深井高应力软岩岩巷支护技术研究

深井高应力软岩岩巷支护技术研究

作者： 任勇杰 王庆伟 冯刚

来源：《科技创新导报》 2015年第13期

任勇杰 王庆伟 冯刚

(山东能源新矿集团 山东新泰 271233)

摘 要：该文重点针对新汶矿区埋深大、高地应力带来的巷道支护难题，研究新汶矿区深井高应力软岩巷道支护技术。首先通过地应力测试和围岩分类为选择合理的支护方式提供依据，通过选择合理的断面形状提高岩巷承载能力，通过优化巷道布置，研发高强锚杆、锚索、高强W钢带等深部巷道支护材料，采用高强锚杆一次支护、联合支护、让压支护、钢管混凝土支架强力支护等多种支护方式确保了深井高应力岩巷及大断面硐室支护安全。

关键词：深井 高应力 岩巷 支护技术

中图分类号:TD353

文献标识码：A 文章编号:1674-098X(2015)05(a)-0009-02

随着煤炭资源的不断开采，浅部资源量逐渐减少，我国东部矿区煤矿开采深度以每年10～25 m的速度迅速增加，东部多数矿井已经进入深部开采时代。新矿集团目前有8对矿井采掘深度超过1000 m，有4对最大采深超过1200 m属超深井开采。集团公司最大回采深度达到1280

m，最大掘进深度达到1501 m。目前新矿集团老区矿井有效可采储量有44%在千米以下。深部高地应力造成巷道支护困难，特别是深部岩巷，由于服务年限长，后期巷道围岩破坏严重，巷道失修率不断增加。

1 深井高应力巷道支护困难

随开采深度增大,地应力显著增大, 矿压显现强烈，巷道变形量明显增大，给生产系统安全运行带来严重问题。个别矿井最大水平应力达到39.13 MPa。由于地应力的升高，在浅部相对较硬的围岩,到达深部后成为“工程软岩”,表现出强烈的扩容性和应变软化特征,巷道岩体强度降低,巷道与支护体破坏严重,半圆拱岩巷表现为拱部以上巷道变形严重，失去原有的拱形特征，最大变形量超过0.9 m；煤巷半煤巷主要表现为顶板下沉、底板鼓起、帮部鼓出，据部分统计,深部巷道实际返修比例高达90%以上。

2 深井高应力巷道支护体系

2.1 深井高应力巷道变形特征

由于深部巷道开挖前处于高应力环境中的平衡状态，一旦巷道开挖，原平衡状态即遭到破坏，主要表现为巷道围岩变形，通过现场实测发现具有巷道围岩变形量大、初期变形量大、围岩变形持续时间长、围岩变形易受扰动、围岩变形的冲击性等特点。

新汶矿区深部巷道围岩变形与破坏主要受三方面的因素影响：其一是巷道围岩地质赋存条件，包括煤岩体物理力学性质，节理、裂隙发育程度及地质构造；其二是巷道工程赋存环境，主要包括地下水环境、应力环境和温度环境；三是巷道施工因素，包括巷道类型，断面形状及尺寸，开挖方式以及支护形式、支护参数和支护时机等。

2.2 进行地应力测试和围岩分类

搞好深部岩巷支护，需要对新汶矿区不同地域、不同煤岩层的地应力、煤岩层赋存情况进行测试，为此对开采深度较大的孙村煤矿、协庄煤矿、华丰煤矿、潘西煤矿选取了13个施工地点进行地应力测试，测出了各煤岩层的最大水平主应力、最大水平主应力方向、垂直应力、最小水平主应力，同时进行了钻孔的窥视工作，得到了不同支护及不同岩层岩性及节理和裂隙情况，为深部巷道合理支护设计提供了依据，形成新汶矿区深部高应力巷道合理支护参数选择方法。

2.3 优化全岩巷道断面形状

提高巷道支护效果的重要手段之一是选择稳定的断面形状。一般认为圆形巷道四周受力均匀，能够适应于软岩或高地应力的条件。在围岩稳定的条件下，可选择形状简单的折线型巷道断面，在围岩不稳定的条件下，可选择形状复杂的曲线型巷道断面。根据不同的埋深、围岩条件、技术条件、用途、服务年限等选择不同的巷道断面形状。目前新矿集团深部岩巷一般选择马蹄形、椭圆、半圆拱、曲墙拱型断面。

2.4 优化全岩大巷巷道布置

依据测定的最大水平应力方向布置巷道，确保巷道在低应力下掘进。最大水平主应力的大小及方向是影响锚杆支护巷道围岩稳定性的关键因素之一,经过理论分析，相同煤柱时,最大水平主应力与巷道夹角为90 °时煤柱的变形量约为夹角0 °时的1.3倍,巷道底鼓量约为夹角0时的2.2倍，因此最大水平主应力与巷道轴线的夹角愈小愈有利于巷道围岩的稳定。

2.5 深部高应力岩巷支护方式

深部全岩巷道的支护方式先后经历了架棚支护、锚喷支护、锚网喷支护、锚网喷二次支护、高强锚杆锚喷一次支护等。高强锚杆锚喷一次支护工艺分为初期支护、锚网支护、喷浆三部分。目前新矿集团深部主流的支护方式为高预应力强力锚杆一次支护，实现一次支护有效控制围岩变形与破坏，避免二次支护和巷修，并以此为基础衍生了集多种支护方式于一体的复合型支护。

