深部软岩巷道锚索与钢筋混凝土联合支护技术与应用.pdf

煤炭工程 2 0 1 1年第 9期 深部软岩巷道锚 索与钢筋混凝土 联合支护技术与应 用 刘荣 军 ( 平凉新安煤业有限责任公司，甘肃 平凉7 1 00) 摘要：新安煤矿 + 5 3 5水平是设计生产水平 ，由于地质条件 复杂 ，构造应力大，大部分巷 道工程均 出现 了严重变形破坏的现象，严重影响矿 井的安全生产。文章基于巷道失稳变形破坏特 点及原 因分析 ，提 出了控制深部巷道 围岩变形破坏的关键技术 ，进行 了合理支护技术参数 的确 定，并对锚索( 双托板) 与钢筋混凝土联合 支护的 + 5 3 5主石 门二号 交岔点试验段进行 了十二个月 的观测 ，发现巷道 围岩的变形很 小，且 已连续三个月变形速度趋于零 ，从 而直接验证 了该支护技 术 方案 的正确 性 。 关键词：深部巷道；锚索；钢筋混凝土 ；联合支护 中图分类号：T D 3 5 3 文献标识码 ：B 文章编号：1 6 7 1 0 9 5 9 ( 2 0 1 1 ) 0 9 - 0 0 3 4 - 0 3 Te c hn o l o g y a nd App l i c a t i o n o f An c ho r a nd Re i nf o r c e d Co nc r e t e Co mb i n e d S u p p o t o De e p M i n e S o f t Ro c k Ro a d wa y L I U Ro n gJ u n ( P i n g l i a n g Xi n h n C o a l Mi n i n g C o mp a n y L t d ，P i n g l i a n g 7 4 4 1 0 0。C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e +5 3 5 L e v e l o f Xi n a n Mi n e wa s t h e d e s i g n e d p r o d u c t i o n l e v e 1 Du e t o t h e c o mp l i c a t e d g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s a n d h i g h s t r u c t u r e s t r e s s ，a m a j o r p a r t o f t h e m i n e r o a d w a y p r o i e c t h a d a s e r i o u s d e f o r ma t i o n f a i l u r e p h e n o m e n o n a p p e a r e d T h u s t h e mi n e s a f e t y p r o d u c t i o n wa s s e ri o u s l y a f f e c t e d B a s e o n t h e s t a b i l i t y l o s t a n d d e f o r ma t i o n f a i l u r e f e a t u r e s o f t h e mi n e roa d wa y a n d t h e c a u s e a n a l y s i s ，t h e k e y t e c h n o l o g y t o c o n t r o l t h e s u r r o u n d i n g r o c k d e f o rm a t i o n f a i l u r e o f t he d e e p mi ne r o a d wa y wa s p r o v i d e d Th e p a r a me t e r s o f t h e r a t i o n a l s up p o r t t e c h no l o g y we r e de t e