楊圣奇深部巷道圍巖支護研究報告

楊圣奇教授/博導中國礦業(yè)大學二○一三年四月十二日深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室StateKeyLaboratoryforGeomechanics&DeepUndergroundEngineering煤礦巷道圍巖支護理論及技術研究進展楊圣奇，1978年12月出生。起止年月學習工作單位任職1996.9~2000.6河南理工大學(礦井建設專業(yè))本科2000.9~2003.6河南理工大學(工程力學專業(yè))碩士2003.3~2006.4河海大學(巖土工程專業(yè))博士2006.4~2008.10河海大學博士后2007.9~2008.9法國巴黎綜合理工大學(EcolePolytechniquedeParis)訪問學者2008.12~2011.12中國礦業(yè)大學巖土工程學科副教授2012.1~至今中國礦業(yè)大學巖土工程學科教授(破格)2012.9~至今中國礦業(yè)大學巖土工程學科博導匯報提綱一、深部開采研究現(xiàn)狀二、巷道圍巖變形破壞原因分析三、巷道圍巖支護理論與技術進展四、典型工程實例一、深部開采研究現(xiàn)狀國外：前蘇聯(lián)：>600m原西德：800～1200m英國與波蘭：>750m日本：>600m國內：(無明確標準)

淺礦井中深礦井深礦井特深礦井采深<400m

400-800m800-1200m1200m深部開采的劃分標準一、深部開采研究現(xiàn)狀目前國有重點煤礦中采深大于800m的礦井有多處，以每年25m的速度遞增。國內：沈陽采屯礦1197m；浙江長廣集團1000m；新汶孫村礦1055m；北票冠山礦1059m；徐州張小樓礦1100m；開灤趙各莊礦1159m；北京門頭溝1008m。德國2002年平均采深1300m，最大采深1500m；超過1000m的國家：

俄羅斯英國波蘭日本比利時等。國外：一、深部開采研究現(xiàn)狀深部開采的工程特點：地應力高(自重應力>約20MPa)

－－強度增加，脆延性轉化特征溫度高

(礦山一般30-400C,個別達520C,最高達700C)滲透壓(>約7MPa)強動壓較強的時間效應(強流變)一、深部開采研究現(xiàn)狀煤礦地下工程所面臨的地質環(huán)境趨于復雜化，高應力、高瓦斯等引起的工程災害和事故愈來愈多，如礦井沖擊地壓、巷道圍巖大變形流變、地溫升高、瓦斯爆炸等，對深部煤炭資源安全高效開采提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。巷道圍巖變形量增大采場礦壓顯現(xiàn)劇烈巷道中巖爆、沖擊地壓瓦斯涌出量增大地溫升高、作業(yè)環(huán)境惡化突水事故趨于嚴重井筒破裂加劇煤自燃發(fā)火、礦井火災加劇

匯報提綱一、深部開采研究現(xiàn)狀二、巷道圍巖變形破壞原因分析三、巷道圍巖支護理論與技術進展四、典型工程實例二、巷道圍巖變形破壞原因分析煤礦巷道每年掘進10000km，深巷占30%資料統(tǒng)計：隨著埋深增加，支護壓力增大到0.8~2.0MPa，盡管支護強度增1倍，費用增加1.4倍以上二、巷道圍巖變形破壞原因分析（1）鋼架支護鋼架支護大變形底臌（龍口柳海）錨網(wǎng)支護全斷面大變形（甘肅新安）二、巷道圍巖變形破壞原因分析鋼架支護圍巖大變形流變二、巷道圍巖變形破壞原因分析錨網(wǎng)支護巖爆破壞(南非某礦)鋼架支護巖爆破壞巖爆過程（秘魯，據(jù)Hudson）鋼架支護巖爆破壞二、巷道圍巖變形破壞原因分析料石碹支護頂板塌方（2）料石碹支護二、巷道圍巖變形破壞原因分析料石碹支護嚴重底臌二、巷道圍巖變形破壞原因分析錨網(wǎng)支護，大變形尖頂(焦作)頂板下沉兩幫內擠底臌（3）錨網(wǎng)支護二、巷道圍巖變形破壞原因分析單一錨網(wǎng)支護，底不處理，不重視水(甘肅華亭煤礦)二、巷道圍巖變形破壞原因分析頂板下沉，冒頂；兩幫收斂位移，片幫；底臌。煤礦巷道變形破壞現(xiàn)象：二、巷道圍巖變形破壞原因分析巖性差：煤層、泥巖（強度低、易破碎、殘余強度低）

