難維護巷道圍巖變形控制技術

難維護巷道圍巖變形控制技術第一頁，共38頁。巖巷難維護的原因一、概述圍巖松軟破碎：單軸抗壓強度<10～20MPa

深井（自重應力）

高應力采動應力（原巖應力的3～6倍）

構造應力

松軟破碎＋高應力第二頁，共38頁。該類巷道具有圍巖破碎嚴重，塑性區(qū)、破碎區(qū)范圍很大，蠕變嚴重。巷道圍巖變形少則幾百毫米，多達1.0~2.0m。巷道在服務期間需要進行不斷的維護與返修，特別是它們的兩類或三類的復合型，問題更為突出。破壞方式：軟巖巷道破壞是一個漸進的力學過程，總是從某一個或幾個部位開始變形、損傷，進而導致整個系統(tǒng)失穩(wěn)。破壞過程：沿巷道斷面各個方向的位移速度各不相同，總是從劇烈變形的部位發(fā)生裂紋，鱗狀剝落，變形破壞區(qū)域逐漸擴大，最終導致整個支護系統(tǒng)的失穩(wěn)難維護巖巷的變形破壞特點第三頁，共38頁。第一類，圍巖軟弱型，即軟巖巷道第二類，采動影響型，即動壓巷道第三類，深井高應力型，即深井巷道第四類，上述三類巷道的復合型難維護巖巷的類型二、難維護巷道的類型第四頁，共38頁。動壓巷道煤層開采引起的采動應力通常在原巖應力的3~10倍左右，將造成回采巷道、受跨采影響等巷道的嚴重破壞。第五頁，共38頁。軟巖巷道是指在工程力作用下能產(chǎn)生顯著顯著的塑性變形和非連續(xù)變形的巷道。工程力指作用在巷道圍巖的力之和，包括自重應力、殘余構造應力、水的作用力，采動影響力及膨脹應力等。第六頁，共38頁。1、綜合性定義地質(zhì)軟巖：單軸抗壓強度在0.5~25MPa的松散、破碎、軟弱及風化膨脹性一類巖體的總稱。工程軟巖：在工程力作用下能產(chǎn)生顯著塑性變形的工程巖體。工程巖體是軟巖工程研究的主要對象，包括巖塊、結構面及其空間組合特征。工程力是指作用在工程巖體上的力的總和，可以是重力、構造殘余應力、水的作用力和工程擾動力以及膨脹應力等。顯著塑性變形以塑性變形為主的變形量超過了工程設計的允許變形值并影響了工程的正常使用。包括顯著的彈性變形、粘彈塑性變形，連續(xù)性變形和非連續(xù)性變形等。軟巖的概念第七頁，共38頁。2、描述性定義(1)原煤炭工業(yè)部礦山壓力情報中心站、長春煤炭研究所總工程師陸家梁提出，松軟巖層系指松散、軟弱的巖層。它是相對于堅硬巖層而言的。松軟巖層由于成巖的時間短、結構疏松、膠結程度差，故自身強度很低。(2)原煤炭工業(yè)部軟巖分站副站長鄭雨天等認為，軟巖是軟弱、破碎、松散、膨脹、流變、強風化蝕變及高應力的巖體之總稱。(3)淮南礦業(yè)學院朱效嘉教授提出，松軟、破碎、膨脹及風化等巖層稱為松軟巖層，簡稱軟巖。(4)1984年12月，在昆明市舉行的煤礦礦山壓力名詞討論會上提出的定義是，松軟巖層是指強度低、孔隙度大、膠結程度差、受構造面切割及風化影響顯著或含右大量膨脹性粘土礦物的松、散、軟、弱巖層?？傊疵枋鲂远x，軟巖是軟弱、破碎、松散、膨脹、流變強、風化和膨脹性巖體的總稱。第八頁，共38頁。3、指標化定義(1)ISRM(國際巖石力學學會，1990，1993）定義：軟巖是指單軸抗壓強度在0.5～25MPa的一類巖石。(2)G.Russo(1994)定義：軟巖指單相抗壓強度小于17MPa的巖石。4、工程定義中國礦業(yè)大學董方庭教授指出，圍巖松動圈大于1.5m，并且用常規(guī)支護不能適應的圍巖稱為軟巖。第九頁，共38頁。分析由此可見，國內(nèi)外對于軟巖的定義尚不能統(tǒng)一，這嚴重阻礙了軟巖的學術交流和研究的深入。為便于工程應用，本研究將采用工程軟巖的定義。通過近10年來的工程實踐檢驗，證明了該定義對軟巖界定的科學性、可靠性及實用性。第十頁，共38頁。深井巷道根據(jù)我國煤礦的巷道支護技術水平和地質(zhì)條件，一般將800m作為深部開采的標準，部分軟巖礦井的深部開采標準可定為600m或更淺。第十一頁，共38頁。我國國有大中型煤礦開采深度每年約以10m的速度向深部增加。一些老礦區(qū)和缺煤礦區(qū)相繼進入深部開采階段。開采深度加大，巖體應力急劇增加，地溫升高，當巖體應力達到或超過巖體強度時，有關巖體力學的若干問題由量變逐漸發(fā)生質(zhì)變，造成資源開采的極端困難，并引發(fā)礦井重大安全事故危險性增加，嚴重威脅礦井的安全生產(chǎn)。我國煤炭儲量大部分埋藏在深部，埋深大于600m和1000m的儲量分別占到73.19%和53.17%。難維護巖巷成為重點第十二頁，共38頁。二、松軟巖層巷道施工涉及的幾個問題㈠松軟巷道圍巖變形和壓力特征1．軟巖巷道圍巖變形特征⑴圍巖變形有明顯的時間效應。

