張雙樓礦1.2Mta新井設計【含CAD圖紙+文檔】

張雙樓礦1.2Mta新井設計【含CAD圖紙+文檔】,含CAD圖紙+文檔,張雙樓礦,mta,設計,cad,圖紙,文檔 專 題 部 分 專題部分 深部礦井巷道支護技術 摘要 據(jù)了解，我國煤礦開采深度以每年8-12m的速度增加，部分煤礦開采深度已經超過1000m。隨著我國煤礦巷道服務 年 限 加 長，采 深 度 增 加，安徽、山東、河南地區(qū)煤采掘接替日趨緊張，錨網支護巷道受動壓影響也出現(xiàn)變形局部跨落冒頂?shù)葐栴}，特別是靠近采空區(qū)一側的巷道礦壓顯現(xiàn)特征與淺部的緩傾斜煤層呈現(xiàn)明顯不同，傳統(tǒng)的支護及常規(guī)的施工方法已不能滿足安全生產的 需 要。隨著開采逐漸向深部轉移，垂直和水平應力的不斷提高，使得巷道變形底臌失修等問題便得 更 加 突 出，嚴重影響了礦井的安全高效生產。區(qū)段巷道壓力較大維護困難，巷道維護問題已成為制約生產的主要環(huán)節(jié)。 另外，在深部高應力環(huán)境中，在淺 部 表 現(xiàn)為硬巖特性的巖層也表現(xiàn)為軟巖特性，巷道圍巖長期變形不止 目前，深部巷道變形大已經成為深部工程安全的瓶頸之一，成 為 國 內 外 研 究 的 熱 點。 本文討論了埋深大于800m的深部礦井巷道及其支護技術存在的主要問題，并對影響巷道穩(wěn)定的主要因素進行了分析，提出了深部礦井巷道的支護技術，并結合一些礦井的現(xiàn)場實踐結果，對巷道支護技術進行了總結，對于類似地質條件下巷道支護具有一定的借鑒價值。 關鍵詞：深井巷道支護；穩(wěn)定因素；錨桿支護技術；監(jiān)測；高應力 1深井巷道及其存在的主要問題 1.1深井巷道的概念 目前國內井工開采的煤炭70﹪的產量來自埋深400m以下的地層中，而巷道的穩(wěn)定性由礦井埋深和巖性兩個主要因素決定。一般認為開采深度大于800m的礦井為深井。隨著開采深度的增加，巷道礦山壓力也在增加，基本趨勢如圖1所示 1.2深井巷道存在的主要問題 ⑴ 原巖應力大 原巖應力與開采深度呈線性關系，深度越深，原巖應力越大。同時，圍巖移近率隨采深的加大也和應增大。 ⑵ 構造應力顯現(xiàn)加劇 構造應力是由于地殼構造運動在巖體中引起的應力.對于深部巷道，構造水平應力一般均大于自重應力。在構造應力集中帶，由于構造應力的作用，薄層頁巖頂板一般沿層面滑移，厚層砂巖頂板則以小角度或小斷層產生剪切，從而失穩(wěn)冒落；在高水平應力作用下，巷道首先從支護弱面即直接底板破壞，導致底鼓；而兩幫產生很大的拉應力，導致兩幫破裂、鼓出和塌落，兩幫比頂板破壞深度更大，從而引起頂板巖層破壞進一步發(fā)展。 水平應力大小及方向變化很大，較難預側和理論計算，所以實測地應力對深部巷道支護設計有著重要價值。 ⑶ 巖體強度降低 隨著礦井開采深度的加大，巖體強度明顯降低。由于采深增加，巷道周邊的集中應力超過了圍巖的自身強度，致使圍巖移近率相對增加，巷道周邊塑性區(qū)范圍擴大。在塑性區(qū)范圍內，巖石內聚力與內摩擦角迅速下降，致使巖體狀態(tài)惡化。 ⑷ 變形呈軟巖特性 由于深部巷道圍巖應力大，圍巖強度降低，圍巖孔隙率增大，加上地質構造發(fā)育的影響，導致巷道變形呈軟巖特性。 ⑸ 頂板離層嚴重 層理、節(jié)理或裂隙發(fā)育的頂板，在強自重應力作用下，特別是下軟上硬頂板，深部比淺部離層更為嚴重，且遇水呈片狀破碎。 ⑹ 沖擊地壓發(fā)生頻率及強度增大 礦井采深越大，自重應力越大。在堅硬頂板條件下。巷道圍巖或煤體積聚的彈性能也增大，特別在構造應力集中區(qū)，當支架-圍巖作用平衡體受到諸如放炮等因素誘發(fā)而失穩(wěn)時，更易發(fā)生沖擊地壓。例如徐州礦區(qū)自1991年7月10日在權臺煤礦發(fā)生首例沖擊地壓以來，已先后在三河尖、張集、旗山、張小樓等礦(井)發(fā)生20多次沖擊地壓。 1.3巷道變形破壞形式 (1)頂板下沉，出現(xiàn)離層破壞現(xiàn)象。變形破壞主要是由 于頂板下沉量超過支護允許范圍，引起頂板中間下墜，兩側 切斷等。 (2)底臌。巷道底板一般不支護，受壓引起底臌，底臌一 般在300～600inln，部分巷道可達600ram以上，影響巷道斷 面、軌道運輸?shù)取? (3)巷道兩幫擠壓。兩幫擠壓使巷道兩幫片幫、臌出、引 起支護破壞、斷面縮小等，影響使用。 (4)錨噴巷道噴層開裂和剝落，形成網兜 2. 深井礦壓規(guī)律 2.1地應力 豎向垂直壓力主要來自于上覆巖層自重壓力P。即： P=kγH 式中： P——上覆巖層壓力，t/m2； ——巖層容重，t/m3； H——深度，m； k——與巖層性質有關系數(shù)。 從上式可以看出，在同類圍巖條件下，巷道埋深越大，地應力相對越大。 2.2 主應力方向對巷道穩(wěn)定的影響 原巖地層中的任一點的盈利處于平衡狀態(tài)，巷道開挖后，由于褶曲、斷層、火成巖侵入等地質作用，圍巖盈利重新分布，巷道周圍應力不均等，造成巷道不同形式的破壞。應力方向分為垂直應力和水平應力，因此主應力方向與巷道方向的關系影響其穩(wěn)定性。