深部围岩巷道支护技术

王胜康,李崇茂,孙玉亮

随着矿井开采深度的增加,自重应力也随之增加。由于巷道围岩的集中应力大于其自身强度,巷道会发生各种形式的变形及破坏。矿场压力显现明显,易发生极具破坏性的冲击地压。矿井深部岩层中也会出现类似软岩的问题,在进行巷道支护时会遇到很多困难,严重影响了煤矿正常的安全生产。对深部巷道支护问题的研究已显得尤为重要。

1 深部围岩巷道变形问题

深部围岩巷道由于受三高 (高温、高围压、高孔隙压力)的影响而产生与浅部围岩巷道所没有的大变形、强蠕变等特征。如：巷道变形量显著增大和变形速度加快、巷道维护异常困难、支架损坏特别严重、巷道翻修量急剧增加。

虽然深部岩体本身强度较高,但由于井巷在大地应力的作用下极易发生类似软岩的问题。围岩松动圈大于 1.5 m时,即可认为该巷道需要按软岩支护要求进行设计和施工。

岩体单元体所在位置及应力状态示意图见图 1。

单元体上的垂直应力等于上覆岩层的重量：

式中：

γ—上覆岩层的平均体积力,kN/m3;

H—单元体距地表深度,m。

在均匀岩体中,岩体的自重应力状态为：

图 1 岩体单元体所在位置及应力状态示意图

式中：

λ—侧压系数;

σx,σy—主应力。

式中：

μ—岩体的泊松比[1]。

巷道支护工艺流程示意图见图 2。

2 锚网喷支护技术

锚网喷支护具有密贴性、及时性、柔性等作用,因其工艺简单、操作方便、安全可靠和经济合理等优点而备受青睐,已成为我国煤矿井巷支护的主体支护形式之一。

锚喷支护由 3部分组成：锚杆、喷层、钢筋网。

图 2 巷道支护工艺流程示意图

2.1 锚 杆

2.1.1 锚杆的作用机理

开巷后,围岩发生破坏,打入锚杆后,不但可以阻止围岩裂隙发育过度,而且锚杆可以将破裂的岩层锚固起来,促使围岩由载荷体转变为承载体,有利于围岩的稳定。

由围岩强度强化理论可知,巷道围岩存在破碎区、塑性区、弹性区,锚杆作用的岩体则处于破碎区或上述 2～3个区域中,相应锚固区的围岩强度则处于残余强度。锚杆支护可以提高巷道围岩的峰值强度和残余强度,可采用不同工艺,对岩性较好的可采用分次完成支护工艺,对岩性较差的可采用一次完成支护工艺。

用 9块水泥砂浆试块分别在没有和有锚杆、钢筋网约束的岩体中进行试验,得到应力—应变曲线见图3。普通岩石都具有第一个“峰”的性质,在它破坏后处于残余应力状态时再加载,无锚杆的岩石彻底破裂,有锚杆、钢筋网的则会出现第二个“峰”值。这充分说明了锚杆、钢筋网对破碎岩体有较强的支护作用[2]。

图 3 锚固体的应力—应变曲线示意图

2.1.2 锚杆的参数

锚杆可采用树脂锚杆,锚固剂规格为 Z2380、Z2350等几种。此锚杆固力较大,杆可采用 20MnSi钢,直径为 d18～d25螺纹钢[3]。

2.1.3 锚杆的长度

根据悬吊梁理论：

式中：

l1—锚杆外露长度;

l2—锚杆有效长度;

l3—锚杆锚固长度。

2.1.4 锚杆间排距

根据不同地质条件,排距可从 700 mm×700 mm到 1 000×1 000 mm不等,可布置成五花形或正方形。

2.2 喷 层

喷层是用沙、水泥和碎石按一定比例混合喷射到开挖体表面固结而成。它能封闭围岩防止其潮解与风化、支持和补强填平围岩、分配应力等作用。

1)喷射混凝土强度一般为 C15～C20。2)喷射总厚度一般为 100～150 mm。

2.3 钢筋网

实际工程中钢筋网的规格为 2.1 m×1.1 m,网格一般为 100 mm×100 mm、150 mm×150 mm等。横行受力筋 d8～d10 mm,纵向筋 d6 mm。这种网的强度和刚度都较大,可在锚杆支护过程中起到良好的效果。钢筋网加工示意图见图 4。

3 锚注加固技术

图 4 钢筋网加工示意图

锚注支护就是利用特种中空锚杆与注浆结合相互作用,对岩体起到外锚内注加固作用。注浆加固后不但改善了岩性及围岩应力分布,而且降低了围岩对支护结构的拉应力和压应力,大大提高了支护结构的稳定性,围岩作用在拱顶上的压力能有效地传到地板上[5]。

