深井开采软岩破碎巷道均质支护技术与应用

李建民,章之燕

(1.开滦 (集团)有限责任公司,河北唐山 063018;2.中国煤炭学会岩石力学专业委员会,北京 100013)

深井开采软岩破碎巷道均质支护技术与应用

李建民1,2,章之燕1,2

(1.开滦 (集团)有限责任公司,河北唐山 063018;2.中国煤炭学会岩石力学专业委员会,北京 100013)

从复杂应力极软岩巷道支护机理与支护体系入手,着力于改善围岩结构及其物理力学性质,适时、随机加固围岩,达到不断提高围岩本身的承载能力;构建均质的支护 “圈体”技术,解决深井矿井受复杂应力软岩巷道支护的技术难题。在工程实践中,有效地控制了深井软岩巷道,改善了矿井安全状况,建立安全高效的生产环境。

深井;软岩;均质支护

随着国民经济快速发展对煤炭需求量的增加,煤矿企业的浅部资源将逐渐减少和枯竭,开采深度以每年 8～12m的速度增加,我国东部的大部分矿区都相继进入深部开采。开滦矿区平均采深已达到800m,赵各庄矿已延深到 -1200m。矿井开采深度的增加使得巷道遭受大埋深、构造应力、采动不均匀的叠加应力影响,破坏程度十分严重。有关统计表明,我国煤矿每年因向深层、复杂区域开采,新增受复杂应力影响的软岩巷道达 800km,而且有大量已有的软岩巷道支护因破坏严重需要修复。

20世纪 60年代末,“新奥法”在巷道支护方面给人们提出了新理念。美国、澳大利亚等国依据“新奥法”,给出了以锚杆为主体的支护体系调动围岩的承载能力,采用高强、超长锚杆、全长锚固锚杆、组合锚杆、锚杆桁架、锚索、加长全长锚固锚索,提高巷道的支护稳定性。在西欧一些国家以“新奥法”的理论为基础,设计可缩性金属支架,来处理困难巷道的支护主动性问题。我国针对大埋深、构造应力、采动压力和“软弱岩、煤体”自身膨胀给巷道支护带来的困难问题,多是采用大型号U型钢全封闭架棚再喷浆的复合支护技术,或采用高强锚杆加锚索加锚网喷复合支护技术,也曾尝试过大弧板和网翘支护技术等,而所有这些支护方式,还不能彻底解决困难巷道支护的稳定性。深井巷道支护仍然是急待解决的重大问题之一。

1 软岩破碎区域构建均质支护技术原理

软岩破碎区域构建均质支护技术是巷道围岩主动支护的一种多层次、多结构和多功能的巷道综合支护体系。其主要原理是软岩岩石力学及锚注支护和注浆加固机理,针对复杂应力下软岩巷道的特点,以根本调动和提高围岩自身强度为核心,以改变围岩的力学状态,采取系列手段,确定巷道支护的科学设计方案,实现施工进程和效果的最佳方式。基本架构是：在主动支护理念指导和全程监测监控下,以单层或多层钢丝绳为筋骨的多喷浆层、高度密贴岩面的强韧封层结构为止浆垫和支护抗体,对部分软弱岩体,特别是关键部位的极软弱岩体进行合理置换,在稳压状态下向岩体内预注浆、注浆、复注浆,将高强度水泥浆液反复注入围岩体内,将松散软弱的岩煤体胶结成整体。并在巷道围岩体内预留带压浆液,以不断调整压力的恰当注浆手段,在岩体内留置预应力、缓释迭加应力,达到封、让、固功能的统一。实现不断提高围岩自身强度,使巷道支护长时间保持稳定的目标。

2 软岩破碎区域构建均质支护技术工程应用

2.1 工程概况

钱家营煤矿三采中部岩石轨道巷,原巷道设计净宽 4000mm,净高 3600mm。其巷道底板为砂岩,顶板为碳质泥岩。巷道支护原采用 25U型钢支架,由于受矿井地质条件的限制,巷道布置在距 72煤层底板 3000～5000mm的岩层中,岩层软硬交错,且不断承受直接的、反复的采动影响,巷道变形极其严重。顶板下沉、底鼓,局部地段 U型钢支架被压成麻花型,使巷道宽度已小于 2000mm,高度已小于 1000 mm,严重影响着矿井安全生产。其变形情况见图 1所示。

图1 钱家营矿三采中部岩石轨道巷实况

2.2 巷道围岩压力主要来源

被破坏的巷道多数在巷道群和交岔点及采区煤柱范围内,属典型的复杂复合顶生成状态,加上工作面频繁回采,近距离煤层群开采产生急剧反复的采空区基本顶板垮落,大面积来压释放,使得巷道支护遭受强烈破坏。复合顶板在高应力作用下表现为顶板极易离层、冒落,难以形成承载结构,特别是强烈的两帮移近、片帮及整体下沉,导致复合顶板下沉而产生离层破坏,顶板、两帮变形相互作用,形成恶性循环。致使在服务期间需多次返修,巷道维护极为困难。钱家营矿三采中部岩石轨道巷、2203胶带机巷,就是复合顶板在工作面回采动力影响下,对底部巷道支护剧烈破坏的典型。

