提高支护强度控制深部巷道围岩变形

摘 　要 : 简要分析了鹤壁矿区深部巷道围岩变形特征及支护机理 , 指出常用锚杆主动支护强度偏低 , 是造

成深部巷道变形破坏的主要原因 , 结合工程实例提出了提高支护强度 , 控制深部巷道围岩变形的主要技术措

施。

1 、问题的提出鹤壁矿区主采山西组 2 1 煤 , 煤厚平均 8 m , 倾角一般 15 °～ 25 ° , 煤系地层构造较复杂 , 断层和褶曲相当发育。矿区现有八对矿井 , 生产水平埋深在500 m 以上 , 最深达 750 m , 高应力难支护工程软岩问题日趋突出。传统的锚网喷及架棚支护 , 由于支护强度偏低或支护方式不当等原因 , 造成深部巷道失修率高 , 维护费用大。因此分析研究深部巷道围岩变形特征 , 寻求提高支护强度的有效方法 , 确保深部巷道围岩稳定 , 具有重要的现实意义。深部巷道常见岩石物理力学性质参数见表 1 。

2 　深部巷道围岩变形特征及支护机理

2. 1 围岩变形特征

(1) 非弹性变形区的产生 [1]

　　深部巷道开挖后 , 若切向应力集中超过围岩强度 , 巷道周边岩石首先变形破坏 , 并逐步向内部扩展 , 产生松动区 , 塑性区 ( 图1)

。非弹性变形区半径 R 为

式中 　 C 、Φ———岩石的粘结力与内摩擦角 ;

R o ———巷道掘进断面外接圆半径 ;

γ———上覆岩层的加权平均容重 ;

h ———巷道中心至地表的距离 ;

K ———采动支承压力集中系数 ;

p i ———支护强度。

由上式可知 , 巷道断面越大、岩石强度越低、埋深越大及受采动影响越严重 , 则非弹性区半径 R越大。上式同时反映出 , 当其它因素确定后 , R 仅是P i 的函数 , 表示为 R = f ( P i) ,即提供的支护强度P i 越大 , 则 R 越小 ; 反之则 R 越大。

(2) 围岩变形类型

　　岩石强度会随着应力作用时间延长而降低。坚硬岩石如石灰岩、 S 9 砂岩等长时强度为瞬时强度 70 % ～ 75 %; 湿度较大的松软岩石砂质泥岩、泥岩等长时强度只有 50 % ～ 60 % , 甚至更低。巷道

围岩变形是非弹性区形成和发展的直接体现。根据深部巷道围岩应力与强度对比关系 , 以及取得的矿压监测成果 [3] 分析 , 有三种不同类型的变形 ( 图2)

① Ⅰ类变形 : 巷道围岩应力小于或等于长时强度 , 围岩呈现弹性变形和蠕变 ( 弹粘性变形) ,但连续性不遭破坏 , 只形成弹粘性变形区 , 位移量小于 50 ～ 60 mm 。

② Ⅱ类变形 : 巷道围岩应力超过长时强度但小于瞬时强度 , 围岩呈现弹一粘 —塑性流动 , 且伴有微裂缝形成和扩容现象 , 形成松动区 1. 5 ～ 3 m ,非弹性区深 6 m , 位移量不超过 200 mm 。

③ Ⅲ类变形 : 如果巷道围岩应力大于瞬时强度 , 变形特点是围岩刚暴露变形速度最大 , 立即形成瞬时破坏区 , 其边界随应力不断重新分布和时间的推移扩大 , 最终形成长期破坏区 3 ～ 5 m , 非弹性区达 10 ～ 12 m 。该类围岩很少会完全稳定 , 位移量通常超过 200 mm 。对深部巷道 ( 埋深 600 ～ 1000 m) , 受原岩应力加大影响 , 在较高掘进集中应力或采动支承压力作用下 , 巷道围岩应力 —强度工况条件恶化 , 除石灰岩、 S 9 砂岩等 ( σ c > 100 MPa) 发生 Ⅰ类或 Ⅱ类变形外 ; 其它大量岩石包括砂质泥岩、泥岩、粉砂岩及煤等 , 一般均发生 Ⅲ类变形。