3.1 锚固支护的优点

1)封堵了围岩的裂隙,减轻围岩因风化、被浸湿而降低本身强度。

2)注浆后破碎围岩胶结成整体,提高了岩石本身的强度。

3)充填密实,保证载荷能均匀的作用在喷层上,避免应力集中。

4)锚注支护能主动的进行预应力支护,避免了巷道围岩的进一步松动。

3.2 锚固支护参数确定

3.2.1 内注浆锚杆长度

锚杆长度可由下式确定：

式中：

l1—锚杆露长,mm;

l2—锚端段长,mm;

m—围岩松动范围,mm;

100—进入围岩长度,mm。

3.2.2 锚杆锚固力

锚杆锚固力应满足：

式中：

Qmin—最小锚固力,kN;

Lp—围岩松动圈值,m;

D2—锚杆间排距,m;

γ—围岩重力密度,m。

3.2.3 常用注浆锚杆

常用注浆锚杆见表 1。

表 1 常用注浆锚杆

4 预应力锚索加固技术

预应力锚索是向各岩层传递力的一种支护方法,它可以向围岩深部提供给定方向和载荷的有益预应力。在锚索的作用下岩体自身的岩性得以改善,其强度得以加强。对于极软围岩巷道,锚网喷、锚注支护虽然能对巷道顶板起到支护作用、改善了岩性,但遇到大范围的围岩松动,锚具失去了着力点。此时,极可能出现锚固体上层围岩离层并伴随着巷道顶板整体下沉或跨落。这时,只需小密度的锚索就可以将锚固体悬于上覆稳定岩层,起到良好的支护作用。

1)锚索设计承载力：

2)锚索最大力：

式中：

m—锚索拉应力控制系数,取 0.60;

n—锚索的钢绞绳根数;

Sn—绞绳截面参考面积,mm2;

Rm—绞绳抗拉强度,MPa;

ηn—锚索效率系数,取 0.95。

3)锚索安全系数：

式中：

Ru—锚索最大锚固力,N;

Nt—设计承载力,N。

由上式可知,锚索的安全系数与锚索的拉应力控制系数和效率系数有关[3]。

5 支护效果与经济效益

锚网喷支护作为我国矿山井巷支护主要形式之一,已广泛应用于中国各大矿井,其支护效果已得到大家的普遍认可。特别是处理破损巷道的加固的治理、过断层及其破碎带和在软岩施工中获得了良好的效果。围岩巷道支护示意图见图 5。

图 5 围岩巷道支护示意图

锚注支护和预应力锚索加固在处理岩体应力急剧增大、巷道稳定性差、巷道变形较严重的软岩问题都取得了良好的支护效果。

淮南矿业集团望岗井 -960 m水平北翼C13底板轨道大巷、刘庄矿西区深井都由于埋深大、巷道岩性软等原因而在巷道支护上出现了问题。他们在综合采用锚注支护、预应力锚索加固后,经过现场实践证明,在锚注、锚索联合支护下,巷道变形量小、达到巷道围岩稳定的效果,能根本上解决软岩巷道变形问题[4]。

巷道掘进应用此工艺,可根据岩性、巷道围岩的破坏程度等各种因素分步采用锚网喷支护、锚注支护、预应力锚索加固。这样在达到较好支护效果后,后面的工艺即可省去。当巷道顶板出现下沉或跨落时,就可以通过后面的工艺来改善巷道围岩的岩性和巷道的稳定性,从而保证起到良好的支护效果同时使利润最大化。

该工艺是一种易施工、成本低、见效快、效果好的围岩巷道支护方案,特别对深部软岩巷道支护技术是一种新的突破。对于深部矿井的安全施工具有重要意义,有较高的推广价值。

[1] 钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社,2003：69-71.

[2] 薛顺勋,宋广太,库明欣.煤巷锚杆支护施工指南[M].北京：煤炭工业出版社,1999：103-104.

[3] 周兴旺,程 桦,郑高升,等.矿山建设工程技术新发展术[C].合肥：合肥工业大学出版社,2008.

[4] 邹胜勇,傅菁俊,寿忠华.自进式中空注浆锚杆在隧道围岩支护中的应用[J].浙江交通职业技术学院学报,2010(1)：17-19.

[5] 李云晓,王振江,方 周.松软围岩支护技术在告成煤矿的应用[J].江西煤炭科技,2009(2)：70-72.