見圖2。 (1)當巷道軸向與最大水平主應力方向平行時，受水平應力影響最小，對巷道的穩(wěn)定最為有利。 (2)當巷道軸向與最大水平主應力方向垂直時，受水平應力影響最犬，對巷道的穩(wěn)定最為不利。 (3)最大水平主應力方向與斜交的巷道，巷道一側出現(xiàn)應力集中而另一側出現(xiàn)應力釋放，因而巷道的變形破壞會偏向某一側。 ⑷水平應力大于垂直應力，容易產生底臌，巷道不穩(wěn)定。 2.3開采深度與巷道圍巖的變形關系 開采深度對巷道圍巖的影響十分復雜，除與巷道的圍巖性質密切相關外，如受采動影響的巷道，則與護巷方式和周圍采動狀況等也有密切關系。根據(jù)我國的研究成果，可得開采深度與巷道維護之間的一般關系如下: (1)巖體的原巖應力即上覆巖層重量，是在巖體內掘巷時巷道圍巖出現(xiàn)應力集中和周邊位移的基本原因。因此，隨開采深度增加，必然會引起巷道圍巖變形和維護費的顯著增長。 (2)巷道的圍巖變形量或維護費用隨采深的增加近似的呈線性關系增長。 (3)巷道圍巖變形和維護費用隨開采深度的增長的幅度，與巷道圍巖性質有密切關系，圍巖愈松軟，巷道變形隨采深增長愈快，反之，圍巖愈穩(wěn)定，巷道變形隨采深增長愈慢。 (4)巷道圍巖變形和維護費用的增長率還與巷道所處位置及護巷方式有關，開采深度對卸壓內的巷道影響最小，對位于煤體內巷道及位于煤體-煤柱內巷道的影響次之，對兩側均已采空的巷道影響最大。 前蘇聯(lián)對礦井開采深度與巷道穩(wěn)定性的關系進行過大量研究，認為深部巷道礦壓顯現(xiàn)的一個主要特點是在巷道掘進時就呈現(xiàn)圍巖強烈變形，且在掘進后圍巖長期流變，使巷道支架承受很大壓力。淺部開采時表現(xiàn)不明顯的掘巷引起的圍巖變形，在深部開采時顯現(xiàn)十分強烈。根據(jù)在頓巴斯礦區(qū)進行的大量巷道礦壓觀測，提出了深部巷道掘進初期圍巖移近量的計算公式為: 式中: 、——頂板、兩幫在掘進后t時間內的位移量，cm； t——時間，d; 、—頂板,兩幫作用在支架上的壓力，kN/㎡ ； γ——巖石容重，kN/m'； H——巷道所處的深度，m； R—巖石單軸抗壓強度，kPa； Ro—尋求常數(shù)時引人的單軸抗壓強度，3000kPa； b—巷道所處的深度，cm； h—巷道高度，cm； 由此可以看出隨著開采深度的增加，維護時間的增長，巷道變形將逐漸增加，維護也越困難。 3影響巷道穩(wěn)定的因素 3.1 穩(wěn)定性系數(shù) 影響巷道穩(wěn)定的因素有很多，研究認為，埋深600～1200m的巷道圍巖穩(wěn)定性指數(shù)表示，圍巖自穩(wěn)指數(shù)小于1，指數(shù)越小巷道越穩(wěn)定。 S=γh/R S——圍巖穩(wěn)定性系數(shù)； R——巖石單項抗壓強度； 3.2 影響因素分析 1 巖石力學性質 包括強度、孔隙度、吸水率、膨脹性、崩解性等，但主要的是堅固性系數(shù)f，即R值。 2圍巖性質及構造特征影響 圍巖的性質包括巖體的強度、節(jié)理發(fā)育和分布情況、分 層厚度等，圍巖強度越低、節(jié)理越發(fā)育、分層厚度越小，則巷 道越不穩(wěn)定，越易變形破壞。以良莊礦為例一580中央泵房布置 在強度高、完整性好的十一層底板砂巖中，采用直墻半圓拱 支護，受上覆西51104面跨采影響兩幫變形量僅為20mm，頂 板移近量僅為26mm，支護狀況完好。而相同條件下處于圍 巖強度較低、完整性較差的一580總回風巷粉砂巖段，跨采影 響兩幫移近量平均94mm，最大為119mm，頂?shù)滓平科骄?233mm。 3開采深度的影響 隨著開采深度的增加，巷道上覆巖層重量加大，形成的 支承應力增高，巷道的變形及破壞的程度加大。此外，原始 巖溫也隨著開采深度的增加而增高，溫度升高會使圍巖由脆 性變形向塑性變形轉化，容易使巷道產生塑性變形。 4原巖應力的影響 在巷道掘進初期和采動影響期問，原巖應力是引起采場 礦壓顯現(xiàn)、使巷道圍巖應力重新分布并導致變形失穩(wěn)的力 源。巷道圍巖變形隨著最大主應力方向與巷道軸向夾角a 的改變而變化，0=0。時對巷道穩(wěn)定最有利，0=90~時最為不 利。 5地質構造影響 地質構造通常是由松散的巖塊所組成，在地質破碎帶內 開掘巷道很容易產生巷道冒頂事故。另外，巷道靠近大的斷 層構造，也對巷道產生較大的影響，影響程度與斷層的產狀、 落差、圍巖性質，巷道與斷層距離等因素有關。如南冶礦3 采區(qū)，西翼上下部被H=30m的斷層切割，東翼下部被H： 112m大斷層切割，中部H=20～30m傾斜斷層穿過。西翼壓 力小，東翼及中翼壓力大。布置在西翼的3207西巷，從開掘 至回采影響階段，兩幫移近量為74mm，頂?shù)滓平繛?7mm， 而位于東翼的320r7東巷，從開掘至回采影響階段，兩幫移近 量為259mm，頂?shù)滓平繛?95mm。 6巷道與開采關系影響 對同一條巷道，回采引起的圍巖變形量要比掘進階段大 得多，如東51101回風巷，掘進開挖及穩(wěn)定階段兩幫變形量為 11lmm，頂?shù)滓平繛?1mm，而回采影響階段兩幫移近量為 473mm，頂?shù)滓平繛?73mm。