難維護(hù)巷道圍巖變形控制技術(shù)

難維護(hù)巷道圍巖變形控制技術(shù)第一頁(yè)，共38頁(yè)。巖巷難維護(hù)的原因一、概述圍巖松軟破碎：?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度<10～20MPa

深井（自重應(yīng)力）

高應(yīng)力采動(dòng)應(yīng)力（原巖應(yīng)力的3～6倍）

構(gòu)造應(yīng)力

松軟破碎＋高應(yīng)力第二頁(yè)，共38頁(yè)。該類(lèi)巷道具有圍巖破碎嚴(yán)重，塑性區(qū)、破碎區(qū)范圍很大，蠕變嚴(yán)重。巷道圍巖變形少則幾百毫米，多達(dá)1.0~2.0m。巷道在服務(wù)期間需要進(jìn)行不斷的維護(hù)與返修，特別是它們的兩類(lèi)或三類(lèi)的復(fù)合型，問(wèn)題更為突出。破壞方式：軟巖巷道破壞是一個(gè)漸進(jìn)的力學(xué)過(guò)程，總是從某一個(gè)或幾個(gè)部位開(kāi)始變形、損傷，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失穩(wěn)。破壞過(guò)程：沿巷道斷面各個(gè)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(kuò)大，最終導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)的失穩(wěn)難維護(hù)巖巷的變形破壞特點(diǎn)第三頁(yè)，共38頁(yè)。第一類(lèi)，圍巖軟弱型，即軟巖巷道第二類(lèi)，采動(dòng)影響型，即動(dòng)壓巷道第三類(lèi)，深井高應(yīng)力型，即深井巷道第四類(lèi)，上述三類(lèi)巷道的復(fù)合型難維護(hù)巖巷的類(lèi)型二、難維護(hù)巷道的類(lèi)型第四頁(yè)，共38頁(yè)。動(dòng)壓巷道煤層開(kāi)采引起的采動(dòng)應(yīng)力通常在原巖應(yīng)力的3~10倍左右，將造成回采巷道、受跨采影響等巷道的嚴(yán)重破壞。第五頁(yè)，共38頁(yè)。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(yīng)力、殘余構(gòu)造應(yīng)力、水的作用力，采動(dòng)影響力及膨脹應(yīng)力等。第六頁(yè)，共38頁(yè)。1、綜合性定義地質(zhì)軟巖：?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度在0.5~25MPa的松散、破碎、軟弱及風(fēng)化膨脹性一類(lèi)巖體的總稱(chēng)。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(duì)象，包括巖塊、結(jié)構(gòu)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(gòu)造殘余應(yīng)力、水的作用力和工程擾動(dòng)力以及膨脹應(yīng)力等。顯著塑性變形以塑性變形為主的變形量超過(guò)了工程設(shè)計(jì)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(yè)，共38頁(yè)。2、描述性定義(1)原煤炭工業(yè)部礦山壓力情報(bào)中心站、長(zhǎng)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(duì)于堅(jiān)硬巖層而言的。松軟巖層由于成巖的時(shí)間短、結(jié)構(gòu)疏松、膠結(jié)程度差，故自身強(qiáng)度很低。(2)原煤炭工業(yè)部軟巖分站副站長(zhǎng)鄭雨天等認(rèn)為，軟巖是軟弱、破碎、松散、膨脹、流變、強(qiáng)風(fēng)化蝕變及高應(yīng)力的巖體之總稱(chēng)。(3)淮南礦業(yè)學(xué)院朱效嘉教授提出，松軟、破碎、膨脹及風(fēng)化等巖層稱(chēng)為松軟巖層，簡(jiǎn)稱(chēng)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(huì)上提出的定義是，松軟巖層是指強(qiáng)度低、孔隙度大、膠結(jié)程度差、受構(gòu)造面切割及風(fēng)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?，按描述性定義，軟巖是軟弱、破碎、松散、膨脹、流變強(qiáng)、風(fēng)化和膨脹性巖體的總稱(chēng)。第八頁(yè)，共38頁(yè)。3、指標(biāo)化定義(1)ISRM(國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)，1990，1993）定義：軟巖是指單軸抗壓強(qiáng)度在0.5～25MPa的一類(lèi)巖石。(2)G.Russo(1994)定義：軟巖指單相抗壓強(qiáng)度小于17MPa的巖石。4、工程定義中國(guó)礦業(yè)大學(xué)董方庭教授指出，圍巖松動(dòng)圈大于1.5m，并且用常規(guī)支護(hù)不能適應(yīng)的圍巖稱(chēng)為軟巖。第九頁(yè)，共38頁(yè)。分析由此可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于軟巖的定義尚不能統(tǒng)一，這嚴(yán)重阻礙了軟巖的學(xué)術(shù)交流和研究的深入。為便于工程應(yīng)用，本研究將采用工程軟巖的定義。通過(guò)近10年來(lái)的工程實(shí)踐檢驗(yàn)，證明了該定義對(duì)軟巖界定的科學(xué)性、可靠性及實(shí)用性。第十頁(yè)，共38頁(yè)。深井巷道根據(jù)我國(guó)煤礦的巷道支護(hù)技術(shù)水平和地質(zhì)條件，一般將800m作為深部開(kāi)采的標(biāo)準(zhǔn)，部分軟巖礦井的深部開(kāi)采標(biāo)準(zhǔn)可定為600m或更淺。第十一頁(yè)，共38頁(yè)。我國(guó)國(guó)有大中型煤礦開(kāi)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(jìn)入深部開(kāi)采階段。開(kāi)采深度加大，巖體應(yīng)力急劇增加，地溫升高，當(dāng)巖體應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)巖體強(qiáng)度時(shí)，有關(guān)巖體力學(xué)的若干問(wèn)題由量變逐漸發(fā)生質(zhì)變，造成資源開(kāi)采的極端困難，并引發(fā)礦井重大安全事故危險(xiǎn)性增加，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)。我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量大部分埋藏在深部，埋深大于600m和1000m的儲(chǔ)量分別占到73.19%和53.17%。難維護(hù)巖巷成為重點(diǎn)第十二頁(yè)，共38頁(yè)。二、松軟巖層巷道施工涉及的幾個(gè)問(wèn)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(shí)間效應(yīng)。