2.5.1 高强锚杆一次支护+钢棚让压加固

华丰煤矿-1180东岩巷埋深1298 m，所穿过的岩石大部分为粉砂岩、中砂岩，岩石倾角30～34 °，自重应力28MPa，还存在着较高的水平构造应力，在35～47 MPa之间。围岩扩容碎胀变形量较大，围岩松动圈较大，一般大于2000 mm，锚杆很难深入到稳定坚硬岩层中，锚杆全长都锚固在松动围岩内，属典型的深部高应力软岩巷道。采用锚网喷支护作为永久支护，支护材料为一次支护顶部使用MSGLD-600(X)等强螺纹钢树脂锚杆，其余使用MSGLD-335全螺纹等强锚杆，滞后迎头10m范围正顶及下肩窝处各补打一根φ22×6300 mm钢绞线锚索。一次支护后滞后迎头40 m内按间距1000 mm支设U29型钢棚作加强支护。支护断面如图1所示。

2.5.2 高强锚杆+钢筋网+锚索联合支护

潘西煤矿-1100西大巷开门处底板标高-1101.1 m，巷道东部临近-1100 m皮带暗斜井，南部临近6198运输巷，西、北部为未开拓区，巷道埋深1320.6～1339 m，垂深较大。采用锚网喷＋点式锚索联合支护。巷道采用MSGLW-600/22×2400 mm无纵肋螺纹钢式树脂锚杆配150×150×10 mm的高强托盘、450×280×8 mm的强力W钢护板压Φ6 mm的钢筋网进行支护。喷层总厚度为120 mm，巷道拱部及两帮采用点式锚索加强支护。锚索选用Φ22 mm、19股高强度低松弛预应力钢绞线，所用锚索长度为4.3 m，采用300×300×16 mm高强度可调心锚索托板。如图2所示。

2.6 深部全岩大断面硐室支护技术

深部大断面硐室由于受高地应力、开采扰动、大断面的影响，普通的支护方式已不能有效进行支护，因此试验了钢管混凝土支架支护以及锚网喷+锚索桁架联合支护两种支护方式。

2.6.1 钢管混凝土支架强力支护

华丰煤矿由于受深部高应力和工作面采动影响，-1100泵房周围岩体松动圈增大，部分U29型可缩性支架被压坏，原有支护方式已不能满足需要。2012年初，同中国矿业大学合作，对-1100泵房进行扩修。支护方式采用采用喷锚喷、锚网喷支护，后部采用锚索进行补强支护，最后集中架设钢管混凝土支架作加强支护。钢管混凝土支架是在钢管外壳内填装混凝土组成的构件，工作原理是借助钢管外壳的约束左右，使混凝土处于三向受压状态，从而使夹心混凝土具有更高的抗压强度和抗变形能力，内填混凝土和钢管支架共同承受轴向压力，由于其有圆柱状外形，不仅具有惯性矩大的特点，而且无异向性，不易扭曲变形，承载能力是相同重量U型钢支架的3～4倍。-1100泵房采用斜墙半圆拱形钢管混凝土支架支护，墙腿外插以抵御两帮来压；钢管混凝土支架外部预留0.5 m的让压空间，保证支护效果；整个泵房内支架采用钢丝绳柔韧性穿背形成一个整体，提高安全系数。通过矿压观测资料看，该支护比U形钢支护效果明显，巷道收缩量小于200 mm，底鼓量明显减小，能有效控制巷道变形，降低巷道修复率，为矿井深部大断面、高地应力支护提供了借鉴。目前在矿井深部大断面硐室和永久巷道等支护薄弱地点采用该支架300余架。

2.6.2 锚网喷+锚索桁架联合支护

潘西煤矿-1100中央泵房及管子道该位于-1100水平，自-1100变电所导F点以东25 m处开门，开门标高-1099.9 m,东临-1100暗管子井，西接-1100变电所，南部为未开拓区，北临-1100通过线。巷道采用Φ22×2400 mm抗冲击高强锚杆配高强托盘、W护板压钢筋网进行支护，锚杆间排距为800×800 mm，每根锚杆采用两支MSK28/500型树脂锚固剂锚固。钢筋网采用Φ6

mm的钢筋焊接，喷浆到迎头的距离不大于30 m。选用Φ17.8 mm高强度、低松驰、粘结式1×7钢绞线，所用锚索长度为6 m，按锚索桁架布置加强支护，锚索桁架排距为1.6 m，锚索间距1.3 m。

2.7 深部巷道支护材料

为适应深部巷道支护的需要，先后研发了无纵肋螺纹钢式树脂锚杆、热轧细牙等强螺纹钢式树脂锚杆以及配套高强锚固剂、高强W钢带等支护材料，引进了美国捷马锚杆，研发了注浆锚索等支护材料。

3 支护效果

3.1 有效控制了巷道变形

经实测，深部巷道表面位移和顶板离层比以往降低50%以上，巷道基本不需要大规模维修，满足了生产要求。局部地段如过断层、构造带初期围岩变形量仍较大，但通过补打锚杆、锚索，有效控制了围岩变形破坏，围岩稳定性和安全程度得到保证。

3.2 失修巷道明显减少

目前集团公司失修巷道长度10319 m，比2010年减少50%以上，严重失修巷道长度1118 m，巷道失修率0.99%，巷道严重失修率0.11%，同比巷道失修率减少0.39%、严重失修率减少0.05%。

4 结语

重点研究了深部高应力岩巷支护体系，进行地应力测试和围岩分类为选择合理的支护方式提供依据。选择合理的断面形状提高岩巷承载能力，通过高强锚杆一次支护、联合支护、钢管混凝土支架等多种支护方式确保了深井高应力岩巷支护安全。

参考文献

[1] 张有为，冯刚.深井硬岩大断面巷道综合机械化掘进技术[J].煤炭工程,

2014(9):58-60.

[2] 牛玉柱，倪庆军.深部巷道围岩支护技术研究[J].山东煤炭科技,2004(4):56.

[3] 杨成杰.高强让压锚杆在某矿回风石门中的实际应用[J].科技创新,2011(12):86-87.