地應力大：埋深大、褶曲構造、采動影響（集中系數(shù)達2.5以上）支護強度低、剛度小支護結構不合理煤礦巷道變形破壞原因：二、巷道圍巖變形破壞原因分析（1）巖石強度（煤、砂質泥巖、泥化）

不少圍巖天然抗壓強度小于10MPa泥巖在水作用下幾乎沒有強度（2）結構面強度

弱面，層理、節(jié)理面強度，受地質構造作用

影響因素：施工因素，爆破影響；水；節(jié)理面粗造度；塊體大小等1、巖性差二、巷道圍巖變形破壞原因分析泥巖頂板塑性流動泥巖底板嚴重底鼓嚴重變形煤巷水的影響二、巷道圍巖變形破壞原因分析Step60-20.98σcσcStep63-4Step64-310.92σc0.62σcStep60-2Step61-11Step64-31Step66-35Step66-35圍巖強度衰減二、巷道圍巖變形破壞原因分析（1）埋深大（千米深井逐年增加）（2）構造應力（斷層多）（3）采動應力（普遍存在）2、地應力高、應力復雜二、巷道圍巖變形破壞原因分析其中1000m以下的煤炭儲量2.95萬億噸，約占總儲量的53%儲量

億t02000400060008000100001200014000<600m1000-1500m德國魯爾礦區(qū)在1100m下開采，巷道寬6m，煤層厚1.9m。底板在24小時內臌起0.8m，煤層移出0.5m。甘肅平?jīng)觯?50~900m），幾乎沒有1米好巷道。二、巷道圍巖變形破壞原因分析采動前巷道情況采動后巷道情況二、巷道圍巖變形破壞原因分析支護強度、剛度-支護形式滯后性、不密貼及支護阻力小，不可能改變圍巖破壞狀態(tài)。足夠的支護強度和剛度才可以使松動圈內巖石相互嚙合，并呆在原位不垮落，以免其垮落而導致松動圈的再次擴大，巷道圍巖失穩(wěn)破壞。3、支護強度低、剛度小二、巷道圍巖變形破壞原因分析支架扭曲變形支護強度普遍低于0.25MPa錨桿失效錨桿、索強度低巷道自穩(wěn)時間短支護整體性差支護整體性差錨索失效動壓影響二、巷道圍巖變形破壞原因分析4、支護結構不合理松動圈范圍增大，碎脹變形力大，單一支護形式無法滿足穩(wěn)定要求中淺部巷道深部巷道深部分區(qū)破裂匯報提綱一、深部開采研究現(xiàn)狀二、巷道圍巖變形破壞原因分析三、巷道圍巖支護理論與技術進展四、典型工程實例三、巷道圍巖支護理論與技術進展支護作用：阻止圍巖變形，維護圍巖穩(wěn)定支護技術：錨(桿、索)、噴射砼、網(wǎng)(強力金屬網(wǎng))、帶(W型鋼帶)、工字鋼、U型鋼拱形支架、網(wǎng)殼、格柵、注漿、料石、混凝土碹等三、巷道圍巖支護理論與技術進展支護外部支護內承支護剛性柔性外部支護：在圍巖外部依靠支護結構的承載能力來承受圍巖壓力。如圍巖開挖時運用的鋼拱(剛性)或混凝土襯砌(柔性)。圍巖僅是形成支護結構上荷載的來源。

