深井高地应力软岩巷道支护设计研究

来源:用户上传      作者: 李俊兵 贾万伟

　　摘要：平顶山天安煤业股份有限公司一矿三水平下延主运输巷开挖后围岩变形较大，支护要求比较高。现场地应力测试及围岩物理力学参数实验表明，该巷道为典型的深井高地应力软弱围岩巷道。通过分析地应力对巷道稳定性的影响，并基于深部岩巷围岩稳定性控制理论和“分步联合支护”理念，制定了相应的支护方案，该方案的主导思想是增强围岩自身抗压强度和支护结构的抗变形能力，尤其重视底板支护。现场实践表明，该方案具有良好的经济及社会效益。
　　关键词：深井　高地应力　软岩　大变形　分步联合支护
　　1、引言
　　随着对能源需求的不断增加和开采强度的不断增大，浅部煤炭资源日益减少，目前，国内外许多矿井相继进入深部开采状态。深部矿区的地质构造、应力场特征、煤岩体的破碎性质与力学响应、岩层移动以及能量的积聚释放规律与浅部开采相比均发生了显著变化，深部矿井灾害的致灾机理、触发条件、演化规律及其显现特征均不同于浅部矿山。进入深部开拓阶段后，围岩体处于“三高一扰动”（高地应力、高渗透压力、高地温梯度和强烈采掘扰动）相互耦合的复杂地质力学环境中，非线性大变形动力现象尤为显著。主要表现为巷道变形量大（顶沉、底膨等）、变形持续时间长、围岩软弱破碎，锚杆、锚索失效增多，巷道维护十分困难。
　　深井巷道往往处于高地应力状态，导致围岩岩性恶化，围岩破碎区和塑性区范围增大，两帮收敛变形大，削弱了两帮对顶板的支护作用；深井高应力通过两帮传递到底板，因施工困难，现有巷道底板一般未支护或支护强度较小，因此，巷道底臌严重。深部巷道在两帮相对移近过程中，作用于顶板和底板的围岩压力，致使顶板下沉和底板臌起，两帮相对移近与底臌相互作用，帮部相对移近促进底臌，底臌又加剧帮部位移。与浅部巷道支护相比，深部巷道不仅要加强顶板和两帮支护，尤其要重视底板支护。
　　2、工程概况
　　平顶山天安煤业股份有限公司一矿三水平下延主运输巷（戊一皮带下山）巷道净断面尺寸为5300×4270mm，围岩以泥岩，砂质泥岩和粗砂岩为主。标高-550m上下200m范围内，巷道采用锚网喷支护，没有架棚，巷道两帮位移200mm，底臌500mm，已掘进巷道区段显现的围岩变形特点表明，锚网喷支护段的两帮位移和底臌量均较大。
　　3、三水平下延主运输巷围岩稳定性分析
　　为了提出有效的围岩稳定控制措施，必须先对该巷道围岩进行工程地质调查、地应力赋存测试及岩性物理性质实验，进而通过围岩变形控制理论确定该巷道的支护方案。
　　3.1　地应力场分布规律
　　本次地应力试验在巷道-726　m水平处设立测点，测点埋深900　m，分别在测点处铅直孔、45°斜孔及水平孔进行了多次水压致裂地应力试验，其测量结果如表1所示。
　　3.2　测试结果
　　根据测试曲线，通过计算分析分别得到三水平下延主运输巷各应力分量及主应力分量的大小、倾角及方位角。测试结果分析：
　　1）　最大水平主应力的量级及方向
　　平顶山天安煤业股份有限公司一矿三水平下延主运输斜巷的-726m处的最大主应力值为31.70MPa、方向32.4°、倾角37°，中主应力值为18.70MPa、方向206.6°、倾角-56.6°最小主应力值为15.98MPa、方向101.5°、倾角3.7°。
　　2）　垂直应力分量σz与上覆岩层重度的关系
　　布朗（Brown）在总结世界上大量的地应力现场实验资料表明，在深度为25～2700米范围内，地应力的铅垂向分量基本上等于上覆岩层重量，除少数实验点偏离较远之外（分散度小于5%），其随深度的变化按照岩石重度成线性增加。由表3可知，在本次实测深度内垂直应力分量σz＝23.09MPa，　自重应力σv=γH＝23.4MPa，式中，γ为岩层的重度，取为26000N/m3，H上覆岩层厚（900m）。垂直应力分量与自重应力的比值为0.987，这表明了垂直应力分量与自重应力十分接近。