⑵圍巖變形具有明顯的空間效應。

⑶軟巖巷道不僅頂板下沉量大和容易冒落，而且底板也強烈鼓起，并常拌有兩幫劇烈位移。⑷圍巖變形對應力擾動和環(huán)境變化非常敏感。

此外，軟巖巷道的自穩(wěn)時間短。

第十三頁，共38頁。第十四頁，共38頁。2．巷道圍巖變形量的構成

軟巖巷道圍巖變形量的組成其圍巖變形量主要有以下三部分組成（圖10-1）：⑴掘巷引起的圍巖變形量；⑵圍巖流變引起的變形量；⑶巷道受各種擾動引起的變形量。U0—掘巷引起的變形；

v0t0—巷道流變量；∑ui—擾動和浸水引起的變形量。第十五頁，共38頁。㈡合理選擇巷道位置

1．巖石性質(zhì)

2．支承壓力的影響

除了要避免支承移動壓力的影響外，還必須避開采場上下固定支承壓力的影響范圍，應把巷道布置在應力降低區(qū)或原巖應力區(qū)內(nèi)為最好。如圖10-2所示。

㈢巷道斷面形狀的選擇㈣破巖方式的選擇

第十六頁，共38頁。㈤支護方式和支護結構的選擇

對于這種特殊的不良地層，其支護結構應有“先柔后剛”的特性，一般需要二次支護。

初始支護應按照圍巖與支架共同作用的原理，選用剛度適宜、具有一定柔性或可縮性支架。它既允許圍巖產(chǎn)生一定量的變形移動，以發(fā)揮圍巖自承能力，同時又能限制圍巖發(fā)生過大的變形移動?？梢圆捎缅^噴支護、U形金屬可縮性支架等。

二次支護的作用在于進一步提高巷道的穩(wěn)定性和安全性，應采用剛度較大的支護結構?？刹捎缅^噴支護，砌碹。在噴射混凝土中還應增加鋼筋網(wǎng)和金屬骨架，即構成錨噴網(wǎng)金屬骨架聯(lián)合支護結構。第十七頁，共38頁。

采用料石或混凝土塊砌碹作為二次支護時，應選用異形料石或異形混凝土塊作為砌體材料，圖10-3是舒蘭設計采用的異形混凝土塊碹；圖10-4是前屯煤礦使用的異形料石圓碹。第十八頁，共38頁。第十九頁，共38頁。

采用料石和混凝上塊砌碹，只要提高施工質(zhì)量，調(diào)整砌塊的規(guī)格，保證壁后充填密實，或在砌塊之間加入可縮性木板，均能大大提高碹體的支護效果。

