深部复合岩层巷道围岩控制技术

深部复合岩层巷道围岩控制技术

薛俊华1,2，范明建3，段昌瑞1,2，吴志坚1

(1.淮南矿业(集团)有限责任公司，安徽 淮南 232001；2.深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室，安徽 淮南 232001；

3.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

[摘要]针对深部矿井岩石巷道围岩整体变形量大、持续时间长、局部破坏严重的支护难题，以朱集矿-965东翼轨道大巷为工程背景，在进行系统地质力学测试、围岩变形破坏特征分析、支护形式选取与现场试验的基础上，对深部高地应力复合岩层巷道围岩控制技术进行研究。通过优化锚杆支护参数、合理选择护表形式与构件，实现了深部复合岩层巷道围岩的一次主动支护，有效控制了深部巷道围岩的长期持续变形，改变了深部岩巷“前掘后修、反复维修”的局面，取得了良好的现场应用效果。

[关键词]深部矿井；复合岩层；围岩控制技术；强力锚杆支护

[中图分类号]TD353[文献标识码]A

[收稿日期]2014-07-22

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.019

[基金项目]国家科技支撑计划(2012BAB13B02)，淮南矿业集团科技项目计划(HNKY-JT-JS-(2011))

[作者简介]薛俊华(1963-)，男，江苏泰州人，博士，教授级高级工程师，从事煤与瓦斯共采理论及技术研究。

Surrounding Rock Control of Roadway in Deep Composite Rock Strata

XUE Jun-hua1,2, FAN Ming-jian3, DUAN Chang-rui1,2, WU Zhi-jian1

(1.Huainan Mining (Group) Co., Ltd., Huainan 232001, China;

2.State Key Laboratory of Deep Coal Mining & Environment Protection, Huainan 232001, China;

3.Coal Mining & Designing Department, Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China)

Abstract:In order to solve the supporting problem of large and long-time deformation, local serious failure in deep rock roadway, surrounding rock control technology was researched on the basis of testing geo-stress, analyzing failure characteristic of surrounding rock, selecting supporting manner and field test.By operating anchored bolt parameters, rationally selecting supporting components, one-time initiative supporting of deep roadway with composite rock was realized and long-time deformation was controlled.The situation of “first-driving-second-repairing”was changed.Field application effect was excellent.

Keywords:deep mining; composite rock strata; surrounding rock control technology; powerful anchored bolt

[引用格式]薛俊华，范明建，段昌瑞，等.深部复合岩层巷道围岩控制技术[J].煤矿开采，2015，20(1)：64-67.

深部煤炭资源开采以其开采环境的特殊性、生产与地质条件的复杂性、工程灾害的突发性和频发性，成为国内外煤矿开采领域研究的焦点。多年来，专家学者和现场技术人员，在解决深部巷道围岩控制与支护技术难题方面做了大量理论研究和实践工作[1-5]。

从巷道支护方式来看，包括俄罗斯、德国、美国、澳大利亚在内的世界主要深部煤炭开采国家，已由原来的“架棚支护、强力锚杆、组合锚杆(索)桁架”等单一支护形式，向“锚、网、索、带、喷+封闭式刚性支架+架后岩体注浆”相结合、集支护与加固为一体的复合支护形式发展。目前，尽管俄罗斯和部分西欧国家在深部巷道围岩多重高强联合支护方面进行了较广泛的研究，但因其支护工艺复杂、施工速度慢、支护成本高等原因，未能得到广泛应用。

目前，我国煤矿深部巷道主要多以“锚网索+U钢棚”联合支护为主，部分矿井深部复合巷道处于“前掘后修、反复维修、多次起底，套棚修复”的状态，平均返修率达到70%以上。巷道掘进与维修成本最高达到2～3万元/m[7-8]。近年来，随着高强超高强支护材料的开发和部分施工机具的研制与引进，高预应力、强力锚杆锚索支护系统在多个矿区的深部复合巷道中得到了推广应用并取得良好的支护效果与经济技术效益。

1巷道围岩赋存条件

淮南矿区朱集煤矿北盘区-965东翼轨道大巷位于矿井-965m水平，巷道埋深980～1010m之间。巷道所处区域地层为二叠系煤系地层，位于8煤与11煤之间的泥岩、砂质泥岩、中砂岩等岩层中，各岩层厚度一般集中在0.8～10m之间，局部为厚度20~30m的泥岩、中砂岩(表1)。巷道围岩岩层总体为单斜构造，倾向220°，倾角2~4°。巷道距下伏8煤层间距离39.0～48.1m，距离上覆11-1煤层间距24.1～32.7m。现场揭露的泥岩呈深灰色、致密，性脆，砂质含量不均，局部因含砂质较高相变成砂质泥岩；粉砂岩，呈灰色-深灰色，夹薄层泥岩。-965东翼轨道大巷所处层位无明显标志层，为典型的深部复合岩层巷道。