巷道是受一側還是兩側采動 影響及受采動影響次數(shù)，都對巷道的變形破壞影響較大。另 外，巷道布置在采空區(qū)上下部，還是布置在煤柱支承壓力帶， 是跨采還是留設煤柱，是留單側煤柱還是留雙側煤柱，跨采 期問巷道是無煤柱送巷還是留煤柱掘巷，以及掘巷時上區(qū)段 采空區(qū)穩(wěn)定程度等，也將對巷道礦壓顯現(xiàn)產生不同影響。 7巷道麓工方式、質量、支護方式影響 采用不同的巷道支護方式，對于巷道圍巖的完整性有重 要影響。巷道采用爆破施工時易使圍巖破壞，如爆破參數(shù)選 擇合理，成型好、對圍巖破壞程度低，有利于巷道穩(wěn)定。采用錨桿支護還是采用剛性金屬 支架支護，對巷道的控制效果影響較大。剛性金屬支架本身 沒有可縮性能，通過棚腿插入底板，架棚后破碎矸石壓縮，以 及支架撓曲變形等適應巷道圍巖變形。剛性支架使用最多 的是工字鋼梯形支架，一般用于巷道頂?shù)装逡平坎淮笥?200ram，巷道斷面不大于10平方米的I、Ⅱ類固巖回采巷道中。 如：4208運煤巷開始使用工字鋼梯形棚支護，掘后巷道阿巖 變形量大，70％被壓壞，前掘后修，改用錨網帶支護后，效果 較好，巷道圍巖變形量兩幫僅為55nml、頂?shù)變H為97nun。錨 桿支護具有加固拱、組合梁、懸吊等作用，在深部巷道符合錨 固平衡拱原理，是一種主動支護形式，能夠解決深井巷道支 護難題從而被廣泛使廂，但錨桿的材質、類型、施工質量等對 支護效果影響較大。 另外，還有巷道斷面形狀等因素的影響。 8支護材料與結構形式 主要是支護材料的強度、剛度和彈塑性。結構形式主要指改變圍巖應力狀態(tài)的方式，如錨桿、錨索起懸吊、擠壓、加固作用，網噴起表面封閉和調節(jié)應力集中作用;注漿則將松散破碎巖體粘結成整體，起固結強化并改善圍巖應力狀態(tài)等主動支護作用。 9支護參數(shù) 支護參數(shù)主要指材料的強度、規(guī)格、型號，結構原理、方式，支護結構在圍巖中的布置密度、形式等。如錨桿材料、錨固形式，直徑、長度、錨固力、預緊力。錨桿布置方式、間排距等。重點是支護強度大于外力臨界值。 10施工工藝與質量 開挖方式對圍巖擾動程度和范圍不同，所以光面爆破，降低裝藥量是保護圍巖的有效方法;支護順序和時間;支護設備及工藝過程;施工操作執(zhí)行力;檢驗評價方法;質量管理及控制體系等。前五條是客觀因素，后五條是主觀因素。 4深部巷道圍巖變形規(guī)律 認識深部巷道圍巖變形特征是分析圍巖變形破壞機理和確定支護對策的前提條件。 4.1深部巷道圍巖具有軟巖的力學特征 隨著我國淺部煤炭資源的枯竭，地下開采深度越來越大，在深部高應力環(huán)境中，淺部表現(xiàn)為硬巖特性的巖層呈現(xiàn)出軟巖特性，巷道圍巖長期變形 目前，深部巷道大變形已經成為深部工程安全的瓶頸之一，深部軟巖巷道穩(wěn)定問題已成為國內外研究的熱點 為了系統(tǒng)解決平煤股份四礦深部高應力巷道支護難題，實現(xiàn)礦井的安全高效生產和可持續(xù)發(fā)展，從支護設計方法入手，探尋深部高應力巷道安全 高效的基于現(xiàn)場實測的支護設計方法; 并在原位測試和物理模擬的基礎上研究不同支護方式 支護阻力對不同結構巖體巷道圍巖破壞及其承載結構形成演化的影響，包括承載結構演化與支護共同作用機理，以及不同支護阻力的影響，提出合理控制深埋巷道圍巖穩(wěn)定性的原理和技術方法。 深部巷道圍巖常受到原巖應力和巷道工程力的影響，在深部高應力環(huán)境中，當圍壓較高時，巖體尚具有較高的強度和模量(彈性模量或變形模量)，當圍壓較低時，工程巖體則表現(xiàn)出“軟巖”特征;因此巷道圍巖具有軟巖相對性的實質。當巷道工程力一定時，不同的巖體，強度高于工程力水平的大多表現(xiàn)為硬巖的力學特性，強度低于工程力水平的則可能表現(xiàn)為軟巖的力學特性;而對同種巖石，在較低工程力的作用下，則表現(xiàn)為硬巖的小變形特性，在較高工程力的作用下則可能表現(xiàn)為軟巖的大變形特性。 4.2 巷道圍巖穩(wěn)定性分類 4.2.1按圍巖松動圈的分類方法 圍巖松動圈是指巷道掘進后，用國產聲波儀測定圍巖聲波降低范圍的平均值。中國礦業(yè)大學建工學院測定的圍巖松動圈的范圍，進行圍巖穩(wěn)定性分類，見表5-2-1. 表5-2-1 巷道圍巖穩(wěn)定性（松動圈）分類 圍巖類別 分類名稱 圍巖松動圈/mm 小松動圈 Ⅰ 穩(wěn)定圍巖 0~40 中松動圈 Ⅱ 較穩(wěn)定圍巖 40~100 Ⅲ 一般圍巖 100~150 大松動圈 Ⅳ 一般不穩(wěn)定圍巖（軟巖） 150~200 Ⅴ 不穩(wěn)定圍巖（較軟圍巖） 200~300 Ⅵ 極不穩(wěn)定圍巖（極軟圍巖） >300 4.2.2按圍巖變形量的分類方法 圍巖表形量是巷道開挖后受多種因素影響的綜合結果，是圍巖穩(wěn)定性分類的多因素單一定量指標，煤炭科學研究總院北京建井所據(jù)此指定的巷道圍巖分類見表5-2-2。 