在蘇聯(lián)、比利時等國支護軟巖巷道，尤其是采深較大的巷道，常采用預制混凝土塊支護，并向大型鋼筋混凝土塊發(fā)展，用吊裝機械安裝。近年來我國少數(shù)煤礦，如沈陽礦務局大橋煤礦也已開始使用這種鋼筋混凝土塊來支護軟巖巷道并取得了一定的效果。第二十頁，共38頁。㈥軟巖巷道的聯(lián)合支護1．錨噴和U形鋼聯(lián)合支護2．錨噴和砌碹聯(lián)合支護3．錨噴和弧板聯(lián)合支護㈦巷道底板的管理

1．巷道底鼓的類型和機理⑴擠壓流動性底鼓⑵撓曲褶皺性底鼓

⑶剪切錯動性底鼓

⑷遇水膨脹性底鼓第二十一頁，共38頁。2．底鼓的防治

㈧重視圍巖的量測監(jiān)控

在松軟巖層巷道采用錨噴支護，一定要配合進行量測監(jiān)控，可用收斂計量測巷道的收斂變形，亦可用水準儀測量頂板下沉量和底鼓量；用各種多點式位移計量測巖層內(nèi)不同深度的位移，從而可以算出位移速度。通過這些量測數(shù)據(jù)，有助于評價圍巖的穩(wěn)定程度，可以論證各設計參數(shù)是否合理和錨噴效果，也是修改設計和確定二次支護時間的依據(jù)，錨桿的錨固力可用中空千斤頂式的錨桿拉力計來量測。錨桿的應力狀態(tài)，可用專門設計的空心“錨桿”(它的構造是聚氯乙烯塑料管內(nèi)壁用101號膠粘貼電阻片)來測定，以檢驗錨桿不同深度處的受力狀態(tài)，從而能推知圍巖內(nèi)應力重新分布的情況，進而可調(diào)整錨桿的設汁參數(shù)。對于大斷面的重要工程還要進行接觸應力和噴層內(nèi)切向應力的量測，可采用電阻應變磚和鋼弦壓力盒等測試元件。根據(jù)測量結果，可以了解噴層的受力狀態(tài)，有助于設計噴射混凝土的厚度。地應力特別大的礦區(qū)，還應量測構造應力場，這對巷道合理布置，減輕地應力對巷道支護的破壞影響具有重要意義。第二十二頁，共38頁。㈨借鑒新奧法指導軟巖巷道施工

新奧法是隧道施工科學方法的總結，主要針對軟巖隧道施工，重點在支護方面。新奧法不是單純的支架結構改革或支護方法的改進，而是一套綜合的隧道施工方法，更確切地說是一套適用在斷面50～150㎡的遂道及大斷面地下工程設計、掘進、襯砌、測試相結合的完整新概念。

新奧法的概念是按巖石力學圍巖支架共同作用基本原理制定的，其主要意圖是調(diào)動圍巖自身的承載能力，盡可能地控制圍巖變形，防止圍巖松動，以達到施工隧道的最大安全度和最好經(jīng)濟效果。