　　3）　最大主应力方向与地质构造的关系
　　岩体中现存的最大主应力方向主要取决于现在的地质构造应力场。现场测验结果表明，最大主应力方向与本区的逆断层的夹角较大（67.4°～77.4°）、与正断层的夹角较小（27.6°）。这表明实测结果与本区的地质构造较吻合。
　　4）　地应力与围岩强度的关系
　　在高地应里作用下，围岩表现出明显的弱化现象。该段巷道围岩属于典型的深井高地应力软岩巷道。
　　3.3　围岩力学参数实验
　　根据对采自三水平下延主运输巷的岩芯进行岩石力学性质室内单轴和三轴实验得到，平煤股份一矿三水平下延主运输巷围岩围岩以砂质泥岩为主，砂质泥岩试件的抗压强度在42～49MPa，平均45.3MPa左右；弹性模量为28.8～35.7GPa，平均为31.68GPa；泊松比为0.15～0.28，平均为0.212；围岩为块状，完整性指标Kv取0.35＜Kv≤0.55，测得最大σ1得为31.7MPa，作用到岩体强度应力比为0.50～0.79。根据相关研究[6]，可以判断该巷道为典型的Ⅳ级围岩。
　　3.4　地应力对巷道稳定性的影响
　　由于地应力的主应力具有明显的方向性，　因而它对巷道布置有重要影响。最大水平主应力方向对扩大区巷道稳定性影响具有规律性。
　　1）　最大主应力与主运输巷轴夹角为15.4°，故最大主应力的影响最小，巷道轴向破坏较小。
　　2）　最大主应力与主运输巷径向夹角为77°，　巷道轴向主应力的影响最大，　巷道拱顶和底板支护要求比较高，部分已完成巷道拱顶有掉块破坏，底板拱起严重。
　　3）　最大水平主应力与主运输巷轴向夹角为13°，对巷道的轴向开挖影响较小，但在巷道下帮出现应力集中，　加强对底角的支护。
　　因此，　主应力的方向对巷道变形与破坏有很大影响，在巷道布置及支护参数设计时必须考虑最大主应力和最大水平主应力的作用。 　　4、围岩稳定性控制及支护设计
　　4.1　围岩稳定性控制理论
　　三水平下延主运输巷开挖后围岩出现了大变形，根据第3节围岩稳定性分析，基于“应力状态恢复改善、围岩增强、固结修复、应力峰值转移与承载圈扩大”四项基本原则的深部岩巷围岩稳定性控制理论和“分步联合支护”理念，设计支护方案的主导思想是增强围岩自身抗压强度和支护结构的抗变形能力，尤其重视底板支护。
　　4.2　支护方案
　　经多方案比较，进行方案优化设计，制定了该巷道的支护方案，旨在对围岩变形破坏进行有效控制。
　　（1）总体思路
　　根据分步联合支护理念，采用钢筋网+U型钢支架+喷层，顶拱、两帮高强预应力锚杆＋浅孔注浆进行一次支护；全断面滞后深孔注浆+高强预应力锚索为二次支护；最后施作预底板注浆+锚索。通过一次支护及时恢复围岩应力状态，增强围岩承载能力，实现巷道稳定和施工安全的初步控制；通过注浆修复破损区域，进一步增强围岩；通过锚索支护实现应力转移、扩大承载圈，进一步恢复改善围岩应力状态，实现巷道稳定的根本控制。
　　（2）施工工序
　　巷道开挖后施工工序为：挂钢筋网→　架设36#U型钢支架→　初喷100mm厚C20混凝土→　浅孔注浆→　深孔注浆→施作预应力锚杆→施作预应力锚索→　复喷50mm厚C20混凝土。
　　（3）主要支护参数
　　1）钢筋网片
　　巷道帮顶铺设钢筋网，钢筋网片规格为：Ф8@100×100mm。网片尺寸为800×900mm，短边沿巷道走向布置。
　　2）U型钢支架
　　巷道采用36#U型钢支架。支架间距700mm，支架棚腿埋深300mm。支架后在钢筋网后面适当充填碎石，以使支架受力均匀，并尽快发挥支护作用。在帮脚附近施作锁腿预应力锚杆（见图2）。