⑵圍巖變形具有明顯的空間效應(yīng)。

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

此外，軟巖巷道的自穩(wěn)時(shí)間短。

第十三頁(yè)，共38頁(yè)。第十四頁(yè)，共38頁(yè)。2．巷道圍巖變形量的構(gòu)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(dòng)引起的變形量。U0—掘巷引起的變形；

v0t0—巷道流變量；∑ui—擾動(dòng)和浸水引起的變形量。第十五頁(yè)，共38頁(yè)。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(dòng)壓力的影響外，還必須避開(kāi)采場(chǎng)上下固定支承壓力的影響范圍，應(yīng)把巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)或原巖應(yīng)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(yè)，共38頁(yè)。㈤支護(hù)方式和支護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇

對(duì)于這種特殊的不良地層，其支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)有“先柔后剛”的特性，一般需要二次支護(hù)。

初始支護(hù)應(yīng)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(dòng)，以發(fā)揮圍巖自承能力，同時(shí)又能限制圍巖發(fā)生過(guò)大的變形移動(dòng)。可以采用錨噴支護(hù)、U形金屬可縮性支架等。

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

采用料石或混凝土塊砌碹作為二次支護(hù)時(shí)，應(yīng)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(shè)計(jì)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(yè)，共38頁(yè)。第十九頁(yè)，共38頁(yè)。

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(shí)，或在砌塊之間加入可縮性木板，均能大大提高碹體的支護(hù)效果。

