置、保护及支护方式,降低围岩应力,增加围岩强度,改善围岩受力条件和赋存环境,是深井巷道围岩控制的基本原理，主要控制关键归结为优化巷道布置
9、和加强巷道保护及支护形式：1）优化巷道布置（1）做好建井前的资料收集与分析。对于井田区域的水文地质,含煤地层岩性、构造、邻近矿井开采情况等资料，应收集完整详实，以便为矿井设计提供可靠的依据。（2）优化矿井开拓设计。新建深井宜采用主井多水平开拓方式，井筒及主要开拓巷道要避开大的构造应力集中区,布置于坚硬岩层中，加大水平垂距,尽量采用集中大巷和集中石门布置方式,减少服务年限长的巷道。对于老矿井,在延伸时要提前有进入深井的思想准备,布置上可以考虑斜立结合。（3）合理布置巷道。对于巷道布置,应优先考虑服务年限较长的巷道位置；对于采区布置上,应尽量减少准备巷道工程量,尽可能增加工作面的走向长度和倾斜长度
10、。2）加强巷道保护及支护形式浅部原岩大多尚处于弹性状态，而进入深部以后，由于围岩内赋存的高地应力和围岩体低强度之间的突出矛盾，工程开挖后二次应力场形成引起的高度应力集中导致近表围岩受到的压剪应力超过围岩强度，导致围岩开挖后的快速劣化，裂隙由表及里快速萌生与扩展，很快导致一定范围内的围岩破坏失稳进入峰后或残余强度阶段，超出围岩强度的应力向深部转移，导致开挖扰动引起的二次应力影响区和围岩破裂损伤区的范围远远超过浅部。因此，深井巷道的支护关键如下：（1）及时支护。巷道开挖后要在最短的时间内，最大限度地恢复巷道自由面上的法向应力，将巷道开挖后的二向应力状态恢复至三向应力状态，改善因开挖导致劣化的近表围
11、岩的应力状态，提高围岩的自承能力。（2）锚杆加固。采用高强支护加固措施增强围岩，提高围岩固有抗剪强度，形成具有较高承载能力和可塑性的锚固层，严格限制围岩沿原生裂隙和次生破裂滑移面的剪切变形。（3）围岩注浆。对破裂区围岩进行固结，修复损伤区围岩，恢复提高围岩的完整性和整体强度。（4）关键部位锚索补强。预应力锚索将下部锚杆支护形成的锚固承载结构整体悬吊于深部围岩中，既能恢复改善围岩应力状态、增强围岩，又能将靠近巷道浅表一定范围内的高应力峰值向围岩深处转移，实现围岩承载圈范围的扩大。（5) 应力转移。包括开掘卸压巷、卸压槽、卸压钻孔和爆破松动卸压等。加强巷道两肩及两底角部位的支护, 如用锚索、注浆锚
12、杆加固后使地应力转向深部, 维护巷道的稳定。（6) 二次支护。理论和实践证明, 采用一次强阻力刚性支架来维护围岩是不适应深井动压巷道初期变形量大、变形速度快的特点, 应采用二次支护。一次支护主要是加固围岩, 提高其残余强度, 在不产生过度膨胀、剪胀变形的条件下,利用二次支护使围岩应力以变形的形式得到释放。根据巷道的支护原理:PT = PD + PR + PS,式中, P T 为巷道开挖后向临空运动的合力, 包括围岩重力、水作用力、围岩膨胀力、构造应力和工程偏应力等; P D 为以变形转化的工程力; PR 为围岩自承力; P S 为工程支护力。巷道开挖后, 变形逐渐加大。按围岩变形速度可划分为3
13、个阶段: 即减速变形阶段、近似线性的恒速变形阶段和加速变形阶段。当进入加速变形阶段时, 岩体结构发生改变, 产生新的裂纹, 强度降低。但是,加速变形阶段可以使P D趋于max。解决这个问题的关键是最佳二次支护时间的确定, 最佳二次支护时间就是使( PR + PD ) 达到最大的支护时间T。如图3-1所示。图3-1 最佳支护时间Ts 的意义3.2 深井巷道支护关键技术浅析1) 高强预应力让压锚杆图3-2 高强高预应力让压锚杆结构图采用KMG500 以上的强度, 锚杆长度不小于2m, 直径不小于22mm, 锚固端长度不小于700mm; 锚杆间排距700 900mm, 锚固力大于200kN, 预应力
14、100kN, 预紧力不小于50kN, 带让压环及拱形托盘, 可转向垫圈螺母, 这种结构能强抗微让的作用, 不使锚固层与原岩产生明显的裂隙。如图5所示。2) 高强预应力灌浆锚索选用型号为NTMS6- 5000- 8000 的锚索, 直径不小于171 78mm, 长度6 8m,破断拉力大于360kN, 预应力大于150kN ,锚固端长度大于1000mm。根据巷道断面大小可布置2 6 根, 但在巷道两肩的关键部位应设置锚索, 间排距一般取1600 2400mm, 如能配合工字钢、U 型钢使用锚梁加固效果更好。锚索安装后要预留注浆孔, 随后进行注浆加固。3) 注浆锚杆加固围岩注浆锚杆不仅将松散的围岩胶
15、结成较致密的岩石拱, 充填了原生和此生的裂隙, 而且也起到了封水的效果, 防止高压渗水使岩层软化或膨胀, 另外, 注浆锚杆也起到加密锚固的作用。注浆锚杆一般选直径为2225mm 无缝钢管, 长度11 5 21 5m, 在锚杆周围钻有射浆孔, 外端连接止浆阀。如图6、7所示。注浆加固的关键是注浆水灰比、注浆压力、流量和时间的相关性。注浆液的水灰比为0.5 0.7 的普通硅酸水泥, 加2%的高效早强减水剂。注浆压力一般是2 3MPa, 但要视围岩裂隙和进浆情况进行调整, 每孔注浆量一般为50 80kg 水泥, 最高可达100kg以上, 但要掌握其扩散半径不宜超过锚固范围的11 5 倍, 最好在锚固范围内。注浆7 天后可打检查孔检查注浆效果,如不大于1MPa 仍进浆, 说明注浆效果不好, 需重新注浆直至合格。另外, 岩面爆破后立即喷射混凝土防风化、离层, 然后打锚杆、挂网复喷, 锚杆托盘要紧贴岩面再施加预紧力, 网的压茬要贴墙, 防止空洞等都是应注意的关键技术。图3-3 注浆锚杆结构图图3-4 高压注浆锚杆结构图4 深井巷道支护技术实例4.1 让压、均压基本理论和锚杆研究设计4.1.1 让压、均压支护基本理论巷道开挖后, 围岩将发生变形甚至破坏。巷道支护的目的是为了在保证围岩不被破坏的前提下, 控制部分围岩的