內承支護：是通過錨桿(索)、注漿等措施加固圍巖，特點：充分發(fā)揮和增強圍巖的自承能力，以支護結構和圍巖共同形成的支護結構體系使圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。圍巖既是荷載也是支護結構體系的組成部分三、巷道圍巖支護理論與技術進展錨桿支護技術具有用料節(jié)省、巷道斷面利用率高、支護及時、勞動強度小、經(jīng)濟效益高以及對巷道圍巖變形的適應性好等諸多優(yōu)點，是巷道支護的一次重大革命，因而在煤礦開采支護中得到了普遍應用，并成為煤礦實現(xiàn)安全、高效生產(chǎn)必不可少的關鍵技術之一。三、巷道圍巖支護理論與技術進展澳大利亞、美國等國：煤層地質條件比較簡單，埋藏淺，護巷煤柱寬度大，而且大力推廣應用錨桿支護，他們的錨桿支護技術比較先進，錨桿支護所占比重幾乎達到100%。歐洲一些主要產(chǎn)煤國家：過去一直主要采用金屬支架支護巷道，但隨著巷道支護難度加大和支護成本增高，將巷道支護方式轉向了錨桿支護，積極開展了錨桿支護技術的研究、試驗和推廣應用。德國：U型鋼支護最早，技術成熟、先進，使用量大，在永久巷道與回采巷道中大多采用U型鋼可縮性支架，但從上世紀80年代以來，隨著開采深度和開采強度的增加，重型采掘設備的采用，要求巷道斷面越來越大，導致巷道圍巖變形加劇，支護困難，為了解決巷道支護難題，不得不增加型鋼重量、減小支護棚距，致使巷道支護費用增高，而且?guī)硎┕?、運輸?shù)纫幌盗袉栴}。三、巷道圍巖支護理論與技術進展錨桿支護理論一直是煤礦開采與安全領域中重要的研究課題，得到了廣泛的研究。至今為止，已提出很多種錨桿支護理論，如懸吊理論、組固拱理論、組合梁理論等。三、巷道圍巖支護理論與技術進展1、懸吊理論機理：將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在穩(wěn)定巖層上，以避免較軟弱巖層的破壞、失穩(wěn)和塌落，錨桿所受的拉力來自被懸吊的巖層重量。缺點：沒有考慮圍巖自承能力，而且將被錨固體與原巖體分開。適用條件：錨桿可以錨固到頂板堅硬穩(wěn)定巖層三、巷道圍巖支護理論與技術進展機理：將錨固范圍內的巖層擠緊，增加巖層間的摩擦力，防止巖石沿層面滑動，避免各巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象，提高其自撐能力。將幾層薄巖層鎖緊成一個較厚的巖層（組合梁）。在上覆巖層載荷的作用下，這種組合厚巖層內的最大彎曲應變和應力都將大大減小，組合梁的撓度亦減小。缺點：將錨桿作用與圍巖的自穩(wěn)作用分開；在頂板較破碎、連續(xù)性受到破壞時，難以形成組合梁。適用條件：層狀地層頂板在相當距離內不存在穩(wěn)定巖層，懸吊作用處于次要地位。2、組合梁理論三、巷道圍巖支護理論與技術進展機理：在破碎區(qū)安裝預應力錨桿時，在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應力，如果沿巷道周邊布置錨桿群，只要鋪桿間距足夠小，各個錨桿形成的壓應力圓錐體將相互交錯，在巖體中形成一個均勻的壓縮帶，即承壓拱，這個承壓拱可以承受其上部破碎巖石施加的徑向荷載。在承壓拱內的巖石徑向及切向均受壓，處于三向應力狀態(tài)，其圍巖強度得到提高，支撐能力也相應加大。3、組合拱理論缺點：一般不能作為準確的定量設計。適用條件：頂板無穩(wěn)定巖層三、巷道圍巖支護理論與技術進展機理：礦井巖層的水平應力通常大于垂直應力，水平應力具有明顯的方向性。在最大水平應力作用下，頂?shù)装鍘r層易于發(fā)生剪切破壞，出現(xiàn)錯動與松動而膨脹造成圍巖變形，錨桿的作用即是約束其沿軸向巖層膨脹和垂直于軸向的巖層剪切錯動。4、最大水平應力理論三、巷道圍巖支護理論與技術進展前面這些支護理論在煤礦生產(chǎn)實踐中起到了積極作用，但是這些理論都有其適用條件，都存在著一定局限性：大部分基于當時的理論水平，采用古典結構力學的方法，雖然具有針對性強的特點，然而揭示錨桿的支護實質內容不夠。三、巷道圍巖支護理論與技術進展5、松動圈支護理論

