B锚网喷+锚索耦合支护技术在深部软岩巷道中的应用

锚、网、喷+锚索耦合支护技术在深部软岩巷道中的应用孟庆江【鹤岗矿业集团，黑龙江鹤岗154100】摘要深部软岩巷道围岩岩体具有复杂的力学变形机制，传统支护方法已不能满足深部巷道的支护要求，充分考虑巷道所处岩体的自重力和工程偏应力的力学变形机制，利用耦合支护技术是实现深部软岩巷道支护的有效方法。关键词深部软岩锚、网、喷+锚索耦合支护关键部位----------------------------------------------------------------------1前言鹤岗矿区发育的煤系地层以白恶系石头河子组为主，其中的中部含煤段是现生产矿井的主要地层，其岩性由灰白色的粗、中、细、粉砂岩及凝灰岩、泥质岩组成。含有36个可采和局部可采煤层，由下而上岩性分布为：北部以砂岩和砾岩为主，南部以砾岩和砂页岩为主，中间一层凝灰岩在中部（大陆、南山）较厚，为15～20m，向南到峻德，向北到兴山一、二井，厚度为3～5m。中部以厚层砂岩为主，其次为砂页岩和煤层及黑色矿物和煤屑。其横向特征是：南山以北到岭北、兴山一、二井，向南到峻德。随着鹤岗矿区矿井开采深度不断增加，井巷岩体压力加大，受力环境更趋复杂。传统的支护理论和支护方式已不能满足要求。根据本地区的地理环境，寻找一种能满足埋深大于400m岩体巷道的支护方式，是目前亟待解决的问题。本文就兴安煤矿的深部软岩巷道支护问题，从理论到实践进行了探讨。2支护原理与方法鹤岗矿区埋深400m以下的地层内大部分为软岩，根据产生塑性变形机理不同，可分为膨胀性软岩（低强度软岩）、高应力软岩、节理化软岩和复合型软岩。复合型软岩具有膨胀性软岩、高应力软岩和节理性软岩的共同特性。软岩巷道工程变形、破坏和失稳的原因是多方面的，但其根本原因是其具有复杂的变形力学机制，巷道变形力源主要是自重力和工程偏应力，尤其是深部开采巷道。根据现场工程地质调查，鹤岗矿区普遍进入深部开采，巷道围岩层的变形力学机制类型多为复合型变形力学机制，围岩破坏具有“综合证”和“并发征”的特征。采用传统的支护方式短时间内巷道失稳，出现顶板脱落、两帮挤出、底板鼓起，严重者塌方、冒死，给安全生产带来极大的影响和经济损失，这就要求要对软岩工程稳定性实行有效控制，必须从“复合型”向“单一型”进行转化。按照巷道所处地理位置和岩体性质，找出其受力和地质构造应力的变化规律，根据不同变形力学机制，采用耦合技术，力求让巷道围岩体有控制地产生一个合理厚度的塑性圈，最大限度地释放围岩变形能。首先，耦合围岩结构。在保证巷道使用的前提下，选择合理的断面形状及巷道位置，优化巷道围岩结构，充分发挥围岩自身强度。第二，耦合支护系统。根据巷道围岩强度条件，确定合理的支护材料，使支护体与围岩在强度、刚度上实现耦合，充分发挥围岩自身强度。同时，正确确定巷道的关键部位进行加强支护，使支护体在结构上实现耦合，从而使支护体与围岩构成的支护系统形成统一体，才能充分提高整个支护系统的稳定性。第三，耦合转化技术。由于软岩“综合征”和“并发征”的内在变形力学机制不同，其耦合转化的对策有所不同，对应的转化技术也不同。软岩巷道成功支护的技术关键是如何通过各种耦合支护技术有效地把“复合型”转化为“单一型”。3工程实践本文以兴安矿四水平中央石门为例，介绍了锚、网+锚索耦合支护技术在深部软岩巷道中成功应用的案例。