r mi ne d A 1 2 mo nt h o b s e r v a t i o n a n d me a s u r e me n t wa s c o n d u c t e d i n t h e t r i al s e c t i o n a t t h e No 2 c r o s s p o i n t r o a d wa y o f+5 3 5 ma i n C roS s c u t w i t h t h e a n c h o r( d o u b l e p l a t e s )a n d r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o m b i n e d s u p p o r t s y s t e m T h e t ri m r e s u l t s s h o w e d t h a t the de f o r ma t i o n o f t he mi n e r o a d wa y wa s s ma l l a n d t he de f o rm a t i o n s p e e d i n a c o n t i n ue d t h r e e mo n t h wa s c l o s e t o z e ro Thu s t h e c o r r e c t n e s s o f t h e s u p p o rt t e c h n i c a l p l a n c o u l d b e d i r e c t l y v e ri fi e d Ke y wo r d s ： d e e p mi n e r o a d wa y ； a n c h o r ；r e i n f o r c e d c o n c r e t e；c o mb i n e d s u p p o rt 深部软岩巷道稳定 控制 问题一 直是 矿山支 护与安 全工 程 中重要 的研 究方 向。对 此 ，国内外许 多学者 针对深 部软 岩巷道围岩支护问题进行了大量的研究 J ，提出了许多 软岩支护理论与稳定控制技术，解决了大量的深部软岩支 护问题。但由于深部软岩巷道所处地质条件 的差异性和复 杂性 ，其 支护仍然 面临新 的难题 与挑 战 ，为此 ，进 一步 研 究其变形破坏失稳机理与提出有效的稳定控制技术，具有 重要 的工程实践意义 。 新安煤矿位于 甘肃 省平凉 市崇信 县赤 城乡境 内 ，矿井 采用 主、副 、风井 三立井 单一水 平开 拓 ，矿井 工业场 地标 高为 +1 2 5 5 m，开采 的煤 层 主要 赋存 在 +1 0 5 0 + 3 5 0 m之 间，井田煤层埋藏较深，开采水平为 + 5 3 5 m，设计生产能 力为 0 9 Mt a 。矿井 自 2 0 0 6年进 入二 期工程 施工 以来 ，由 于围岩特性、巷道布 置位 置等诸 多 因素 ，导致巷 道破坏 严 重，返修量增大，投资增加。巷道围岩以泥岩、砂质泥岩 或煤为主，围岩极为松软破碎，整体性差，承载能力低。 破裂围岩导致收敛位移量显著增大，在掘进及修护过程中 先后采取 了加密锚索 、 “ 钢 筋 +喷混凝 土” 、 “ 格栅 +现 浇 混凝 土”等多种方案 加强支 护 ，均未 能取得 技术 经济上 可 行方案 。鉴于此 ，文 章从巷 道失稳 变形 破坏特 点及 原 因角 度 出发 ，深入研究控制深部巷道 围岩变 形破坏 的关 键技术 ， 力图为深部巷道围岩工程的长期稳定以及矿井的正常安全 收稿 日期 ：2 0 1 1 一O 21 2 作者简介：刘荣军( 1 9 7 7一) ，男 ，江苏丹阳人 ，工程师 ，1 9 9 9年毕业于淮南矿业学院，现任徐矿集团平凉新安煤业有 限责任公 司副总工 程师 ，主要从事矿 山井巷支护 的研究工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1年第 9期 煤炭 工程 生产提供重要的技术支撑。 