新奧法認為認為噴射混凝土最能緊貼圍巖，充分利用圍巖自身強度。噴層開裂并非壞事，而是表現(xiàn)出一定的讓壓性，必要時第一次支護加用錨桿或少量鋼拱支架根據(jù)實測資料及理輪分析，合理地選用和設計第二次支護的材料，結構型弍及規(guī)格尺寸。第二十三頁，共38頁。難維護巖巷圍巖產(chǎn)生大范圍的破碎區(qū)、塑性區(qū)難以避免，一次支護控制高應力軟巖巷道圍巖大變形難以實現(xiàn)，應進行二次支護。二次支護時機是決定維護效果的關鍵因素。二次支護最佳時機是圍巖應力、塑性區(qū)及變形速度趨于穩(wěn)定，此時圍巖的膨脹變形能得到了充分釋放而圍巖自身承載能力又沒有太多的損失。該時機的掌握可以通過對巷道表面位移監(jiān)測，當巷道表面位移速度由快到趨于平緩的拐點附近為二次支護的最佳支護時機。第二十四頁，共38頁。軟巖巷道的有效維護是煤礦開采面臨的主要難題之一，目前國內(nèi)外仍未形成一種普遍適用的技術方法；該類巷道的有效維護必須針對現(xiàn)場實際條件靈活運用錨桿、錨索、金屬棚、注漿等技術互相組合，才能取得成功。在本研究中，應針對現(xiàn)場條件，加強圍巖變形破壞的監(jiān)測，用時調(diào)整支護方案和參數(shù)，反復實驗以形成適用于煤礦的有效維護方法。結束語第二十五頁，共38頁。六、工程實例巷道概況變形分析支護設計支護效果分析第二十六頁，共38頁。九龍煤礦北翼北二正巷位于-600水平，巷道頂板上距2＃煤26m，巷道底板下距4＃煤14m左右。巷道位置第二十七頁，共38頁。巷道原設計掘進斷面4.5×3.85m，支護參數(shù)為U36鋼加錨網(wǎng)噴支護，U型鋼排距為600mm，錨桿長度為2.0m，直徑為20mm，2個樹脂藥卷錨固，錨桿間排距為600mm。噴層為C20混凝土150mm，巷道斷面為15.1m2。

由于巷道受動壓影響，出現(xiàn)了頂板下沉，兩幫收縮，底板鼓起，巷道收縮嚴重，目前斷面面積5～7m2。巷道變形破壞情況如圖。破壞變形情況第二十八頁，共38頁。頂板冒落頂板冒落第二十九頁，共38頁。U29鋼變形破壞

斷面收縮第三十頁，共38頁。圍巖變形機理分析

1、巷道圍巖特性的影響巷道所處巖性好壞直接影響巷道的支護效果，如九龍礦3＃煤頂?shù)装甯浇鼮樯百|(zhì)泥巖，強度較低，而且節(jié)理較發(fā)育，極易破碎失去承載能力，凡是布置在這層巖石中的巷道均遭到嚴重的破壞，在使用過程中破壞尤為嚴重，而布置在巖性較好的巖層中的巷道，雖然經(jīng)過數(shù)次采動影響巷道破壞也較輕微。第三十一頁，共38頁。2、巷道埋藏深度的影響巷道埋藏深度也是影響巷道支護效果的一個重要因素，在九龍礦一般巷道埋藏深度小于500m時破壞程度較小，而埋藏深度超過500m的巷道破壞程度明顯加大，該礦南、北一軌道運輸上山的3＃中部車場往上巷道破壞程度較小，而3＃中部車場往下巷道破壞程度嚴重，特別是2＃中部車場往下，幾乎到了無法維持的地步，而九龍礦主要生產(chǎn)巷道均布置在-600m水平，巷道埋深超過700m，礦山壓力顯現(xiàn)劇烈，巷道破壞特別嚴重，造成整修頻率加大，整修難度加劇。

圍巖變形機理分析

第三十二頁，共38頁。3、采動影響九龍礦回采工作面采動對巷道影響相當大，一般在距工作面130～200m時壓力開始顯現(xiàn)，在50～130m時顯著增大，在0～50m時最大，如15207N工作面在采煤過程中對北二正巷造成的破壞最為嚴重，而且停采后保留的煤柱對北二正巷外段影響較大，經(jīng)過多次整修，破壞仍然很嚴重，影響礦井正常的生產(chǎn)；15226S、15226N工作面在采煤過程中對南二正巷里段造成嚴重破壞，經(jīng)過采取加U型鋼進行超前支護，大大減小了巷道破壞程度，保證了南二采區(qū)的正常生產(chǎn)，而且拆U型鋼后經(jīng)過輕微的整修就可修復破壞巷道，效果特別明顯。

圍巖變形機理分析

第三十三頁，共38頁。4、支護形式及支護參數(shù)的影響在一條巷道的位置、層位及斷面確定下來以后，巷道的支護好壞關鍵是支護形式及支護參數(shù)的選取，如選取適當，巷道支護效果就好，如選取不當，將事倍功半，有時不但當時支護效果差，