深部高应力软岩巷道支护技术

深部高应力软岩巷道支护技术

周俊林;林登阁;王迎东

【摘 要】近年来，煤炭等矿产资源的开发利用逐步向深部发展，深部软岩巷道大变形、大地压、难支护等特征表现明显，支护问题日益突出。根据具体情况，安居煤矿千米埋深软岩硐室井下中央泵房，拱墙设计采用锚网索喷＋锚注＋现浇混凝土加固方案，底板采用抗让结合的反底拱及底板注浆治理方案，有效地控制了硐室变形破坏，取得了预期效果。实践表明，以锚注为核心的锚注联合支护体系，可有效控制深部软岩巷道围岩变形，保证巷道长期稳定。

【期刊名称】《建井技术》

【年(卷),期】2013(000)006

【总页数】4页(P29-32)

【关键词】高应力软岩巷道;深部;锚注加固技术;数值模拟

【作 者】周俊林;林登阁;王迎东

【作者单位】冀中能源峰峰集团九龙煤矿，河北 邯郸，056500;山东科技大学，山东 青岛，266510;山东科技大学，山东 青岛，266510

【正文语种】中 文

【中图分类】TD353+.9

深部软岩巷道稳定性控制一直是国内外矿山工程支护加固的难题之一［1］。近年来，煤炭等矿产资源的开发利用逐步向深部发展，深部岩体的结构特征与力学性能越来越复杂。浅部矿井开采中，表现为硬岩特征的岩体，进入深部开采后，往往表现出大变形、大地压、难支护等软岩力学特征［2］，产生了一系列的工程问题。巷道地应力增大，且水平地应力明显大于垂直地应力，形成高水平地应力［3］。这些都加剧了软岩巷道围岩变形破坏程度，增大了支护难度［4］。因此，开展深部高应力软岩巷道支护技术研究，势在必行。

1 深部高应力软岩巷道支护技术

20世纪80年代，世界各国巷道支护大多以金属支架为主。金属支架在浅部矿井开采中，发挥了良好的支护作用，得到了广泛应用［5］。随着矿井开采深度的加大，深部软岩巷道采用传统的支护方式，已难以保证围岩稳定，不能适应深部开采需要。目前，世界多数产煤国家采用各种不同类型的锚杆、锚杆桁架及锚索支护方式，其中以美国、澳大利亚尤为明显。美国所有煤矿巷道均布置在煤层中，普遍采用锚杆支护。澳大利亚在煤矿深部开采中，采用以锚杆为主的联合支护技术，形成了锚喷网索等联合支护方式。

我国在软岩巷道支护领域，进行了一系列卓有成效的研究工作［6］。20世纪50年代，主要采用砌碹、棚式支架等支护形式；60年代开始推广锚杆支护；进入90年代，随着开采深度的增加、开采范围的扩大，一些新型支护体系，如高强预应力让压锚杆、大吨位锚索、环周锚注等新技术相继出现，在软岩及煤巷中，获得了良好的支护效果。

砌碹、棚式支架等属被动支护，支护成本较高；锚杆、锚索支护，难以使松动范围较大的破碎围岩完全处于受压状态而形成组合拱；锚注加固技术采用锚杆与注浆相结合的方法，提高了软岩支护效果，扩大了锚杆使用范围，可有效地解决深部高应力软岩巷道支护问题。

2 工程实践

济矿集团安居煤矿是1座现代化矿井，位于济宁市市中区。矿井可采储量111.812Mt，设计生产能力1.5Mt／a，服务年限53.2a。矿井采用立井开拓方式，在工业广场内，设主、副2个千米立井。井筒所穿地层，主要由中、细砂岩，粉砂岩和泥岩等组成，多为高角度裂隙岩层，构造复杂，地下水丰富，对巷道围岩稳定性影响较大。该矿井下硐室，埋深达千米，地压大，地应力高，围岩软，稳定性差。已施工的硐室，均不同程度地出现了变形破坏，严重影响矿井正常施工与生产。

2.1 中央泵房加固支护方案

井下中央泵房位于－940m水平井底车场西绕道内，为千米埋深软岩硐室。顶板岩层具有弱冲击倾向性，围岩应力集中。硐室空间结构复杂，断面大，埋藏深，围岩松软，处于极不稳定状态，需要进行加固处理。

中央泵房是矿井核心工程之一。它不能使用，将造成矿井停产。泵房加固必须保证安全可靠，长期稳定。泵房拱墙设计采用锚网索喷+锚注+现浇混凝土加固方案，底板采用抗让结合的反底拱及底板注浆治理方案［7］，如图1所示。

图1 中央泵房加固支护断面1—拱墙锚索，规格φ17.8mm×8.5m，间排距1.6m×1.6m；2—拱墙高强螺纹钢树脂锚杆，规格φ20mm×2.4m，间排距800mm×800mm；3—T型钢带，长1.8m；4—底角锚索，规格φ178mm×7.5m，排距1.6m；5—底板注浆锚杆，规格φ22mm×1.4m，每断面3根；6—T型钢带底梁，长5.4m，每台水泵基础3根；7—底板高强锚杆，规格φ20mm×1.6m，每断面4根