表5-2-2 按圍巖變形量制定的圍巖分類 圍巖類別 開挖后圍巖變形量/mm Ⅰ <5 Ⅱ 6~10 Ⅲ 11~50 Ⅳ 50~200 Ⅴ >200 深部巷道原巖應力大，圍巖具有軟巖的大變形特征，決定了巷道收斂具有變形量大的特點。據(jù)測量數(shù)據(jù)，研究區(qū)各巷道收斂變形量均很大，一般為數(shù)十毫米到數(shù)百毫米，最大可達1.0m以上，嚴重的可封堵整個巷道。如唐山礦業(yè)分公司T2154(5煤層)運輸巷道其巷道累計水平變形量184.3 mm，垂直變形量62.6mm，底鼓變形量85.9 mm(圖4)。巷道變形以水平收斂為主，其表現(xiàn)形式有側幫內移，頂板垮落和底鼓。在未封底和未設置抑拱的某些巷道，因兩幫和拱頂進行了支護，阻礙了相應部位圍巖的繼續(xù)變形和圍巖的進一步調整，底板就成為最薄弱環(huán)節(jié)，于是應力釋放和巖體擴容變形就在底板發(fā)生，從而普遍產生底鼓。 深部巷道圍巖變形的另一個特征是明顯的時效性。在地下巷道和采場工程中表現(xiàn)出來的力學現(xiàn)象，包括地壓、變形、破壞等幾乎都與時間有關。嚴格地講，以往應用彈性力學和彈塑性力學求得的巷道變形和應力都是瞬時發(fā)生的，既量測不到也無法阻止。圍巖變形可分為劇烈變形、緩慢變形和穩(wěn)定變形3個階段。圍巖收斂變形是否穩(wěn)定還取決于支護結構的剛度和強度。據(jù)破碎銅室的監(jiān)測資料，開挖6個月變形速度無明顯降低，一般維持在0.45～2.15 mm/d，且大部分地段變形有所加快。而且由于這種流變產生圍巖的變形壓力一旦使支護失效，圍巖再次惡化并強烈變形,如此反復，這就是某些硐室出現(xiàn)返修而未能有效阻止圍巖變形和破壞的根本原因。 4.3深部圍巖巷道載荷特征 現(xiàn)代支護理論認為，巷道圍巖支護應充分發(fā)揮圍巖的自承作用。圍巖本身既是載荷的來源又是支護結構的主體。圍巖的自承力是由巷道的斷面形態(tài)和圍巖本身的物理力學性質決定的。根據(jù)松動圈支護理論(圖5)，圍巖的狀態(tài)特征決定著支護能夠起的作用，彈塑性狀態(tài)特征的圍巖能夠自穩(wěn)，多數(shù)不需要支護;只有當圍巖進人到破碎狀態(tài)之后才產生了支護問題。凡裸體巷道，圍巖松動圈都接近于零，此時的彈塑性變形依然存在，但它不需要支護；松動圈越大收斂變形越大，支護越困難；巷道收斂與松動圈形成在時間上是一致的。 因此，圍巖松動圈所產生的碎脹變形是支護控制的主要對象(未考慮水等的因素)，同時應該在松動圈形成時，及時采取支護措施，獲得最佳支護效果，這就是深部巷道圍巖對控制時間的要求。 5巷道圍巖控制的主要途徑 5.1采準巷道圍巖控制基本途徑 (1)掘前對巷道的圍巖變形量和變形特征進行預測，據(jù)此選擇支護形式、結構和有關的參數(shù)。堅持按初始設計、實施設計、礦壓觀測、修改初始設計四個步驟進行錨桿支護設計，不斷提高錨桿支護質量，確保支護效果 (2)巷道位置盡可能避免回采引起的支承壓力的強烈作用，尤其是應盡量避免相鄰樂空 引起的支承壓力的疊加影響，或盡量縮短支承壓力的影響時間，使巷道處于低壓區(qū)，有效地減輕巷道的變形，改善巷道維護狀況。如目前采用的留3—5m小煤柱沿空掘巷等，就是將巷道布置在采空區(qū)邊緣的低壓區(qū)。沿空掘巷應在回采空間上覆巖層運動和采動引起 的應力分布趨于穩(wěn)定后，沿采空區(qū)邊緣掘巷。實踐表明，通 常滯后回采工作面4個月左右采空區(qū)趨于穩(wěn)定。 (3)采空區(qū)內布置巷道，由于采空區(qū)是已經卸壓或逐步向愿巖應力過度的區(qū)域，直接在采空區(qū)內形成巷道，可使巷 道不受采煤工作面影響。如在二層采空區(qū)中布置四層煤巷 道，在前組煤采空區(qū)中布置后組煤巷道。實踐證明，其維護 狀況將大大改善。 另外，還可采用寬巷掘進等技術 5.2開拓巷道圍巖控制主要途徑 (1)跨巷開采。是根據(jù)采空區(qū)通常是低壓區(qū)的原理而采 取的改善巷道受力狀況的措施。如一580總回風巷采用了跨 采錨注加固及頂部卸壓方式使其處于采空區(qū)中，大大改善了 其受力狀況。 (2)卸壓法。如果無法將巷道布置在低應力區(qū)時，必要 時可對巷道進行局部卸壓，使巷道處于低應力區(qū)，主要方法 有鉆孔卸壓法、切槽卸壓法、爆破卸壓法等。 (3)圍巖性質是影響巷道穩(wěn)定性和圍巖變形的重要因 索，開采深度的增大和采動對固巖的性質影響更大。實踐證 明，巷道圍巖性質越好，變形量越小，圍巖就越穩(wěn)定，軟巖巷 道的圍巖變形就比普通圍巖的變形量大的多。 (4)優(yōu)化巷道斷面形狀，采用弧形聯(lián)結，減少應力集中。 6深井巷道支護技術 6.1深井巷道支護原理 圖3為魯西南地區(qū)埋深800～1100m巷道圍巖一般變形規(guī)律。巷道支護后變形量一般在30～70mm時出現(xiàn)開裂、爆皮現(xiàn)象，但還未冒落時要進行二次加固;要及時進行位移觀測。 根據(jù)上述規(guī)律，深井巷道支護應是卸固原理:“支、卸、固”方式，即擴大斷面待卸壓后及時二次加固。 