1 巷道 失稳 变形 破坏 特 点及 原 因分 析 1 1 变形 破 坏特 点 通过对井底 车场 巷道 和硐室 的实际考 察及 测 试 ，发 现 巷道的变形和破坏具有 以下几个特点 ： 1 )在巷道 的一次支护 中，针对 不同 的岩 层 ，主要采 用 锚 网喷支护方式 ，然而该 支 护方 式并 未能 很好 地满 足巷 道 的支护要求 ，出现 了不 同程度 的 变形 和破坏 。巷道 的变 形 主要 以拱顶下沉 、底鼓 和两帮 内挤 为主。 2 )巷道变形破坏后，修复时仍以锚网为主进行支护， 由于井底车 场巷 道、硐 室设计 在煤 层 和泥岩 中，巷 道开 挖 以后围岩变形大、持续时间长，由于修复时围岩还处在不 断的变形中，且并未有效控制围岩变形或释放所产生的巨 大压力。因此，修复后的支护结构仍不能保持巷道的稳定。 3 )部分 地段巷道 围岩 中受 到水的影 响 ，岩体泥化 现象 明显 ，造成 局部 巷 道 的变形 破坏 现象 相对 更严 重 ，底鼓 显 著 ，也严重影响了巷道支护结构的整体稳定。 4 )变形 破坏后 的巷道 围岩 ，其主要特 征是软 弱 、松散 和破碎 ，且软化和泥化现象显著，使得围岩的力学特性显 著降低和弱化 ，承载能力极低，加上部分锚杆失效 ，加剧 了巷道 后期 的变形破坏 。 1 2变形破 坏原 因分析 通过对巷道原锚 网喷支护失稳破坏 表现 出的底鼓 严重 、 两帮内挤和拱顶离层现象等现场调研及初步理论分析可知 ， 巷道发生严重变形 和破 坏的原因主要包括 以下 几方面 ： 1 )膨胀性矿物含量高。根据全岩矿物 x射线衍射分析 实验结果 ，各岩 石样 品 的主要 矿物成 分 为粘 土矿 物。其 中 粘 土矿物总量最大值 达 到 6 1 7 ，平均 含量 为 5 4 5 ，反 映了巷道围岩具 有很 大 的膨 胀性 。根据 所取 样 品分 离 出的 粘土矿物 x射线衍射分析实验结果 ，各岩石样品中粘土矿 物含量主要是以高岭石为主 ，其次为伊 蒙混层。其中高岭 石总量最大值为 5 7 ，平均值为 4 4 ；伊 蒙混层的总量 最大值为 4 4 ，平均值为 3 9 6 。由以上数据可 以看出， 矿物颗粒 中 间有 较 强 的膨 胀性 ，即遇 水 后 颗粒 水 膜 加厚 、 吸水性大 、易软化 、强度和稳定性差 。 2 )结构效应 。由于 +5 3 5主石 门布置 在沿 着岩 层走 向 的位置 ，为一顺 层巷 道 的非对 称结 构 ，而 支 护设计 方案 为 对称结构 ，将产生非对称变形。 3 ) 深部 地应力大 ，巷道 周岩强度极低 。因新安煤 矿井 底车场巷道埋深 在 7 5 09 0 0 m之 间 ，巷道 所处 岩层 的围岩 强度较低 ，仅 为 2 0 3 0 M P a ，同时 ，因环 境 因素 的 作用 造 成 的岩石软 化 和破 坏 ，其实 际抗 压强 度更 低 ，因此 ，这 里 取 围岩 的单 轴抗压强度 R = 2 5 0 MP a ，围岩稳定性 系数 S： T H R = 0 7 5 0 9 0 4 0 5 。可见 ，即使 在静 压环境 下 ， 巷 道围岩稳定性系数 S已超过极 限值 0 40 5 ，因 此巷 道 已处于不稳定状态之中。采取一些加强支护措施可以保证 巷道 的基本稳 定。但 巷道开 挖 以后 ，围岩经 风化 、遇水 泥 化后 ，强度将大大降低 ，此时围岩稳定性系数 S将显著大 于 0 4 0 5 ，巷道将会 处 于极不 稳定状 态 中 ，巷道 必然会 发生极 其严重的变形破坏 。 4 )巷道布置 间距小 。新安 煤矿 +5 3 5水平 生产 系统 的 主石 门、回风石 门和 胶带 运输 石 门三条 大巷 之间 的相互 间 距较小 ，巷道之 间的相 互影 响较 大 ，较小 的 间距对 巷道 的 稳定性 产生一定影响 。 5 )软岩 的基本规律认 识不足 ，支护结构 与参数设计 不 合 理。新安 煤 矿 的软 岩 临 界深 度 约 为 4 0 0 m，难 度 系数 为 2 5 。 + 5 3 5 主石门的埋深约 7 0 0 m，已超过软岩巷道定义深 度 ，该 矿井 已进 入软岩 状 态 ，而设 计方 案仍 为常规 的设 计 方法，已不能满足现场生产的需要。针对软岩矿井，应正 确地判断复合型变形机制 的类型，合理的运用转化技术 ， 采用有效的支护手段，把复合型转化为简单型；设计上采 用 非线性大 变形设 计方 法 ，在 强度 、刚度 、过 程设 计上 应 该 采用大变形 。 2巷道支护对策与加固方案 2 1支护 对策 主石门二号交岔点支护设计图如图 1 所示，根据巷道 变形破坏特点、原因分析，采取以下支护对策 ： 1 ) 围岩 全封闭 。对巷道采用全封 闭支护。 2 )加 固围岩 。采 用高 预 紧力 、大 刚度锚 索加 固围岩 ， 改善巷道围岩物理力学性能，同时采用锚索双托盘( 喷层内 外各一个) ，提高混凝土的整体承载能力。 3 )整体支护。全断面 “ 锚索 +钢筋 +喷混凝土”支 护 。 4 )底 板加 固。底板采用钢筋 网 + 锚 杆支护 。 5 )选择合理 的支护结 构及 参数 。 结构 匹配 ：加厚加 宽锚索托盘，加大锚索预紧力；控顶及帮：通过新工艺 的喷锚梁网组合支护维护巷道的整体稳定；控制底鼓： 采用底角锚杆及底角注浆或者底板反拱方式。 2 2 支护 方案 根据巷道破坏的主要因素及对策分析，结合矿井运行 经 济效 益 ，采取 对巷 道全封 闭 ，减 少 围岩 的风化 ，采 用锚 索 双托板 、铺钢筋 网提高喷层抗 折强度 ，在 + 5 3 5主石 门二 号交 岔点进行试验支护 。 1 )巷道开挖后 ，在 临时支 护的情况下对巷 道顶 帮进 行 铺 网及 锚索支护 。 2 )锚索支护长度达到5 m时，进行钢筋绑扎。 3 )在保护好钢绞线外露的情况下进行喷浆作业。 4 )巷道挖反底拱 、铺 金属网 、锚杆架设 、底板扎钢 筋 网、浇灌支护 。 5 )在锚 索外段再增加一个 1 8 # 槽 钢托板 ( 喷浆后 3 d ) 。 2 3主要技 术 参数 1 )锚杆 支护 ：锚杆 规格 为 b 2 2 m m 2 0 0 0 m m，采 用单 3 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 1年第 9期 锚i 宗 8 9 4 5 0 0 排距 7 5 0 x 7 5 0 ， ，钢 筋 2 2 4 0 0 0 。 、 r9 f i ll 混 凝 + 一 萤 0 In In tq 0 0 、 ， 、 。 C 3 0 现浇混凝土 寸 0 0 寸 一 0 N 、 a 0 -D 、 r 、 r 、 1 0 0 ，4 7 0 0 5 0 0 - 5 1 0 0 、 0 图 1 主石 f - i - - 号交岔点支护设计图 ( i ll l l n ) 向左旋无纵筋螺纹钢制作 ，锚杆间排距为7 5 0 ra m X7 5 0 ram； 端头锚 固，锚 固长 度不小 于 1 0 0 0 mm，要求锚 固力大 于 1 5 0 k N；采 用 厚度 为 1 2 mm，大 小 为 1 5 0 mm X 1 5 0 mm 的托 盘 。 2 )钢筋 网规格采用 5 m m的点焊平网 ，网格大小为 1 0 0 m m1 0 0 m m，规格 为 9 0 0 m m 2 2 0 0 ra m，进行 逐扣 连接 。 3 )钢筋梯采用 q b l 2 m m圆钢制作。 4 )锚索及托板 ：顶部预应力锚索规格为 q b l 8 9 m m 4 5 0 0 ra m，锚 索的间排距 为 7 5 0 m m 7 5 0 m m，采 用树脂 端锚 ， 锚固长度不小于 1 0 0 0 ra m。托板采用 l 8 槽钢制作，长度为 4 2 0 m m。中间增加一块 1 5 0 ra m X 1 5 0 ra m X 1 0 ra m厚 的钢板。 5 )钢 筋 ：钢 筋 规 格 为 2 2 m m 4 0 0 0 mm，按 间 距 3 0 0 mm X 3 0 0 ram技术要 求进行 现场绑扎 ，钢筋搭 接长为 4 0 0mm 。 6 )喷混凝土 ：巷道喷层厚度不小于 2 0 0 mm，强度不低 于 C 2 0 。 