2.3 软岩破碎区域构建均质支护参数选择要求

(1)锚杆材质选择 目前我国锚杆材质主要有高强螺纹钢、右旋等强螺纹钢、Q135圆钢等几种。其中,高强螺纹钢因其强度高、表面有凹凸纹理,可保证与锚固剂有较高的粘结强度和锚固强度,因而支护强度要远远大于其他材质锚杆。大变形的巷道修复,一般选择高强螺纹钢锚杆。

(2)“三径”匹配选择 根据锚杆支护施工实践经验,一般确定 “三径”的配比是：钻头直径φ28mm,孔径约为 φ29～32mm,锚杆直径为 φ20～24mm,药卷直径为 φ23mm。

(3)锚固剂与锚固方式 从锚固剂锚固效果看,树脂药卷与锚杆和围岩的粘结强度明显好于水泥药卷锚固的锚杆。同时,树脂药卷锚固锚杆还具有锚固效果好、可靠性高、使用方便、节省工时,防震性能好,防腐防锈等优点。因而目前煤矿大多采用树脂锚固剂。锚固方式分为 3种基本类型：端头锚固、加长锚固、全长锚固。端头锚固方式,除锚固段与围岩体粘结紧密外,其余部分大多与围岩体呈脱开状态,很难保证锚杆具有足够的锚固力。全长锚固方式,对保证锚杆足够的锚固力极其有利,但施工困难,树脂药卷用量大、费用高。锚注支护使端锚的锚杆实现了全长锚固,显著高于端锚,但施工比使用全长锚固剂的固结法简便、可靠,费用也大大低于全长锚固。同时采用锚注支护技术,锚杆与围岩缝隙会被浆液充满,使锚杆成为全长锚固形式。

(4)锚杆间排距 对巷道支护而言,间排距过大,在围岩中形成的加固厚度就较小,甚至不能形成连续的承载结构,因而难以有效控制围岩变形。一般是根据地质条件、巷道尺寸和生产技术条件来确定间、排距。按类比法,在煤矿巷道建设中用于锚固的锚杆间排距,常用的参数为 700mm×700mm。二层次的锚杆间距仍为 700mm×700mm。实际锚固锚杆的间、排距仅为 350mm×350mm,可较好地保证支护效果。

(5)锚杆长度 针对复合顶板在采动对底部巷道支护剧烈影响的情况,选择 2个层次不同的高强锚杆,即：L=1800mm,L=2200～2400mm,确保在强烈采动下对底部巷道受力的均匀传递和复合顶板在不同深度不同类型载荷作用下,充分发挥锚杆对围岩的高强组合梁作用。

(6)注浆锚杆参数选择依据 注浆锚杆的布置、注浆锚杆长度、间排距和排列方式等参数,根据围岩性质、围岩裂隙状况和围岩移变规律的可注性评判及现场注浆扩散半径确定。间排距根据每个孔注浆的扩散半径及孔的排列方式而定。采用行排列方式时,为使浆液在设计压力下也能互相贯通,应使 A1=2A2。其中,A1为矩形 ABCD的面积,A2为矩形ABCD内各注浆的扩散面积,见图 2所示。

图2 注浆孔的布置方式

式中,R为每个注浆孔的扩散半径,其大小取决于岩体的破碎程度、渗透系数、浆液的黏度、可注性和注浆压力。根据实践经验与现场试验,巷道围岩注浆时的 R值通常应为 1～1.25m。设孔间距为 d,则A1=2Rd,故应有：

如按三角形布置注浆锚杆,则平行四边形 ABCD的面积为：

为确保多层次注浆与复注的安排准确可靠,对各注浆锚杆眼的排列方式选定为行排列。通过对 d=1.57R与 d=1.77R的 2种注浆锚杆的比较,参考巷道围岩可注性的实践经验,注浆锚杆间距设计为 1500mm×1500mm,采用双层注浆锚杆。

(7)注浆深度 按裂隙发育的经验公式：r1=0.78+2.13γH/Rc

式中,γH为岩石密度与巷道埋深的乘积,取 12～17MPa;Rc为岩石强度,取 25MPa。则：

r1=900～1300mm

对修复巷道裂隙发展时间较长区域,注浆孔深度也应适当加长。此注浆孔深度取 1800～2200mm。

根据上述锚杆规格采用壁厚 4mm,φ22mm×2000mm普通铁管制作。在距杆体螺纹口 800mm处,依次按 150mm×150mm,呈 3个方向钻出 3组φ6～8mm的注浆孔。第 1层注浆锚杆长度 1600～1800mm;第 2层注浆锚杆长度 2000～2200mm。

(8)注浆浆液配比 按 525号水泥浆液的水、灰之比∶第 1次注浆的浆液配比为 1∶0.6～0.8;第 2次浆液一般为 1∶0.8～1.0。注浆量：第 1次控制在 4～6袋水泥的浆液之内;第 2次控制 3～4袋水泥,当压力达不到注浆终压要求时,以满足注浆压力的要求为止。注浆压力：第 1次终压控制在1.5～2.0MPa;第 2次终压控制在 2.5～3.0MPa。底角一般控制在 2.0～3.0MPa。注浆眼孔角度上顶垂直于顶板和岩石层理,按巷道拱圆及注浆锚杆的间距要求均匀排列。底角高于底板 50～100mm布眼,下俯倾角 35～50°以上。