支:第一次用錨、網、噴、支護后； 卸:巷道雖有變形、開裂、剝皮卸壓現(xiàn)象，但尚未造成圍巖脫離原巖體、片幫、冒頂； 固:隨后進行錨注加固。適應深井高應力巷道的支護形式有:“支、卸、固法”、“支修法”、“強抗法”、“超前加固法”、“應力轉移法”等，但較為經濟、實用、有效的方法是“支、卸、固法”。其它方法工序復雜，成本較高。合理支護結構形式的核心是對適應地壓規(guī)律和圍巖的性質。 6.2 支護方式及對策 1. 正確選擇巷道層位、位置 巷道的布置應避開煤柱集中應力、構造集中應力、采動應力的影響，選擇在巖性較為穩(wěn)定的巖石中。深部采區(qū)主要準備巷道應以巖巷為主或至少布置一條巖巷。隨著深度的增加，回采工作面推進后煤體塑性區(qū)增加，致使區(qū)段煤柱留設寬度隨之增加，為保證采區(qū)回收率，減少巷道維護，工作面回風(運輸)平巷宜采用無煤柱護巷的形式。 2. 合理選擇巷道施工方位 在遇到以壓應力為主的褶曲、逆斷層時，巷道方向盡量與摺曲軸或斷層走向垂直或斜交，在遇到以拉應力為主的正斷層時，巷道方向則與斷層走向一致或斜交，從而達到減小礦壓顯現(xiàn)的目的。 回采巷道布置的方位應使工作面離開斷層推進，使采區(qū)一翼內工作面同向推進。避免巷道相向掘進和巷道近距離平行布置，減少相交巷道(或避開銳角)，從而減小應力集中，減少發(fā)生沖擊地壓的危險性。動影響 深部巷道受采動影響支承應力增大，應力集中系 數(shù) 為 ，圍 巖 強 度 降 低，維 護 十 分 困 難對于此類巷道來說，合理布置巷道并相對降低圍巖應力，是控制巷道圍巖變形的根本巷道布置應合理并符合以下原則: (1) 空間上盡量避免支承壓力的強烈影響疊加影響和多次影響; 時間上盡量縮短支承壓力影響時間 (2) 將巷道布置在應力降低區(qū)或原巖應力區(qū)，避免在煤柱上下方布置巷道 合理選擇底板巖巷與煤柱邊緣的水平距離與煤層垂直距離 (3) 采用無煤柱開采，必須留煤柱時，在保證煤柱穩(wěn)定的條件下盡可能留小煤柱 (4) 如果需要留煤柱保護巷道，所留護巷煤柱尺寸應使巷道不受支承壓力影響或影響較小 (5) 在圍巖受采動影響穩(wěn)定后再掘巷道 (6) 巷道軸線方向盡量與最大水平主應力方向平行，避免與之垂直 3. 改革巷道支護形式，達到最佳支護效果 針對深部巷道礦壓顯現(xiàn)特點。要求巷道支護必項滿足既能加固圍巖又能提供較大的支護力、具有較大的可縮性和一定的初撐力等要求，根據(jù)圍巖狀況和巷道條件，采用不同的支護形式。 ① 樹脂錨桿+梁+網組合支護 樹脂錨桿采用樹脂藥卷作為錨固劑，分端錨、全錨和加長錨固3種形式，圓鋼或螺紋鋼為桿體，再配以金屬網、梁。使用此種錨桿能有效地提高圍巖的自承能力。此種支護在綜放大斷面煤巷或切眼中經常使用。 ② 錨梁網+錨索聯(lián)合支護深部 巷道以錨桿支護配以錨索支護，可使層狀頂板形成一個整體的組合梁，同時也起到懸吊作用，可防止圍巖受拉破壞，并能提高圍巖的整體抗彎強度。此種錨桿常在圍巖不穩(wěn)定、層理發(fā)育、跨度較大的巷道中使用。 ③ 全封閉錨梁網+底梁聯(lián)合支護 由于深部巷道的變形呈軟巖特性、巷道圍巖破碎圈增大等特點，例如徐州礦務局龐莊煤礦張小樓并-1025m大巷原采用常規(guī)錨梁網支護形式，致使巷道尚未投人使用就產生如前所述的較大變形，后采用樹脂錨桿(端錨)+梁、網+U型鋼底梁的全封閉支護形式二次施工，其中錨桿長度由原來1.8m加長至2.2m，錨桿直徑由,18mm加大到20 mm，使錨桿錨固力達6t以上，7d內巷道變形速度僅3mm/d，取得了較好的支護效果。 ④ 圍巖注漿加固+U 型支架聯(lián)合支護 在深部極破碎頂板條件下，除采用加長樹脂錨桿再配以錨索支護外，張集煤礦-700 m水平西大巷延長段施工中還采用了圍巖注漿加固技術。通過向巷道圍巖中注漿，漿液中摻入ZKD高水速凝材料，將松散的圍巖膠結成整體，降低圍巖的孔隙率，提高了巷道圍巖的整體性和自身承載能力。進而保證了巷道輪廓線按設計成形，使圍巖與支架充分接觸，支架均勻承載，發(fā)揮U型支架高承載能力的性能，有效地控制了圍巖變形.實測兩幫移近量由注漿前800～1×1000mm減少到注漿后100～200mm，提高了支護效果。 結合實際礦井應用，針對有代表性深部高應力巷道支護技術做詳細的介紹。 6.3 平煤股份四礦深部高應力巷道支護實例 針對平煤股份四礦深部高應力巷道支護難的問題，通過在原位測試 和物理模擬的基礎上研究不同支護方式支護阻力對不同結構巖體巷道圍巖破壞及其承載結構形成 演化的影響，提出高強錨桿 錨索 可縮 型鋼( 帶底拱 ) 的初次支護，錨注二次支護的技術方 案，并輔以鉆孔卸壓，達到一次成巷不再返修的目的，且成功應用于三水平軌道下山 ，取得了顯著的經濟效益和社會效益。 