2 4施 工 关键 工 艺 1 )采用钻爆法施工时，严格按光面爆破要求进行施 工，尽量减轻对拱顶岩层的破坏，保证岩体的完整性，为 实施 锚网等主动支护 措施 创造 良好 的条 件 ，同时保护好 上 一 个循环的锚索外露钢绞线。 2 )布置锚 索孔 时 ，一方 面要按 照设计 的锚索 间排距 和 孔深 ，采用小钻头 打眼 ，孔深 不得 超过设 计深度 的 5 0 ram， 另一方 面要保证锚杆孔尽量垂直 于岩层 的赋存方 向。 3 )安装拱顶锚 索时 ，需按顺 序装入 树脂药 卷 ( 由里 到 外 ，按快 、中、慢的顺序装入药卷 ) ，用锚索体将 树脂送 到 眼底后，再开动锚杆钻机，带动锚索搅拌树脂药卷 ，并送 至眼底后，停止钻机，等待一会 ( 1 0 3 0 s ) ，再卸下钻机。 4 )铺 设钢筋网时 ，要对称布置 ，保证钢筋 网的两端紧 3 6 贴岩面 然后再沿 巷道 的横 向安装钢 筋梯 ，并 用锚索 托板 和索具将钢筋 网和钢筋梯压住 ，施加一定的预应力。 5 )待锚索搅拌 3 0 ra i n后用风动张拉机具进行索具张 拉，要求压力表数据达到 3 0 MP a 。 6 )掘进进尺之间的钢筋网接茬部位要用 l O 铁丝联接 ， 每个联接处的联接点不得少于 5个，使顶部的钢筋 网形成 一 个整体；对拱顶局部破碎段，可沿巷道的纵向增设部分 钢筋梯 ，以提高拱 顶支 护的整体性 。 7 )顶 、帮钢筋绑扎 时距金属 网距离不小于 1 0 0 mm，不 超 1 5 0 ra m，临时固定在钢绞丝上，横筋在里、纵筋在外。 8 )锚索上第二块托板时 ，张拉压力值为 3 0 MP a 。 9 )底部钢筋距底板任一点不得小于2 0 0 ram，临时用木 道板垫在钢筋网，随浇灌 向外抽道板。锚杆预压在 蚴钢 筋网 “ 十”交岔处 。 1 0 )严格按设计 图进行横筋 的加工制作 。 3 巷道支护效果分析 该交岔点 自2 0 0 9年 l 1月份完工以来，历时 1 2个月， 通过 对测点 的观测结果分 析，发 现巷道两 帮移近量为 1 6 ra m，顶底板移近量为 2 0 m m。整个交岔点整体状况良好， 满足了巷道运输、通风、安全生产等使用要求。表明了对 受地压影响的软岩巷道采用 “ 锚杆 +钢筋喷混凝土”联合 支护技术进行 支护 ，限 制 了巷 道围岩 的膨胀 、改变 了围岩 自身应力、提高了喷层的强度。可使巷道支护稳定、坚固， 减少 了巷道破坏及维修量 。 4结论 根据巷道 围岩变形 破坏 特点 ，分析 了原 锚网 喷支护 失 稳破 坏的原 因 ，并提 出了巷 道 围岩支 护对 策 和加 固方 案 。 实践证明了，锚索与钢筋混凝土联合支护技术对地压较大 的软岩巷道的支护取得一定效果 ，维护费用少，是当前比 较经济、有效、安全的支护技术 ，可以在软岩巷道的治理 中推广应用 。但该 支护 技术施 工进度 相对 掘进施 工慢 ，下 一 步应就如何提高进度进行专项研究。 参考文献 ： 1 柏建彪 ，侯朝 炯深部巷道 围岩控制原理 与应 用研究 J 中国矿业大学 学报，2 0 0 6，3 5 ( 2 ) ：1 4 51 4 8 2 姜耀东 ，刘文岗，赵毅 鑫，等 开滦矿区深部开采 中巷道 围 岩稳定性研究 J 岩石力学与 工程学 报 ，2 0 0 5，2 4( 1 1 ) ： l 8 5 71 8 6 2 3 柏建彪 ，侯朝炯 ，杜木 民，等复合顶板极 软煤层巷道锚杆 支护技术研究 J 岩石 力学 与工程 学报 ，2 0 0 1 ，2 0( 1 )： 5 35 6 4 刘全林 ，杨 敏软弱 围岩巷 道锚注支 护机理 及其变 形分 析 J 岩石力学与工程学报 ，2 0 0 2，2 1 ( 8 ) ：1 1 5 81 1 6 1 5 李 占金 ，唐强达 ，齐 干鹤煤五矿深部交岔点大断面软岩巷 道支护 对 策 研 究 J 岩 土 工 程 学 报 ，2 0 1 0，3 2( 4) ： 5 1 4 5 2 0 ( 责任编辑张 宝优) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m