表1　朱集-965东翼轨道大巷岩层综合柱状

采用井下单孔多参数耦合快速地质力学测试系统与装备对-965东翼轨道大巷围岩应力环境、围岩强度及围岩结构分布状况进行相关测试。结果显示，围岩最大水平主应力17.67～18.8MPa，最小水平主应力9.79～9.96MPa，垂直主应力为24.08～24.33MPa，属于高地应力区域。巷道围岩受偏应力作用显著，相互垂直的主应力差值最大达到14.54MPa。围岩强度原位测试曲线(图1)波动幅度较大，虽然顶板主要为砂岩，但含有弱面、节理、裂隙发育。砂岩平均强度在85～90MPa之间，泥岩强度平均为69.7MPa。巷道浅部围岩强度偏低，集中在30～60MPa。巷道埋藏深度大、地应力水平高、偏载作用显著、复合岩层岩性变化频繁、弱面夹层多、岩体强度变化大等多重复杂条件，对巷道围岩控制造成较大困难。

图1　顶板围岩强度测试曲线

2围岩变形特征与支护参数问题分析

2.1　支护形式与变形特征

-965东翼轨道大巷断面为直墙半圆拱形，掘进断面宽5700mm，墙高1600mm，拱高2850mm。巷道采用“锚网喷”联合支护，锚杆选用直径22mm，长度2500mm的高强螺纹钢锚杆，间排距均为800mm；巷道拱顶选用直径22mm，长度6300mm高强锚索进行加强支护，每排布置5根拱顶锚索，间距1000mm，排距1500mm。局部围岩破碎时采用U29金属棚进行加强支护。

由于巷道整体支护强度较高，特别是巷道顶板采用5根直径22mm的锚索进行加强支护，顶板下沉量得到较好地控制。巷道掘进期间，顶板下沉量一般为70～100mm。巷道围岩两帮移近和底鼓一般发生在距迎头20～30m以后，呈现“持续时间长、累计变形量大”的特点。部分巷道掘进期间，两帮移近量平均达到300～400mm，底鼓量达到500mm以上。巷道拱顶两肩和底角出现断锚杆的现象。

2.2　支护参数存在问题分析

通过观察巷道围岩变形破坏过程与现场施工状况，结合煤矿巷道围岩控制理论与锚杆支护技术的相关研究成果，-965东翼回风大巷在支护形式与参数选取方面存在以下问题：

(1)支护系统缺少必要护表构件，锚杆的支护应力难以在围岩中得到有效扩散。由于巷道断面为直墙半圆拱形，钢带安装难度较大且不易贴紧巷道顶板。现场施工时，将锚杆托板直接压在钢筋网上，大大降低了锚杆支护作用范围和对巷道围岩的有效控制。对于拱形巷道，合理的锚杆护表构件应具有与杆体强度相匹配的强度和刚度；较合理的结构尺寸，能够有效扩大锚杆的作用范围，在保证支护效果的同时，降低锚杆密度；能够贴紧巷道表面，便于现场施工，减轻劳动强度。

(2)锚索支护全部布置在巷道拱顶，整体支护强度分布不均衡，锚索布置参数有待优化。锚索的支护作用是将浅部围岩中锚杆形成的承载结构与深部围岩相连接。锚索具有能够施加较高预紧力的优点，能够将锚杆端部产生的拉应力区消失，并转换成有一定区域的压应力区。原设计中将5根锚索全部布置在巷道拱顶，支护强度极不均匀。在支护参数选取方面，应首先考虑巷道整体支护强度，避免因局部支护强度偏低而造成的初期破坏，进而引起全断面的变形破坏。

(3)锚杆(索)预紧力偏低，主动支护作用未能充分发挥。现场施工时锚杆预紧扭矩为200N·m，其轴向预紧力仅为20～30kN，不足锚杆屈服载荷的15%。现场锚索张拉力120kN，仅为锚索破断强度的21.4%。根据巷道条件和施工机具水平，一般要求锚杆预紧力应为杆体屈服强度的30%～50%，锚索预紧力应为索体拉断载荷的40%～70%[10]。

(4)帮部围岩支护强度偏低，底角锚杆角度偏大，造成两帮及底板变形明显。巷道围岩应力场以垂直应力为主，垂直应力对巷道两帮的影响要大于对顶底板的影响。同时，通过提高帮部支护强度可有效控制底板的变形和破坏程度。现场巷道帮部底角锚杆要求与水平方向呈30°～45°夹角，导致底角锚杆的支护应力与其他锚杆形成整体的承载结构分离，无法有效控制两帮底角及附近底板的变形破坏。