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

1．巷道底鼓的類(lèi)型和機(jī)理⑴擠壓流動(dòng)性底鼓⑵撓曲褶皺性底鼓

⑶剪切錯(cuò)動(dòng)性底鼓

⑷遇水膨脹性底鼓第二十一頁(yè)，共38頁(yè)。2．底鼓的防治

㈧重視圍巖的量測(cè)監(jiān)控

在松軟巖層巷道采用錨噴支護(hù)，一定要配合進(jìn)行量測(cè)監(jiān)控，可用收斂計(jì)量測(cè)巷道的收斂變形，亦可用水準(zhǔn)儀測(cè)量頂板下沉量和底鼓量；用各種多點(diǎn)式位移計(jì)量測(cè)巖層內(nèi)不同深度的位移，從而可以算出位移速度。通過(guò)這些量測(cè)數(shù)據(jù)，有助于評(píng)價(jià)圍巖的穩(wěn)定程度，可以論證各設(shè)計(jì)參數(shù)是否合理和錨噴效果，也是修改設(shè)計(jì)和確定二次支護(hù)時(shí)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(jì)來(lái)量測(cè)。錨桿的應(yīng)力狀態(tài)，可用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的空心“錨桿”(它的構(gòu)造是聚氯乙烯塑料管內(nèi)壁用101號(hào)膠粘貼電阻片)來(lái)測(cè)定，以檢驗(yàn)錨桿不同深度處的受力狀態(tài)，從而能推知圍巖內(nèi)應(yīng)力重新分布的情況，進(jìn)而可調(diào)整錨桿的設(shè)汁參數(shù)。對(duì)于大斷面的重要工程還要進(jìn)行接觸應(yīng)力和噴層內(nèi)切向應(yīng)力的量測(cè)，可采用電阻應(yīng)變磚和鋼弦壓力盒等測(cè)試元件。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，可以了解噴層的受力狀態(tài)，有助于設(shè)計(jì)噴射混凝土的厚度。地應(yīng)力特別大的礦區(qū)，還應(yīng)量測(cè)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，這對(duì)巷道合理布置，減輕地應(yīng)力對(duì)巷道支護(hù)的破壞影響具有重要意義。第二十二頁(yè)，共38頁(yè)。㈨借鑒新奧法指導(dǎo)軟巖巷道施工

新奧法是隧道施工科學(xué)方法的總結(jié)，主要針對(duì)軟巖隧道施工，重點(diǎn)在支護(hù)方面。新奧法不是單純的支架結(jié)構(gòu)改革或支護(hù)方法的改進(jìn)，而是一套綜合的隧道施工方法，更確切地說(shuō)是一套適用在斷面50～150㎡的遂道及大斷面地下工程設(shè)計(jì)、掘進(jìn)、襯砌、測(cè)試相結(jié)合的完整新概念。

新奧法的概念是按巖石力學(xué)圍巖支架共同作用基本原理制定的，其主要意圖是調(diào)動(dòng)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(dòng)，以達(dá)到施工隧道的最大安全度和最好經(jīng)濟(jì)效果。

新奧法認(rèn)為認(rèn)為噴射混凝土最能緊貼圍巖，充分利用圍巖自身強(qiáng)度。噴層開(kāi)裂并非壞事，而是表現(xiàn)出一定的讓壓性，必要時(shí)第一次支護(hù)加用錨桿或少量鋼拱支架根據(jù)實(shí)測(cè)資料及理輪分析，合理地選用和設(shè)計(jì)第二次支護(hù)的材料，結(jié)構(gòu)型弍及規(guī)格尺寸。第二十三頁(yè)，共38頁(yè)。難維護(hù)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(hù)控制高應(yīng)力軟巖巷道圍巖大變形難以實(shí)現(xiàn)，應(yīng)進(jìn)行二次支護(hù)。二次支護(hù)時(shí)機(jī)是決定維護(hù)效果的關(guān)鍵因素。二次支護(hù)最佳時(shí)機(jī)是圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)及變形速度趨于穩(wěn)定，此時(shí)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(méi)有太多的損失。該時(shí)機(jī)的掌握可以通過(guò)對(duì)巷道表面位移監(jiān)測(cè)，當(dāng)巷道表面位移速度由快到趨于平緩的拐點(diǎn)附近為二次支護(hù)的最佳支護(hù)時(shí)機(jī)。第二十四頁(yè)，共38頁(yè)。軟巖巷道的有效維護(hù)是煤礦開(kāi)采面臨的主要難題之一，目前國(guó)內(nèi)外仍未形成一種普遍適用的技術(shù)方法；該類(lèi)巷道的有效維護(hù)必須針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件靈活運(yùn)用錨桿、錨索、金屬棚、注漿等技術(shù)互相組合，才能取得成功。在本研究中，應(yīng)針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件，加強(qiáng)圍巖變形破壞的監(jiān)測(cè)，用時(shí)調(diào)整支護(hù)方案和參數(shù)，反復(fù)實(shí)驗(yàn)以形成適用于煤礦的有效維護(hù)方法。結(jié)束語(yǔ)第二十五頁(yè)，共38頁(yè)。六、工程實(shí)例巷道概況變形分析支護(hù)設(shè)計(jì)支護(hù)效果分析第二十六頁(yè)，共38頁(yè)。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(yè)，共38頁(yè)。巷道原設(shè)計(jì)掘進(jìn)斷面4.5×3.85m，支護(hù)參數(shù)為U36鋼加錨網(wǎng)噴支護(hù)，U型鋼排距為600mm，錨桿長(zhǎng)度為2.0m，直徑為20mm，2個(gè)樹(shù)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(dòng)壓影響，出現(xiàn)了頂板下沉，兩幫收縮，底板鼓起，巷道收縮嚴(yán)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(yè)，共38頁(yè)。頂板冒落頂板冒落第二十九頁(yè)，共38頁(yè)。U29鋼變形破壞