2. 2 　支护机理

　　从上分析可知 , 深部巷道围岩稳定性取决于围岩应力与强度相对大小 , 要使其稳定持久不破坏 ,所受应力必须小于或等于围岩长时强度。巷道支护机理是通过支护抗力作用 , 提高围岩径向应力 ,改善围岩应力状态 , 使非弹性区的强度高于所受应力 , 满足围岩稳定条件 , 从而控制变形防止失稳破坏。深部 Ⅰ类变形巷道 , 围岩强度足以抵抗产生的应力无需支护 , 为防止围岩风化剥落 , 采用喷射混凝土封闭 , 或采用较弱强度的锚喷支护即可。但

Ⅱ、Ⅲ类特别是 Ⅲ类变形巷道 , 支护强度作用很大。据文献 [4] , 煤层及动压巷道支护强度应不低于 0.2 MPa , 才能有效控制围岩剧烈变形。目前常用的管缝锚杆及 Q235 圆钢 Φ 16 mm 端头锚固树脂锚

杆 , 设计锚固力 40 kN , 按锚杆间排距均为 0. 75 m计 , 支护强度只有 0. 071 MPa , 显然主动支护强度明显偏低 , 不能满足深部巷道围岩稳定需要 , 是造成巷道变形破坏的主要原因。

3 、提高支护强度 , 控制深部巷道围岩变形主要措施及实践

3. 1 采用预应力高强度树脂锚杆支护体系 , 提高主动支护强度

(1) 提高树脂锚杆锚固力

　　锚杆是通过锚固力增加围岩径向应力 , 发挥围岩自承能力稳定围岩的 , 锚杆锚固力对控制围岩变形具有重要作用。锚杆支护技术先进的国家 , 如美国、澳大利亚等 , 煤巷大都采用 Φ 20 ～ 24 mm 高强度、超高强度全长锚固树脂锚杆 , 锚固力达 200 ～300 kN , 锚杆的锚固强度和可靠性显著提高 [5] 。十矿 - 575 m 水平南翼大巷 ( 埋深 735 m) , 开始施工时 , 采用普通锚网喷支护 , 使用的管缝锚杆锚固力仅 30 ～ 40 kN , 未能有效控制深部围岩压力与变形 ,发生局部冒顶事故 , 被迫采用 U 型钢拱架维修 ; 后通过现场实测围岩松动圈 , 选择 L 2. 0 m

、Φ20mm20MnSi 建筑螺纹钢端头锚固树脂锚杆 , 锚固力80 ～ 120 kN , 才确保了巷道围岩稳定 , 并提高支护

效率 , 降低支护费 939 元 / m , 技术经济效益显著。

(2) 增大锚杆预拉力

　　理论与实践证明 , 保证锚杆有足够的预拉力 ,才能使锚固范围结构面强度 ( c 、Φ值 ) 提高 , 真正实现主动支护。据文献 [6] 研究 , 当锚杆预拉力达到 60 ～ 70 kN 时 , 就可有效地控制巷道顶板下沉变形 , 并可适当加大锚杆间排距。针对煤系地层水平应力较大的特点 , 在三矿 31011 回采巷道 ( 埋深 550m) , 根据锚杆支护“刚性”梁理论 , 设计高强度、高预拉力、大间排距(1. 2× 1. 2 m) 新型锚杆支护体系。锚杆系镦头式组合锚杆 , 锚杆体为 L 1. 8 m 、Φ 22 mm20 MnSi 建筑螺纹钢 , 树脂锚固端长 800mm , 锚杆附件包括 150 × 150 × 10 mm 金属托盘及增压减摩垫圈。锚杆系统屈服载荷 ≥ 150 kN , 极限承载力 ≥ 200 kN , 施加预拉力 60 kN 。现场试验取得良好支护效果及经济效益 , 新型锚杆每米巷道比原使用 Φ 16 mmQ235 圆钢普通树脂锚杆数量减少60 % , 掘进速度提高了 12. 3 % , 支护成本较原普通树脂锚杆降低 24. 7 % , 比架工字钢棚降低 55. 6 % 。