6.3.1圍巖應力分布及變形規(guī)律 1) 在主斜井標高以下及三水平風井井底車場各設測站，從三水平風井井底車場應力實測結果表明:實測得到四礦最大水平主應力值為 ，最大水平主應力方位角為 ，接近 向巷道開挖以后，隨著表面圍 巖 的 破 壞，應 力峰值向圍巖深部轉移 巷道開挖 后，在圍巖內部 的地方出現(xiàn)應力峰值，在隨后的 周內，經調整后 又 恢 復 了 原 來 的 應 力 水 平，其 變 化 量 達 到，但在 的圍巖深部一個月內基本無變化，說明應力峰值還在圍巖 的區(qū)域，往內部發(fā)展速度隨圍巖表面的穩(wěn)定而減緩或停止巷道開挖過程中，淺部圍巖應力經歷先降低后升高的過程，深部圍巖應力無明顯的降低和升高在圍巖內 部 處巷道開挖后降低了內部應力，在 穩(wěn) 定 幾 天 后，迅 速 升 高 近 倍，達 到，且持續(xù) 后，又有所降低，說明應力峰值還在向深部轉移巷道開挖引起的豎向壓力變化不太明顯在變電所掘進過程中發(fā)現(xiàn)，隨著巷道的開挖，開挖過的巷道圍巖內部應力變化明顯，但對未掘進的巷道內部應力，尤其是對深部應力影響不大 2) 內部變形實測結果表明:巷道的圍巖變形主要集中在 范圍內，占總變形量的 以上 未受開挖硐室影響的巷道一側圍巖， 內圍巖的碎脹變形量都在左右，兩者之和約占總變形量的 ; 靠近配電硐室一側， 范圍內的圍巖變形量達 ，接近總變形量的 ， 范圍內的變形量之和超過總變形量的 ， 內圍巖基本沒有移動圍巖內部變形過程中，呈現(xiàn)出幾個主要變形階段 第一階段是在巷道開挖后約 周時間內，巷道的變形以 范圍內圍巖的碎脹為主; 第二階段是周以后， 內的圍巖部分也開始破碎，引起總變形量的增加，但與第一階段相比，變化量明顯減小; 而在已開挖硐室影響下， 內的圍巖都出現(xiàn)了較大的變形在巷道初次支護( 錨桿錨索) 下，深部巷道圍巖內部未發(fā)生大的變形，圍巖得到基本控 制，一幫的總位移量控制在 以內 從發(fā)展趨勢看，變形在持續(xù)增加，必須采取二次支護，且支護必須要有一定的柔性和剛度，同時提高破碎圍巖的強度。 6.3.2圍巖變形破壞機理的物理模擬分析 根據(jù)相似材料模擬試驗，分析研究了巷道開挖過程中的應力演化規(guī)律及圍巖變形規(guī)律，結合巷道破壞失穩(wěn)特征，得到以下結論和規(guī)律: 1) 開挖過程中應力大小和方 向變化是一個非線性的變化過程 開挖后引起的圍巖內部變形主要集中在 范 圍 內，而 應 力 的 影 響 范 圍 則 約 為，應力在影響范圍內有一個升高和降低的過程，應力升高幅度約為;在 范圍內的巷道內部應力降低幅度超過 ，最大內部應力超過 ，方向變化也在 以上，且在淺部易發(fā)生主應力軸輪換的現(xiàn)象。 2) 研究了深部高應力巷道與 淺部巷道在破壞機理上不同的特點，基于不同的洛德參數(shù) 值，定量研究了破裂的不同形態(tài) 試驗結果表明，高應力巷道圍巖開挖卸載過程中，圍巖應力急劇調整且出現(xiàn)主應力軸輪換現(xiàn)象，并獲得了圍巖出現(xiàn)局部剪切帶及明顯的分區(qū)破裂化的規(guī)律。 3) 對比有 無支護兩種情況發(fā)現(xiàn)，支護能夠有效阻止圍巖內部拉應力的出現(xiàn)，改善圍巖應力狀態(tài)，遏制碎脹變形的發(fā)展，降低圍巖破碎程度和提高承載結構性能，既能有效減小變形量，又有利于圍巖的二次穩(wěn)定。 4) 單一的 型鋼支護，在高應力作用下( 尤其是動壓) 易產生較大的變形和局部失穩(wěn)，支護后期對圍巖關鍵承載圈的貢獻較小，如果圍巖破壞后的殘余強度較低，則會導致巷道圍巖自承能力大大下降，巷道變形劇烈，使巷道處于不穩(wěn)定 ( 失穩(wěn)) 狀態(tài)。 5) 支護在圍巖變形 演化過程中的平衡作用 對比有 無支護兩種情況發(fā)現(xiàn)，及時 有效的初始支護能有效調動圍巖成拱，即使在后期較大的擾動應力下，仍然能使圍巖保持良好的穩(wěn)定性; 而當已經承受荷載的支護結構失效時，會迅速導致巷道的整體失穩(wěn)。 6) 支護需要有合適的柔性和剛度 一定的柔性能與圍巖的變形相適應，釋放部分高應 力，有利于圍巖支護結構的穩(wěn)定; 但如果剛度過小，則會使圍巖過度變形破碎，使主承載結構性能大大降低，產生的巨大碎脹變形力也無疑增加了支護難度，既不利于支護結構也不利于承載結構的穩(wěn)定高應力碎裂圍巖巷道支護必須選擇合理的支護形式時機，并選擇與之相適應的支護剛度進行耦合支護。 6.3.3支護作用的數(shù)值模擬 1) 通過應變軟化模型，分析研究了深部巷道圍巖破裂過程中的應力演化規(guī)律 巷道圍巖內受開挖的影響范圍約為 倍的開挖直徑，巷道掘進前后，應力有一個緩慢升高( 開挖前) 和急劇降低( 開挖后) 的過程，伴隨著應力大小的變化，應力方向也發(fā)生了明顯轉動，出現(xiàn)主應力軸輪換的情況，開挖過程中圍巖內部應力的變化是圍巖產生破壞的根本原因。 2) 通過不同殘余強度的軟化模型，分析比較了不同破壞程度圍巖的承載結構特點 計算發(fā)現(xiàn)，及時有效地將圍巖變形控制在軟化變形階段，使圍巖殘余強度不低于原來強度的 時，不僅可以有效地減小圍巖變形量，而且支護體將承受較小的變形應力 因此，圍巖 軟化變形階段就是合理支護時段，在該段時間內進行支護，可以最小的支護成本取得最大的支護效果。 