斷面收縮第三十頁(yè)，共38頁(yè)。圍巖變形機(jī)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(hù)效果，如九龍礦3＃煤頂?shù)装甯浇鼮樯百|(zhì)泥巖，強(qiáng)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(yán)重的破壞，在使用過(guò)程中破壞尤為嚴(yán)重，而布置在巖性較好的巖層中的巷道，雖然經(jīng)過(guò)數(shù)次采動(dòng)影響巷道破壞也較輕微。第三十一頁(yè)，共38頁(yè)。2、巷道埋藏深度的影響巷道埋藏深度也是影響巷道支護(hù)效果的一個(gè)重要因素，在九龍礦一般巷道埋藏深度小于500m時(shí)破壞程度較小，而埋藏深度超過(guò)500m的巷道破壞程度明顯加大，該礦南、北一軌道運(yùn)輸上山的3＃中部車(chē)場(chǎng)往上巷道破壞程度較小，而3＃中部車(chē)場(chǎng)往下巷道破壞程度嚴(yán)重，特別是2＃中部車(chē)場(chǎng)往下，幾乎到了無(wú)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(guò)700m，礦山壓力顯現(xiàn)劇烈，巷道破壞特別嚴(yán)重，造成整修頻率加大，整修難度加劇。

圍巖變形機(jī)理分析

第三十二頁(yè)，共38頁(yè)。3、采動(dòng)影響九龍礦回采工作面采動(dòng)對(duì)巷道影響相當(dāng)大，一般在距工作面130～200m時(shí)壓力開(kāi)始顯現(xiàn)，在50～130m時(shí)顯著增大，在0～50m時(shí)最大，如15207N工作面在采煤過(guò)程中對(duì)北二正巷造成的破壞最為嚴(yán)重，而且停采后保留的煤柱對(duì)北二正巷外段影響較大，經(jīng)過(guò)多次整修，破壞仍然很?chē)?yán)重，影響礦井正常的生產(chǎn)；15226S、15226N工作面在采煤過(guò)程中對(duì)南二正巷里段造成嚴(yán)重破壞，經(jīng)過(guò)采取加U型鋼進(jìn)行超前支護(hù)，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(guò)輕微的整修就可修復(fù)破壞巷道，效果特別明顯。

圍巖變形機(jī)理分析

第三十三頁(yè)，共38頁(yè)。4、支護(hù)形式及支護(hù)參數(shù)的影響在一條巷道的位置、層位及斷面確定下來(lái)以后，巷道的支護(hù)好壞關(guān)鍵是支護(hù)形式及支護(hù)參數(shù)的選取，如選取適當(dāng)，巷道支護(hù)效果就好，如選取不當(dāng)，將事倍功半，有時(shí)不但當(dāng)時(shí)支護(hù)效果差，