复杂地质条件下巷道围岩主动控制技术

复杂地质条件下巷道围岩主动控制技术山东科技大学秦忠诚2010年8月一、支护研究背景二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索三、巷道支护系统设计方法四、部分矿井巷道支护案例五、部分专利与成果汇报提纲“复杂地质条件下巷道围岩变形与控制”是目前深井建设中遇到的普遍难题，针对复杂施工地质条件，探究经济合理的巷道支护技术，对矿井的安全高效生产具有重要的现实意义和工程应用价值。我国煤矿开采深度以8-12m/年的速度增加，东部矿井10-25m/年。1980年平均开采深度288m，1995年428.83m，2000年以后超过了500m。国有重点煤矿，开采深度达1000m深矿井有数十处，最大采深超过1300m。主要分布在新汶、淄博、开滦、北票、沈阳、徐州、淮南、徐州等矿区。到2009年底，新矿集团5个矿采深超过1000m，开滦、徐州、淮南等矿区平均采深大于800m。预计在未来20年我国很多煤矿将进入到1000-1500m的开采深度。一、支护研究背景一、支护研究背景高地应力：垂直应力明显增大；水平应力甚至超过静水压力；构造应力场复杂。高地温：地温梯度30-50°C/km。热应力问题明显，（0.4-0.5MPa）/△1°C高岩溶水压：高裂隙水压使岩石更易破坏且矿井突水严重。开采扰动：在高地应力下，叠加采动影响，巷道硐室破坏更加严重。岩体弱化：不同围压下岩石具有不同的特性，在高围压下脆性岩石转化为塑性。流变特性：高应力作用下，岩石具有较强的时间效应，呈现明显的流变或蠕变。扩容特性：在大偏应力下岩石内部节理、裂隙、裂纹张开，出现扩容膨胀。垮落冒顶增加：围岩应力高于围岩强度，围岩易失稳性，支护难度大。冲击地压：煤岩体应力加大，冲击地压发生的频率、强度和规模增加。矿压显现强烈：巷道变形量明显增大，采面矿压显现强烈。深井开采矿压特点一、支护研究背景巷道围岩变形的时间效应。围岩变形量大，有明显的时间性。初期来压快、变形显著，不采取有效支护措施，极易发生冒顶、片帮。即使围岩变形稳定后，围岩还以长期处于流变状态。巷道围岩变形的空间效应。巷道来压方向多表现为四周来压。不仅顶板、两帮发生显著变形和破坏，底板也出现强烈变形和破坏，如不对底板采取有效控制措施，则强烈底臌会加剧两帮和顶板的变形和破坏。巷道围岩变形的易受扰动性。围岩变形对应力的变化非常敏感，受震动、邻近巷道掘进或回采工作面采动影响后，围岩变形和破坏均有明显增加。围岩的稳定性与巷道断面形状、施工工艺等因素都有关系。巷道围岩变形的冲击性。在有冲击倾向的巷道中，围岩变形有时并不是连续的、逐渐变化的，而是突然剧烈增加，导致断面迅速缩小，具有强烈的冲击性。深井巷道变形特点一、支护研究背景新奥法支护理论煤炭行业结合自身特点，完善和发展了新奥法：采用光面爆破；早强喷射混凝土及时封闭巷道周边，实施密贴支护；采用锚喷支护，主动加固围岩，提高其自承能力，在围岩内形成承载圈；实施二次支护；对破碎围岩实施注浆加固；实施动态设计和动态施工等。联合支护理论对深部巷道，只提高支护刚度难以有效控制围岩变形，要先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定支护。但随着巷道条件变差，该理论受到挑战，有些巷道采用联合支护并不有效，多次维修，围岩变形一直不能稳定。二次支护理论对深部大变形巷道，应实施二次支护。一次支护在保证围岩稳定的条件下允许有一定变形，释放压力；在合适的时间进行二次支护，保持巷道的长期稳定。深部巷道支护理论一、支护研究背景锚杆锚喷支护：锚杆锚喷支护性能优越，比较适合深部巷道支护。但必须选择合理的支护形式与参数，才能取得较好效果。U型钢可缩性支架：U型钢具有较好的断面形状和几何参数，型钢搭接后易于收缩，支架设计合理，使用正确，能获得较好的力学性能。支架结构分不封闭和封闭。但U型钢支架毕竟是一种被动支护形式，而且支护费用高，施工比较困难。注浆加固：注浆将破碎岩体固结，改善围岩结构，提高围岩强度，增加自身承载能力。水泥─水玻璃、高分子材料。注浆加固适于破碎围岩，且与其它支护方法联合使用。联合支护：两种或两种以上支护方式联合支护。如能充分发挥每种支护方式性能，优势互补，有更好支护效果和更广的适用范围。锚喷+注浆，锚喷+U型钢支架，U型钢支架+注浆，锚喷+注浆+U型钢支架。适用范围广，但费用高，支护形式选择不匹配时，往往造成各个击破。卸压技术：将巷道布置在应力降低区，或采取人工卸压措施，使巷道周边的高应力向深部转移，是深部巷道围岩变形控制的另一个途径。在应力降低区布置巷道是首选方法，人工卸压法（切缝、钻孔、爆破、掘卸压巷等），由于种种原因，目前还没有推广，仅作为一种辅助方法局部采用。高强预应力锚杆、预应力锚索、让压锚杆、让压锚索支护已得到大面积应用,成为我国煤矿巷道首选的、主要的支护方式。深部巷道支护技术一、支护研究背景组合梁理论机理：将锚固范围内的岩层挤紧，增加各岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象，提高其自撑能力。将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层（组合梁）。在上覆岩层载荷的作用下，这种组合厚岩层内的最大弯曲应变和应力都将大大减小，组合梁的挠度亦减小。