開巷后變化：（1）巷道周邊應力集中；（2）強度降低（圍巖應力超過強度則巖石破壞，等于為極限平衡，小于則穩(wěn)定）；結果：出現(xiàn)圍巖松動圈。煤礦巷道普遍存在松動圈！松動圈越大支護越難！三、巷道圍巖支護理論與技術進展工程類比法理論計算法信息反饋法松動圈支護設計法巷道圍巖支護設計方法：三、巷道圍巖支護理論與技術進展1)直接類比法一般以巷道圍巖強度、圍巖完整性、巷道埋深、斷面尺寸等因素與已建工程類比，由此確定支護類型和參數(shù)；2)間接類比法

依據(jù)技術規(guī)范，按巷道圍巖分類及其它有關參數(shù)確定。它是目前常用的方法。1、工程類比法：圍巖分類巖層描述巷道開掘后圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)(3～5m跨度)巖種舉例類別名稱Ⅰ穩(wěn)定巖層1.完整堅硬巖層，Rb>60MPa，不易風化2.層狀巖層層間膠結好，無軟弱夾層圍巖穩(wěn)定，長期不支護無碎塊掉落現(xiàn)象完整的玄武巖、石英質砂巖、奧陶紀灰?guī)r、茅口灰?guī)r、大冶厚層灰?guī)rⅡ穩(wěn)定性較好巖層1.完整，比較堅硬巖層，Rb=40～60MPa2.層狀巖層，膠結較好3.堅硬塊狀巖層，裂隙面閉合，無泥質充填物，Rb>60MPa圍巖基本穩(wěn)定，較長時間不支護會出現(xiàn)小塊掉落膠結好的砂巖、礫巖、大冶薄層灰?guī)rⅢ中等穩(wěn)定巖層1.完整的中硬巖層，Rb=20～60MPa2.層狀巖層，以堅硬層為主，夾有少數(shù)軟巖層3.比較堅硬的塊狀巖層，Rb=40～60MPa圍巖能維持一個月以上穩(wěn)定，有時產(chǎn)生局部巖塊掉落頁巖、砂質頁巖；粉砂巖，石灰?guī)r；硬質凝灰?guī)rⅣ穩(wěn)定性較差巖層1.較軟的完整巖層，Rb<20MPa

2.中硬的層狀巖層3.中硬的塊狀巖層，Rb=20～60MPa圍巖的穩(wěn)定時間僅有幾天頁巖、泥巖膠結不好的砂巖、硬煤Ⅴ不穩(wěn)定巖層1.易風化潮解剝落的松軟巖層2.各類破碎巖層圍巖很容易產(chǎn)生冒頂片幫炭質頁巖、花斑泥巖、軟質凝灰?guī)r、煤、破碎各類巖石地下工程圍巖分類三、巷道圍巖支護理論與技術進展1）解析法：

它是指用數(shù)學方法，借助固體力學通過計算可以取得閉合解的方法。使用時，要特別注意和巖體所處的物理狀態(tài)相匹配。彈塑性狀態(tài)可用彈塑性力學;如淺部工程。圍巖破裂狀態(tài)則需要選用非連續(xù)體力學（塊體力學）。2）數(shù)值模擬法

通常包括有限元、有限差分法、邊界元、離散元、DDA、流形元等，目前各類計算方法都得到了長足的進步。2、理論計算法：三、巷道圍巖支護理論與技術進展傳統(tǒng)“設計—施工”模式中,影響設計因素眾多且復雜,如設計參數(shù)難以準確確定及設計方法不夠完善等,均影響著工程施工的質量和安全。此模式常常使設計計算結果與實際工程狀況產(chǎn)生較大差異。