3) 通過軟化后的強化模型，分析比較了不同支護對圍巖變形破壞的影響及作用 計算結果表明，通過對破壞后的巖體進行錨噴注漿等措施，使破壞后的巖體殘余強度提高到原來的 時，能有效遏制碎脹變形的發(fā)展，減小圍巖內部的變形量，并改善圍巖內部應力狀態(tài)。 6.3.4巷道穩(wěn)定控制機理 據(jù)深部巷道圍巖應力和位移演化規(guī)律可知:巷道支護的主要對象是松動圈形成發(fā)展過程中的碎脹變形壓力 松動圈較小，圍巖碎脹變形也較小，支護較容易; 松動圈較大時，由此而產生的碎脹變形量也較大，支護較困難對于大松動圈巷道，圍巖表現(xiàn)出軟巖的工程特征，圍巖松動圈碎脹變形量大，初期圍巖收斂變形速度快，變形持續(xù)時間長，礦壓顯現(xiàn)較大，支護難度大其變形破壞過程是一個多階段多水平的發(fā)展過程巷道開挖后引起的圍巖內部應力的影響范圍則約為，應力升高幅度達 以上; 而變形則主要集中在 范圍內，其變形量主要由圍巖的破碎程度決定，少則幾十毫米多則幾米。 1) 針對深部巷道 初期來壓大變形速度快的特點，采用高阻讓壓的支護措施 在巷道變形的急劇調整階段，圍巖破壞形式為環(huán)向斷裂和橫向劈裂縫，沿巷道周邊形成厚度較小的間隔性破裂帶或大的楔形塊體 為了阻止圍巖的持續(xù)劇烈變形，應采用大剛度高強預應力錨桿支護體系，在保證有效支護阻力的條件下高阻讓壓，一方面釋放部分能 量，另一方面阻止破裂帶的擴展與張開，將破裂帶隔開的環(huán)形承載圈重新連接成整體，充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力，使支護結構與巖體產生少量位移，同時在變形過程中保持整體穩(wěn)定性。 2) 針對 后期圍巖破碎后再破碎變形量大的特點，采用注漿加固 修復圍巖 經過巷道圍巖的急劇變形破壞后，隨著時間的推移或應力擾動，圍巖環(huán)形承載圈內出現(xiàn)一定程度的破碎，與初始的環(huán)向破裂帶一起組成了圍巖破裂區(qū)( 松動圈) ，同時導致圍巖應力降低 此時，通過注漿將破壞區(qū)的圍巖膠結成整體，提高巖體黏聚力和內摩擦角，強化巖體的力學性能，加固原錨噴支護，可阻止圍巖的進一步破碎，從而使其進入二次穩(wěn)定狀態(tài)。 3) 關鍵部位加強支護技術 在支護過程中既強調全斷面支護的整體性，又對薄弱關鍵部位采取重點加強支護措施，從而防止巷道從某個薄弱部位首先破壞而導致全斷面失穩(wěn)，如對于底鼓嚴重的巷道，要對底角進行加強錨固和注漿加固，提高底板巖體的承載力，有效控制巷道的底鼓綜合以上原理，圍巖控制可歸納為 應力狀態(tài)恢復改善圍巖強度固結修復聯(lián)合整體抵抗的過程控制機理 在通過數(shù)值模擬室內物理模擬基礎上，結合實踐經驗，提出了軌道下山設計采用高強錨桿錨索 可縮 型鋼( 帶底拱 ) 的初次支護，錨注二次支護的技術方案，并輔以鉆孔卸壓，以達到一次成巷不再返修的目的。 6.3.5工程應用 平煤股份四礦三水平巷道埋深為900-1150m，其中軌道下山位于膠帶下山右側中對中50m位置，下山開口方位為17.5°，施工全長約900m，按10°下山施工，下部接三水平井底車場 設計三水平軌道下山主要穿來L2 灰?guī)r( 厚3m ) ，L2灰?guī)r頂部為厚1.5m 的砂質泥巖及厚 88mm的灰?guī)r，底板是厚300mm煤線及厚1.4m 砂巖，頂板堅硬，底板相對軟弱，巷道位置根據(jù)灰?guī)r層位的變化而調整。 主要支護參數(shù): 高強錨桿支護巷道掘出后在臨時支護的保護下及時進行混凝土初噴40mm ，然后進行高強錨桿支護，拱頂和幫部采用直徑22mm*2400mm的錨桿，間 排 距 為700mm*700mm; 樹脂藥卷錨固，錨固長度不小于1000mm，錨固力大于150KN ; 采用厚12mm 大小為200mm*200mm 的托盤; 網采用 冷拔鐵絲，網格為 40mm*40mm，規(guī)格為 ; 鋼筋梯采用 直徑14螺紋鋼制作，長2500mm錨噴支護情況見圖1。 關鍵部位錨索加強支護： 在錨網支護的基礎上，對巷道關鍵部位進行高強預應力錨索加強支護 頂部布置4根直徑17.8mm*6500mm的錨 索 ( 見 圖) ，間 排 距 為1500mm*1400mm，布置于2 排高強樹脂錨桿之間，采用樹脂端錨，錨固長度不小于1500mm。 U型鋼支護： 為防止初次錨桿支護失效，設計帶底拱 36U型鋼支架進行加強支護，排距為700mm ，架設在2排錨桿之間 支架后背鋼筋網采用直徑6mm 的圓鋼焊接，網 格 為80mm*80mm ，規(guī) 格 為500mm*500mm，最后復噴60mm厚混凝土，形成具有一定可縮性的高強初次支護結構。U型支護結構見圖2 注漿加固： 初次支護完成以后，在巷道內設測站進行收斂變形觀測，以便確定注漿時機，當巷道兩幫位移大于50mm時，對巷道進行二次錨注加固。采用直徑22mm注漿 錨 桿，長2000mm ，間 排 距為1400mm*1400mm。