2.4 工艺过程与主要参数

钱家营矿三采中部岩石轨道巷、2203胶带机上山的巷道均采用均质支护修复方案。第 1层：清理→剥离危石→刷出巷道毛断面→初喷一层混凝土→在戴帽点柱下打高强锚杆→挂钢丝绳→安装托盘→再复喷→形成柔性密贴支护层。第 2层：顶帮布置注浆锚杆注浆加固。底板卧底后布置底角注浆锚杆注浆加固,底角注浆锚杆下俯 30～45°,以利浆液扩散至底板岩层之中。整个支护结构如图 3。

图3 巷道加固支护结构

锚注支护所用的材料主要包括：高强锚杆、内注浆锚杆、钢丝绳、树脂锚固剂、空心快硬水泥药卷、水泥、喷射用混凝土等。

一层高强锚杆：长度 φ22×1800mm,间排距700mm×700mm。二层高强锚杆：长度 2400mm,间排距 700mm×700mm。

顶帮第 1层注浆锚杆：顶、帮的注浆锚杆规格为 φ22×1800mm铁管制作,壁厚 4mm,杆体上顺序钻有 φ6mm注浆孔,间排距 1500mm×1500mm。第 2层注浆锚杆：顶板的注浆锚杆规格为 φ22×2200mm,上部注浆眼的深度 2800～3200mm,帮注浆锚杆规格为 φ22× (2000～2200)mm,间排距1500mm ×1500mm。

底角注浆锚杆：同顶部锚杆,排距 1500mm,距离底板高不超过 100mm,下俯 30～45°。

钢丝绳：两层钢丝绳从一侧底脚到另一侧底脚,按锚杆的纵、横、行、排规范挂好,并压紧。

喷射混凝土：初喷层厚度 70～80mm,复喷层厚度 50～70mm,配合比为水泥∶黄砂∶瓜子片石1∶2∶1.5。

注浆参数：采用 525号普通硅酸盐水泥加水玻璃浆液,水玻璃浓度应为 45Be、用量为水泥重量的 3%～5%。浆液的水灰比一般为 0.7∶1.0～1∶1.0。注浆压力 1.5～2.5MPa,最大为 3MPa。单孔注浆时间一般在 20～30min。

3 均质支护技术效果

钱家营矿三采中部岩石轨道巷采用均质支护技术后,完善了钢丝绳为筋骨、锚注为支护主体的创新支护体系,可使锚杆和注浆各自的适用范围都得到扩展,有效地控制了高应力极软岩巷道围岩的损伤和变形。

高应力软岩巷道经锚注后,围岩变形量降低95%左右,受力状态进一步改善。使难维护的巷道转化为比较容易维护的巷道。巷道支护移变量保持在 5%左右,支护效果见图 4所示。

图4 巷道支护效果

4 结束语

深井开采复杂应力、极软岩巷道支护技术的发展,把软岩巷道趋于主动性支护体系提高到可控动态的新阶段。成功地解决了深部矿井受复杂应力极软岩巷道支护这一国内外长期得不到解决的技术难题,将会在国内外深部矿井开采事业中发挥越来越大的作用。

结合开滦矿区的特点,针对复杂应力下软岩巷道遭到强烈破坏的实际状况,以提高围岩自身强度和改变围岩的力学性质构建了均质支护技术,高强韧性封层与稳压胶结,解决深井巷道的支护问题。为煤矿企业极软岩巷道困难支护工程提供技术指导,为今后解决困难巷道支护问题开辟一条新路。

[1]王泉章 .围岩松动圈理论及其在软岩巷道锚喷支护中的应用[J].煤矿开采,2002(2)：36,45.

[2]鲁 岩,方新秋,等 .基于模拟优化确定深井软岩巷道锚杆支护技术的应用 [J].煤炭工程,2007(4).

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[责任编辑：邹正立]

Homogeneous Supporting Technology of Cracked Roadway Surrounded by Soft Rock and Its Application in Deep Mine

LI Jian-min1,2,ZHANG Zhi-yan1,2
(1.Kailuan(Group)Co.,Ltd,Tangshan 063018,China;2.Rock Mechanics&Support Committee,China Coal Society,Beijing 100013,China)

In order to solve the difficult problem of supporting soft-rock roadway with complex stress in deep mine,following methods were put forward including improving structure of surrounding rock and its physical and mechanical property,reinforcing surrounding rock to improve its loaded ability and constructing homogeneous supporting circle.Practice showed that these methods controlled effectively soft-rock roadway in deep mine and improved safety environment.

deep mine;soft rock;homogeneous supporting

TD353

A

1006-6225(2011)01-0060-04

2010-08-26

李建民 (1957-),男,河北丰润人,教授级高工,博士,现任开滦集团公司副总经理。