3深部巷道支护理念与参数选取原则

随着巷道埋藏深度的逐步增加，复杂多变的煤矿开采地质与生产条件，巷道二次支护理论遇到了很大的挑战。在深部、强烈动压影响、特殊地质构造影响等区域，巷道采用二次支护后仍出现严重的变形破坏问题。与此同时，以强调支护系统初期支护强度和刚度的“高预应力强力一次支护理论”在深部复合巷道中得到推广和应用，并取得了良好的支护效果。

针对矿井-965东翼回风大巷埋深大、地应力水平高、复合岩层等地质条件，在分析围岩变形特征、原支护形式与参数选取存在问题的基础上，提出以下巷道支护参数选取原则：

(1)支护系统应具备与巷道围岩应力环境相匹配的初期支护强度与刚度，确保能够有效控制围岩内部离层、滑移、错动以及裂隙张开和新裂纹的产生，保持围岩的整体结构不被破坏。

(2)在保证巷道整体支护强度的前提下，提高帮部支护强度。通过强化帮部支护，实现对底板围岩变形破坏的控制，避免因巷道局部破坏而造成的大面积持续破坏。

(3)支护系统具有韧性和抗冲击能力，在高应力和动压影响作用下，允许围岩具有一定的变形和整体位移能力，以适应深部高应力巷道围岩大变形特点。同时，巷道服务期间的总位移量应满足生产需要，围岩整体支护结构不应出现失稳和破坏。

(4)支护形式与参数具有可操作性，便于井下施工，有利于提高巷道掘进速度和降低巷道综合维护成本。

4现场试验与支护效果评价

根据巷道现场条件与支护现状，在地质力学测试、存在问题分析、参数选取原则合理确定的基础上，对原支护参数进行优化设计(图2)。

巷道开挖并初喷后，进行锚网索支护。锚杆为直径22mm，长2400mm，屈服强度不低于500MPa的高强抗冲击螺纹钢锚杆，冲击吸收功不低于60J。锚杆树脂全长预应力锚固，预紧力80～100kN。锚杆排距900mm，每排15根锚杆。选用高强度双向四肋“井”型W钢护板作为强力锚杆的附属构件，实现锚杆高预紧力在围岩中的有效扩散。锚索为1×19股，直径22mm煤矿专用钢绞线，长度6.3m(顶)、4.3m(帮)，端部加长锚固，排距1800mm，每排5根，均布在巷道顶板与两帮，锚索锁定张拉力250~300kN。局部围岩破碎时，对锚索自由段进行注浆加固，实现锚索全长预应力锚固。“井”型W钢护板、锚索托板与φ6.5mm高强度钢筋网共同组成巷道围岩的护表系统，对锚杆(索)施加初始预紧力的同时，也给钢筋网一定的拉紧力，实现巷道围岩的高预紧力强力主动支护。

图2　巷道关键支护参数示意

图3　巷道矿压监测结果与支护效果

掘进期间，巷道矿压监测结果(图3)显示：巷道表面位移一般在距掘进迎头50~60m范围内趋于稳定。两帮最大移近量为94mm，为巷道宽度的1.65%。两帮移近量相当，上、下帮移近量分别为42mm和52mm。巷道顶底移近量57mm，其中底鼓量38mm。正常条件下，顶板离层值一般在5～7mm之间。锚杆(索)受力增加幅度普遍较小，一般保持在30~50kN之间。从不同位置处锚杆(索)最大受力值看，位于巷道拱顶左肩和左帮的锚杆(索)受力值普遍大于顶板中部和右帮的锚杆(索)。

5结论

(1)深部高地应力复合岩层巷道支护单靠减小锚杆(索)间排距，难以有效控制围岩变形破坏。通过恢复和强化围岩的完整性和承载能力，与高预应力强力锚杆支护系统共同组成具有高强度、高抗变形能力的完整承载结构，实现对深部高应力巷道围岩的有效控制，尽量做到巷道一次支护便能满足生产的需要，避免二次支护和巷道维修。

(2)选择合理护表构件形式与参数是保证锚杆(索)支护应力扩散效果的关键。对于拱形巷道建议采用“双向四肋‘井’型W钢护板+钢筋网”的方式进行护表。W钢护板的强度与刚度应与锚杆的强度相匹配。

(3)深部高地应力巷道围岩控制应在保证整体支护强度的前提下，对关键部位进行强化支护，避免因局部破坏而造成的整个支护系统失效。支护系统应具有一定的韧性和抗冲击能力，在高应力和动压影响的作用下，允许围岩具有一定的变形和整体位移能力，以适应深部高应力巷道围岩大变形的特点。

(4)高预应力强力锚杆锚索支护系统有效控制了深部高地应力巷道围岩的长期持续变形，改变了深部岩巷“前掘后修、反复维修”的局面，现场应用效果良好。

[参考文献]

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[责任编辑：王兴库]