3.1工程概况兴安矿已进入深部四水平开采，四水平标高-502m，该水平岩层基本形态为走向近南北，倾向南东的单斜构造。由于后期多次受构造运动的影响，大中型断层，尤其是中小型断层异常发育。自1999年进入四水平施工至2004年末，多处巷道变形剧烈，破坏严重。2005年5月，四水平延深工程中的链锁工程开工，工程量679.3m，断面17.5m2。开门进入曲线就遇见30#厚煤层,走向220°，倾角5～12°。煤层产状受附近断层影响变化大。根据地质资料，该煤层将延巷道100多m，且有断层及派生构造，层、节理极发育，破碎，局部岩性为粉细砂岩，含凝灰质，伴随薄煤层，易风化，吸水膨胀。针对中央石门围岩状况，确定其围岩属于蒙脱石型、微隙型、重力型、节理型的复合型。力源方向近南东。3.2支护参数中央石门巷道断面设计为拱形，断面面积17.5m2。巷道采用锚、网、喷支护，在最佳支护时间对关键部位进行锚索加强支护。关键部位和最佳支护时间判断原则为：巷道支护后，产生鳞片状剥落、片状支护体剥落等高能力腐蚀现象出现时。巷道支护如下图所示。中央石门锚、网、喷+锚索耦合支护巷道示意图锚杆采用直径16mm、长2000mm（两肩处长2700mm）的左旋无纵筋等强螺纹钢锚杆，其间排距为1000×1000（mm），锚杆采取三花布置，用2卷K2335型树脂锚固剂加长锚固。锚杆托盘为钢板压制而成的碟形托盘，规格为150×150×10（mm）。锚杆均使用配套标准螺母紧固，螺母扭矩150～200N•m。锚杆预紧力不小于80kN，锚固力为120kN。钢筋网采用Φ6mm钢筋焊接而成，长2000mm、宽1000mm，网格尺寸50×50（mm），搭接长度100～200mm。巷道初喷混凝土厚度80mm，锚索支护后复喷70mm，总厚度150mm。锚索采用直径15.24mm、长7.3m的锚索钢绞线，每排2根，间排距为2000×2500（mm）。用4卷CK2350型树脂锚固剂端头锚固。锚索托梁用U25型钢制作，长500mm。锚索紧跟迎头安装时，预紧力为100kN；滞后迎头安装时，预紧力为120kN。锚索最低破断荷载为260.7kN。3.3支护效果软岩巷道实现耦合支护的特征是，实施支护后关键部位不再产生或极少产生。中央石门利用锚、网、喷加锚索耦合支护技术，成功地通过了累计达100多米厚的煤层、断层及其派生构造。迄今为止，经观察站观测，有两处最大60mm变化量，其余状态完好。3.4技术及经济效果分析巷道自2004年5月开工，至12月竣工。平均月进尺68m，比以往同类巷道节约工期6个月。巷道支护取消了金属拱形支架，降低劳动强度。在未考虑巷道支护形式造成的维修费的情况下，已节约材料费约50万元。软岩巷道耦合支护技术还有待改进和完善，尤其是二次支护耦合时间的准确确定。二次支护耦合时间因巷道差异而不同，是否经得起长期的考验还有待于观测。4结语①深部巷道围岩受力状态，除考虑岩体自重力以外，还必须考虑岩体构造应力和偏应力，掌握力学变形机制，才能合理确定巷道位置、方向、结构及支护形式。②深部软岩巷道支护，必须通过耦合技术使岩体变形应力释放到最小，岩体自承力和支护系统合力达到最大。③通过实践，利用耦合支护技术是目前解决鹤岗矿区深部软岩巷道支护一种切实可行的办法，对国内深部软岩巷道的支护有参考作用。作者简介：孟庆江男，1968年出生，1992年毕业于中国矿业大学采矿工程专业。现任鹤岗矿业集团公司开拓技术处主任工程师，工程师。（收稿日期：2008年1月14日；责任编辑：黄翔）