　　3）喷浆
　　U型钢架立之后进行初喷，厚度为100mm。锚索施工后进行复喷，厚度为50mm。初喷起封闭作用，防止浅孔注浆时跑浆。
　　4）浅孔、深孔注浆
　　浅孔注浆参数为：注浆孔长1500mm，注浆管长800mm，间排距2500×2100mm，注浆压力1.5MPa以上。浅孔注浆滞后喷浆段15m进行。深孔注浆参数为：注浆孔长度5000mm，注浆管长3200mm，间排距2200×2100mm，注浆压力5.0MPa以上，深孔注浆滞后浅孔注浆15m。注浆孔布置见图3。
　　5）预应力锚杆
　　锚杆规格为Ф22×2500mm，Ⅳ级螺纹钢，等强螺纹，左旋无纵筋杆体。间排距：800×700mm，矩形布置。锚杆托盘：200×200mm，厚度为10mm。，锚杆滞后初喷15m施工，预应力50～70kN。锚杆断面布置见图2。
　　6）预应力锚索+锚梁
　　锚索规格为Ф22×7500mm，材料为低松驰钢绞线，预应力不小于150kN。锚索间排距为1600×1400mm，垂直于巷道轮廓线布置。锚索、锚梁的施工滞后深孔注浆15m。锚索布置见图2。
　　锚梁采用现场多余的U型棚，长1900mm，每断面4根。
　　7）底板支护
　　底板支护包括底板注浆和底板锚索。
　　注浆孔布置见图2，注浆孔沿铅垂线施工，深2000mm。每个断面3根，排距为2000mm。
　　每根底板注浆管处挖500×500×500mm底槽。浅孔注浆压力均为1.5MPa。
　　注浆完成5～10天内施作底板锚索，底板锚索设计参数为Ф22×7500mm，排距为1400mm，可预先挖深400mm的槽。底板锚索孔沿铅垂线施工。见图1。
　　5、结论
　　（1）平煤一矿三水平下延主运输巷围岩以砂质泥岩为主，砂质泥岩试件的抗压强度在42～49MPa，平均45.3MPa左右；弹性模量为28.8～35.7GPa，平均为31.68GPa；泊松比为0.15～0.28，平均为0.212；围岩为块状，完整性指标Kv取0.35＜Kv≤0.55，测得最大σ1得为31.7MPa，作用到岩体强度应力比为0.50～0.79。属于典型的高地应力软弱围岩，开挖后巷道变形大，支护要求较高。
　　（2）最大主应力方向与主运输巷径向夹角为77°，　巷道轴向主应力的影响最大，　巷道拱顶和底板支护要求比较高，部分已完成巷道拱顶有掉块破坏，底臌严重。
　　（3）基于深部岩巷围岩稳定性控制理论和“分步联合支护”理念，针对该巷道的变形特点制定了相应的支护方案，支护方案的主导思想是增强围岩自身抗压强度和支护结构的抗变形能力，尤其重视底板支护，现场实践取得了良好的经济和社会效益。
　　参考文献
　　[1]何满潮，谢和平，彭苏萍等.　深部开采岩体力学研究[J].　岩石力学与工程学报.　2005，24（16）：　2803-2813.
　　[2]钱七虎.　深部地下工空间开发中的关键科学问题[C]//第230次香山科学会议——深部地下空间开发中的基础研究关键技术问题.[S.l.]：[s.n]2004：6－28.
　　[3]何满潮.　深部的概念体系及工程评价指标[J].岩石力学与工程学报，2005，24（16）：2853－2858.
　　[4]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，2006，35（2）：145-148
　　[5]刘泉声，张华，林涛.　煤矿深部岩巷围岩稳定与支护对策[J].岩石力学与工程学报.2004，23（21）.3732－3737.
　　[6] 刘泉声，高玮，袁亮，煤矿深部岩巷稳定控制理论与支护技术及应用[M]，科学出版社，2010.
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