中央泵房拱墙联合支护设计如下：①高强螺纹钢树脂锚杆，规格φ20mm×2.4m，间排距800mm×800mm。②金属网用φ6mm钢筋焊接，网格规格100mm×100mm，网片规格1.8m×1m。③锚索规格φ17.8mm×8.5m，间排距1.6m×1.6m。每2根锚索沿硐室纵向，用T型钢带连接成锚索束。④喷射混凝土强度等级C20，厚120mm。⑤高强注浆锚杆规格φ22mm×2.4m，间排距1.6m×1.6m，与高强螺纹钢树脂锚杆隔排布置。注浆采用单液水泥浆，水灰比1∶0.6，浆液中添加水泥重量1%的减水剂。⑥现浇混凝土厚550mm，强度等级C40。

中央泵房底板采用抗让结合的支护体系，要求水泵基础下的加固强度高于水泵基础与水泵基础间的底板强度。支护设计如下：①水泵基础采用锚梁、锚注、混凝土反底拱支护结构。每台水泵基础下设3根反底拱梁，用GDⅡ140／20T型钢带制作，由4根φ20mm×1.6m高强锚杆固定，梁间布置3根φ22mm×1.4m注浆锚杆。反底拱厚300mm，混凝土强度等级C20。②2台水泵基础之间布置3根φ20mm×1.6m高强锚杆，上面铺300mm厚的C20混凝土。

2.2 中央泵房加固支护数值模拟分析

利用FLAC 3D岩土工程数值软件，对中央泵房加固支护后的位移、塑性区、围岩应力情况进行了数值模拟分析。

（1）位移分析

锚网索喷注加固支护后，围岩竖向、水平方向的位移模拟结果如图2所示。从图中可以看出，泵房顶部最大沉降量为8mm，位于拱顶和壁龛拱部；最大底鼓量为9.2mm。与锚网索喷初次加固支护后相比，均明显减小。

（2）围岩塑性区分析

锚网索喷注加固支护后，围岩塑性区模拟结果如图3所示。从图中可以看出，塑性区出现在泵房两墙、壁龛区域；与锚网索喷初次加固支护后相比，塑性区范围明显缩小。表明浆液已渗透到了破碎岩体中，提高了围岩整体性，增大了围岩抗拉强度和粘结力。

（3）围岩应力分析

图2 围岩位移模拟结果

图3 围岩塑性区模拟结果

图4 围岩竖向应力模拟结果 锚网索喷注加固支护后，围岩应力模拟结果如图4所示。从图中可以看出，与锚网索喷加固支护后相比，应力明显降低，并进行了重新分布，表明围岩得到了进一步加固。

数值模拟分析结果表明，锚网索喷注加固支护体系，有效地控制住了中央泵房围岩变形，使整个硐室受力均匀，围岩应力分布呈现圆形硐室围岩应力分布特征。

2.3 加固支护效果

为了判断中央泵房硐室是否稳定，加固支护方案是否合理，加固支护施工后，对其位移情况进行了观测，观测结果如图5、图6所示。

图5 中央泵房两帮水平收敛变形曲线

图6 中央泵房顶底移近变形曲线

从图5、图6可以看出，中央泵房两帮累计收敛量为60mm，顶底累计移近量为26mm，均在允许范围之内。表明加固支护方案科学合理，取得了预期效果，提高了支护结构整体性及围岩整体强度，有效地控制了硐室变形破坏，保证了硐室长期稳定。

3 结 语

国外深部高应力软岩巷道，主要采用锚喷、锚杆桁架、锚索等联合支护方式。我国深部高应力软岩巷道，主要采用锚杆、锚索、锚注等联合支护方式。

实践表明，以锚注为核心的锚网索喷注联合支护结构，利用浆液来充填围岩裂隙，封闭围岩，防止围岩风化，可提高围岩稳定性、整体性和承载能力，有效控制软岩巷道围岩变形。安居煤矿千米埋深软岩硐室井下中央泵房支护设计和施工的成功实践，为深部软岩巷道支护提供了经验。

［参考文献］

［1］何满潮，高尔新 .软岩巷道耦合支护力学——21世纪学科生长点［J］.煤炭学报，1997，22（S）：196－199. ［2］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.

［3］周宏伟，谢和平，左建平 .深部高应力下岩石力学行为研究进展［J］.力学进展，2005，35（1）：91－99.

［4］李 刚，梁 冰，张国华 .高应力软岩巷道变形特征及支护参数设计［J］.采矿与安全工程学报，2009，26（2）：183－186.

［5］史元伟，张声涛，尹世魁，等 .国内外煤矿深部开采岩层控制技术［M］.北京：煤炭工业出版社，2009.114－213.

［6］杨新安，陆士良 .软岩巷道锚杆支护研究新进展［J］.中国煤炭，1996（8）：29－32.

［7］何成松 .深井软岩硐室稳定性控制和加固支护技术研究［D］.青岛：山东科技大学，2013.