因此,充分利用施工過程中的各項信息,對設計和施工進行動態(tài)調整及控制,

進而保證工程施工質量及安全的新型施工方法應運而生。這種利用施工過程中獲取的信息指導施工的方法逐步發(fā)展成信息化施工方法。

信息化施工-信息采集、處理、反饋和設計修正3、信息反饋法：三、巷道圍巖支護理論與技術進展4、松動圈支護設計法：小松動圈（L=0-40cm）：噴射混凝土支護中松動圈（L=40-150cm）：懸吊理論確定錨桿支護參數(shù)

大松動圈（L>150cm）：采用組合拱確定錨噴(注)網(wǎng)

支護形式:噴射混凝土、錨噴、錨網(wǎng)、錨噴網(wǎng)及錨注支護等。三、巷道圍巖支護理論與技術進展雖然目前在煤礦巷道圍巖支護理論及技術方面，已經(jīng)取得了長足的進步，但隨著開采深度的增加、開采強度的提高以及開采條件的惡化，我國煤礦巷道圍巖穩(wěn)定控制關鍵技術始終面臨著一系列新的挑戰(zhàn)，出現(xiàn)了許多前所未有的復雜困難巷道，如深部強動壓巷道、深部軟巖大變形流變巷道、深部高應力碎裂圍巖巷道、特大斷面巷道等，對錨桿支護和注漿加固方式提出了更高、更苛刻的要求。

傳統(tǒng)的單一的支護模式已很難適應深部巷道高應力、大變形、顯著流變、強動壓、碎裂化的要求，需要采取聯(lián)合支護模式，才能有效控制深部巷道圍巖的變形，但由于聯(lián)合支護成本高等原因，得不到推廣應用，因此需要從深部不同類型巷道圍巖變形破壞機理出發(fā)，提出和發(fā)展一系列有效且經(jīng)濟的深部巷道圍巖穩(wěn)定控制關鍵技術。匯報提綱一、深部開采研究現(xiàn)狀二、巷道圍巖變形破壞原因分析三、巷道圍巖支護理論與技術進展四、典型工程實例四、典型工程實例－實例一某礦-850m二采軌道下山位于砂質頁巖和中砂巖互層中。砂質頁巖灰色、性脆、具貝殼狀斷口；中砂巖灰白色，鈣質膠結，成分以石英長石為主，含較多暗色礦物，圍巖抗壓強度小。埋深998～1065m，為深部巷道；現(xiàn)場巷道變形特征也表明二采軌道下山長期流變、大變形、維護困難，顯現(xiàn)出深井、軟巖巖巷圍巖的變形破碎特征。四、典型工程實例－實例一一次支護錨桿間排距為800×800mm，錨桿為直徑22mm、長度2.4m的左旋高強度螺紋鋼錨桿。一次支護有限讓壓控制圍巖二次支護使圍巖停止蠕變轉化到穩(wěn)定狀態(tài)二次支護采用錨桿支護與注漿加固，二次支護錨桿布置與一次錨桿布置呈五花型，間排距為800×800mm，錨桿為直徑22mm、長度2.4m的左旋高強度螺紋鋼錨桿。注漿材料采用高水速凝材料，注漿孔深2.5m。

四、典型工程實例－實例一二次支護理論計算分析

該礦－850m水平地應力測量結果表明，最大主應力值為39.77MPa，理論計算中按原巖應力P0=40MPa進行分析。目前煤礦巷道中應用的錨桿規(guī)格主要為L=2000～2400mm長度的錨桿，由于地應力高，圍巖破碎區(qū)較大，錨桿支護的錨固區(qū)通常位于巷道圍巖破碎區(qū)內，井下實測錨桿的工作阻力為130kN。