(3) 增强网、梁及喷层护表构件作用网、梁及喷层在锚杆支护体系中属护表构件 ,是确保锚杆支护效果的重要措施。高质量护表构件能有效地控制锚杆之间围岩变形 , 托住已碎裂的岩石 , 有效地将非锚固岩层载荷传递给锚杆 , 巷道围岩稳定性越差 , 护表构件作用越重要。近年来试验钢筋网 ( Φ 4 ～ 6 mm) 及金属菱形网、 W 钢带、钢筋梯 ( Φ 14 mm) 等 , 有明显的控制围岩变形作用。喷射混凝土能封闭围岩 , 且与围岩结成整体 ,有利于将载荷传递到锚杆及深部围岩 , 可显著提高巷道的稳定性。但素喷混凝土系脆性材料 , 强度较低且柔性较差 , 巷道位移量 10 ～ 20 mm 即发生裂隙。十矿试验喷射钢纤维混凝土 , 改善了喷层的力学性能 , 能适应深部巷道围岩较大变形要求 , 效果较好。

3.2 　实施壁后充填 [7] , 提高 U 型钢可缩性支架工作阻力U 型钢可缩性支架是深部 Ⅱ、Ⅲ类变形巷道常用的联合支护材料。但使用时缺乏壁后充填 , 支架与围岩间存在空间 , 长时间不能对围岩移动产生阻力 , 导致松动变形增加和非弹性区扩大 , 恶化了支架受力条件 , 局部应力集中造成承载能力下降 , 实际承载只有理论值的 20 % , 支架变形严重。若及时实施壁后充填 , 使围岩 —充填体 —支架形成共同承载结构 , 能大幅度提高支架工作阻力 , 降低围岩变形 80 % 以上 , 且大大减少支架的变形损坏。四矿二水平胶带暗斜井尾巷 , 由于受上覆煤层区段煤柱固定支承压力影响 , 采用锚网喷与 25U型钢支架联合支护 , 仍不能有效控制围岩稳定 , 造成 U 型钢支架折断变形 , 巷道冒顶与底臌严重 , 后研究采用 ZKD 形高水速凝材料 , 实施架后充填注浆加固。充填体水灰比为 2. 2 ∶ 1 , 强度 4. 0 MPa 。充填后 , 由于支架受力均匀 , 承载能力提高 , 抑制围岩变形效果十分明显 , 变形速度由原来的 2. 29mm/ d 降到 0. 1 mm/ d 以下 , 保证了巷道长期使用安全可靠。

3. 3 　复杂条件下使用预应力锚索加强支护预应力锚索能增加锚固深度和提高主动支护强度。在跨度大、围岩稳定性差 , 大变形深部软岩工程 , 使用预应力锚索加强支护取得较好效果。大断面岩巷采用注浆锚索。四矿 - 250 m 水平原煤水提升站硐室群 ( 最大净断面 43. 6 m 2 ) 及 -250 m 水平胶带机头硐室 ( 最大净断面 49. 3 m 2 ) 加固 ; 二矿新副井马头门及交叉点加固 , 均使用预应力注浆锚索 , 锚索长 8 ～ 15 m , 极限承载力 1000 kN ,施加预拉力 300 kN 。煤巷采用小孔径预应力树脂锚索 , 该锚索为单根 Φ 15. 24 mm 钢绞线 , 锚索孔径 Φ 28 mm , 长6 ～10 m , 树脂锚固剂加长锚固(0. 8～ 1. 5 m) , 采用单体锚杆钻机安装。锚索极限承载力 260. 7 kN , 施加预拉力 100 ～ 150 kN 。四矿 2132 综放面全煤运巷(2. 8× 2. 4 m) 采用高强锚网梁支护后 , 又使用小孔径预应力树脂锚索加强支护。巷道经受住回采移动支承压力影响 , 回采期间顶板下沉量最大为

124.8 mm , 两帮移近量为 182. 4 mm , 满足了安全生产需要。

4 　结论

　　高强度、高预拉力树脂锚杆主动支护 , 是深部巷道较好支护方式 ; 对条件复杂、围岩变形剧烈的工程 , 可采用壁后充填 U 型钢可缩性支架联合支护 , 或预应力锚索加强支护。实践表明 , 提高支护强度 , 能有效控制深部巷道围岩变形 , 取得良好的支护效果 , 技术经济效益显著。