巷道注漿支護情況見圖 注漿材料采用單液水泥 水玻璃漿液或水泥粉煤灰漿液 水灰比控制在0.8-1.0 ，水玻璃的摻量為水泥用量的3%-5% ; 水泥-- -粉煤灰漿液的配合比約為：水：水泥粉：煤灰為 0.8：( 0.55-0.60 )：(0.45-0.40 ) ， NF減水劑用量為水泥量的千分之七 ; 注漿壓力1.5-2.0MPa。 支護效果： 通過對四礦三水平深部高應力巷道采取錨桿錨索和 U型鋼( 或格柵拱架) 初次支護和后期的錨注 二次支護措施，大大提高了圍巖的整體性和圍巖強度，使初次支護和錨注加固形成一個整體，并使關鍵部位的圍巖體得到加強支護，有效地控制了巷道頂板下沉和兩幫內擠 多點位移計監(jiān)測結果表明，巷道一幫的總位移量控制在 以內，且目前巷道變形處于穩(wěn)定狀態(tài)。 6.3.6結論 1) 研究得出巷道的穩(wěn)定性 控制機理在于采取各種有效措施及時阻止巷道初次失穩(wěn)的發(fā)展，關鍵是要及時加固失穩(wěn)區(qū)的圍巖以提高其殘余強度 根據(jù)深部巷道的特點，抓住適當時機，采用合理支護強度和剛度對巷道全斷面實行整體支護，并就其關鍵部位進行加強支護，使一次失穩(wěn)后的巷道圍巖及時進入二次穩(wěn)定狀態(tài)，從而保持巷道在服務期內的長期穩(wěn)定 支護的作用就在于優(yōu)化初次失穩(wěn)區(qū)圍巖的力學參數(shù)，使其強度衰減得到遏制，阻止其失穩(wěn)區(qū)的擴展，從而維持巷道的穩(wěn)定。 2) 根據(jù)深部巷道破裂演化過程中的應力變形規(guī)律及分區(qū)破裂特征，提出深部巷道 應力狀態(tài)恢復改善圍巖強度固結修復分步聯(lián)合整體抵抗的過程控制機理，以及適應深部巷道變形特征的三錨耦合 型鋼動態(tài)疊加支護技術。 3) 對四礦三水平軌道上山應用以上研究成果，采用高強錨桿 錨索 可縮 型鋼( 帶底拱 )初次支護，錨注二次支護的技術方案，并輔以鉆孔卸壓技術的支護方案與參數(shù)，對其實施支護后，巷道變形控制在 以內并處在穩(wěn)定狀態(tài)，獲得了較好的技術經濟效果。 6.4深井軟巖巷道支護 在實際的地質條件中，有些礦井在深部的巖石為軟巖，這樣的情況下用錨桿支護就會缺少錨桿的著力基礎，可錨性差，支護效果不理想。一般在深井為軟巖的條件下采用錨桿注漿支護方式。 通過注漿將破碎圍巖膠結成整體，改善圍巖的結構及其物理力學性質，既提高圍巖自身的承載能力，又為錨桿提供了可靠的著力基礎，使錨桿對松散圍巖的錨固作用得以發(fā)揮。采用注漿錨桿注漿，可以利用漿液封堵圍巖裂隙，隔絕空氣，防止圍巖風化，且能防止圍巖被水浸濕而降低圍巖的本身強度，提高圍巖的穩(wěn)定性。利用注漿錨桿注漿充填圍巖裂隙，配合錨網噴支護，可以形成一個多層有效組合拱，即噴網組合拱，錨桿壓縮組合拱及漿液擴散加固拱，從而擴大了支護結構的有效承載范圍，提高了支護結構的整體性和承載能力，從而有效地控制深部軟巖巷道的大變形。 與錨桿支護相比，錨注支護既加固了圍巖，又給錨桿提供了可靠的著力基礎，使圍巖強度和承載能力得到顯著提高，巷道變形量明顯降低，錨注支護可以較好地解決深部軟巖巷道的支護問題。采用錨注支護技術，將松散破碎的圍巖膠結成整體，提高了巖體的強度，使巷道保持穩(wěn)定而不易破壞。利用注漿充填圍巖裂隙，配合錨網噴支護，可以形成一個多層有效組合拱，極大地提高了支護結構的整體性和圍巖的自身承載能力。錨注支護技術的應用解決了高應力軟巖巷道的支護問題。 7結論 深井巷道所處的圍巖環(huán)境復雜多變，影響巷道穩(wěn)定的主觀因素與客觀因素之間又相互影響，它們之間與巷道穩(wěn)定的關系很難用統(tǒng)一的理論公式進行歸納總結，因此對于深井巷道支護要取得良好的支護效果，就必須加強地應力測試與現(xiàn)場礦壓觀測，靈活采用支護加固方式，并及時調整支護加固參數(shù)，必要時對高應力區(qū)先卸壓后支護加固，這樣更有利于巷道穩(wěn)定。 參考文獻: [1] 陸士良，等.錨桿錨固力與錨固技術[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1998； [2] 李國富，等.極軟巖巷道錨注支護技術的研究與應用[J].巖石力學與工程學報，2002,(4)； [3] 李明遠,等.軟巖巷道錨注理論與實踐[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，2001； [4] 何滿潮，等.中國煤礦軟巖巷道工程支護設計與施工指南[M].北京:科學出版社.2004； [5] 陳炎光，陸士良，中國煤礦巷道圍巖控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社，1994； [6] 柏建彪，侯朝炯.深部巷道圍巖控制原理與應用研究[J].中國礦業(yè)大學學報，2006,35(2),145-148； [7] 康紅普，王金華，林健.高預應力強力支護系統(tǒng)及其在深部巷道中的應用 [J].2007,32(12);1233-1238； [8] 耿富強.徐州礦區(qū)深部巷道礦壓顯現(xiàn)特征及對策[J].煤炭科技。