四、典型工程實例－實例一原巖應力下巖體力學性質參數(shù)為：

一次錨桿支護后，圍巖力學性質得到強化，其力學參數(shù)如下：

二次錨桿及注漿加固后，加固區(qū)對應圍巖體穩(wěn)定狀態(tài)時的力學參數(shù)為：試驗結果：

四、典型工程實例－實例一二次支護理論計算分析

二次支護后巷道圍巖體穩(wěn)定時，錨固區(qū)邊界r＝Rm處巖體的徑向應力通過計算可得：

二次錨桿、注漿加固后，錨桿及注漿加固區(qū)處于長期穩(wěn)定狀態(tài)時錨固區(qū)邊界r＝Rm處，提供的徑向平衡應力通過計算可得：由巷道二次錨桿及注漿加固后，加固區(qū)在長期穩(wěn)定時能提供的徑向平衡應力可達到5.37MPa，大于深部圍巖體穩(wěn)定時所需要的徑向應力值4.81MPa，保證了巷道處于長期的穩(wěn)定狀態(tài)。四、典型工程實例－實例二某礦西大巷埋深545m，位于泥巖和砂質泥巖互層中，構造復雜。水平應力22.0MPa，是垂直應力的2.0倍左右。水平應力與泥巖抗壓強度之比為1.57，水平應力與砂質泥巖抗壓強度之比為1.14。泥巖中粘土礦物含量為75～89％，其中伊蒙層含量為25～33％，伊利石含量為2～4％，高嶺土含量為14～33％，綠泥石含量25～32％，強吸水、遇水急劇膨脹泥化，風化；層理破碎，層理節(jié)理裂隙十分發(fā)育。節(jié)理組≥3，節(jié)理數(shù)平均為12～32條/m3，平均間距≤0.2m。西大巷為典型的中深井、軟巖巖巷。

四、典型工程實例－實例二錨網(wǎng)噴＋網(wǎng)殼錨網(wǎng)噴＋注漿＋錨索錨網(wǎng)噴＋錨注錨網(wǎng)噴＋拱形鋼棚＋注漿西大巷原采用的具有代表性的支護方式四、典型工程實例－實例二目前的支護方式：如錨桿支護、錨噴支護、錨桿＋網(wǎng)殼支護、錨桿＋錨索支護、工字鋼拱形支護等不能適應高應力軟巖巷道劇烈變形，需要研究開發(fā)新型支護技術，控制該類巷道圍巖變形。

巷道掘進后，4～6個月巷道變形量就達到1000～2000mm，巷道變形表現(xiàn)為整體收斂變形的特點。

初期變形速度在10mm/d以上，半年以后，變形速度仍然保持在3～8mm/d。

1、變形量大

原支護方式下圍巖變形有如下特點：目前支護方式不能適應巷道劇烈變形

2、變形速度快

3、變形持續(xù)時間長

從已經(jīng)施工的巷道維護狀況來看，雖然巷道已經(jīng)掘出多年，但巷道并沒有穩(wěn)定，每隔半年左右需要維修1次。

四、典型工程實例－實例二西大巷支護遵循原則應為：

1、采用“先讓后抗、先柔后剛”的原則，即圍巖卸壓與加固相結合的原則。

2、應力轉移，降低淺部圍巖應力

3、采用二次支護，合理確定二次支護時機和支護強度。

提出支護措施：一次支護采用有控主動卸壓技術（錨桿＋封閉式金屬支架，有控主動破碎一定厚度的圍巖）。二次支護采用錨桿＋注漿加固技術。四、典型工程實例－實例二二次支護參數(shù)設計：采用FLAC數(shù)值軟件中的指數(shù)蠕變模型

錨桿間排距注漿范圍800100012002方案1方案2方案33方案4方案5方案6二次支護強度對圍巖最終流變速度的影響四、典型工程實例－實例二1

完成一次支護后，當圍巖變形過大擠壓支架、擠壓力達到1MPa時，主動破碎一定厚度的圍巖，周而復始，直至圍巖變形速度穩(wěn)定；

23緊跟迎頭安設封閉式工字鋼圓形支架，按照一次支護的錨桿間排距安裝錨桿；