适用条件：层状复合顶板二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索qn层lbh迭组迭组迭迭fnfnnbhEqlfbhnM2342max11123845611、基本理论二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索薄壁梁向深厚梁的转换理论理论要点深厚梁－理论薄壁梁－理论锚杆、锚索预应力形成的深厚梁锚杆无预应力或被动棚式情况下的薄壁梁二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索压缩拱(承载拱)理论机理：在破裂区中安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱，这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载。在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大。二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索对扰动围岩进行强度再强化，控制松动圈的扩展。适用条件：拱形巷道1945～1950：机械式锚杆的研究与应用1950～1960：广泛采用机械式锚杆，开始对锚杆进行系统研究1960～1970：发明了树脂药卷，引发锚杆技术的一次革命1970～1980：发明管缝式、水力涨管式锚杆，研究新的锚杆设计方法，长锚索产生1980～1990：混合锚头锚杆、组合锚杆、桁架锚杆、各种特种锚杆得到应用，树脂锚固材料得到改进。美国作为世界上第二采煤大国，锚杆支护技术是最先进的，美国锚杆支护技术至今已有一百多年的发展历史，但锚杆支护技术的广泛应用，仅是近五、六十年的时间，现在美国矿井的锚杆支护率为100％。美国每年锚杆使用量在8000万套以上，每年有2.5万km的煤巷使用锚杆支护。锚杆支护技术发展二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索美国在复杂的地质条件下成功使用锚杆的经验是采用高预应力、高强度锚杆，对巷道顶板采取积极主动的支护，极大地提高了巷道围岩的自承载能力和巷道的稳定性，减少了锚杆数量、提高了巷道掘进速度、降低了巷道的支护成本。美国巷道支护理念：锚杆、锚索是支护结构的主体，为了充分实现锚杆主动支护的效果，通过提高锚杆预应力去主动加固受掘进破岩影响的松动围岩，以提高围岩的自身承载能力，控制松动圈的扩展。现矿井喷射的混凝土，由于受巷道初始成型的影响，混凝土喷层厚度很不均匀，现混凝土喷层主要作用是封闭围岩，防止围岩风化，保证围岩的长期强度。另外，澳大利亚作为第三大采煤国，也几乎全部采用锚网支护。国外发达国家锚网支护的特点：(1)单体锚杆强度大；(2)锚杆安装应力大；(3)间排距大；(4)锚网支护效率高，支护效果良好。锚杆支护技术发展二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索自50年代以来，锚杆支护技术在我国得到了逐步应用，特别是进入90年代，许多矿井改变传统的棚式和砌体支护的理念，开始试用推广锚网支护，大量的实践验证了锚网支护安全、高效、经济的优势。同时，在矿井软岩、动压巷道及煤巷中采用锚杆支护也获得了良好的效果。原煤炭工业部1995年提出：“煤巷锚杆支护是我国煤矿继综合机械化采煤之后的第二次支护技术革命”，并将“煤矿锚杆支护技术”列为煤炭工业“九五”重点科技攻关项目的五个项目之一，在攻关研究的基础上，在煤矿中大力推广煤巷锚杆支护技术。但是煤矿锚网支护作为一种主动支护方式，要达到理想的支护效果，在技术细节上尚未完全解决。如锚杆组件、锚杆结构、锚杆施工安装机具和锚杆与其它支护结构的耦合问题等。锚杆支护技术发展二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索⑴锚杆支护设计主要依靠现场经验，设计理论依据有待完善和补充；⑵各类巷道锚杆千篇一律；很多设计单位只是笼统选择了锚杆直径和长度。但是不同的锚杆结构和施工工艺会很大的效果差别。⑶没有考虑地应力大小、方向、比值的影响；⑷没有进行地质力学分析和巷道压力显现与锚杆支护参数的匹配关系分析与选择，所以提出的支护方案很难适应地质条件的变化，不能实现量体裁衣、对症下药。⑸单根锚杆强度低、预紧力低、可靠性低、间排距小(单体锚杆钻机推力小(小于0.5t)、扭距小(小于160Nm)，锚杆基本上没有预应力)；⑹锚杆消耗量大、施工速度慢、工效低、费用高、安全性较低。锚杆支护技术发展我国现有锚杆支护存在的不足二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索国内外锚杆支护技术对比比较项目中国美、澳、英锚杆材料强度（MPa）235、335、500450、500、600、700锚杆锚固力（t）5～1520锚杆直径（mm）16～2220～22锚杆间排距（m）0.7～0.91.0～1.2锚杆长度（m）1.6～2.42.2～2.6锚杆安装应力（t）0～44～8二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索锚杆和锚固区域围岩体形成统一的承载结构锚杆支护可以提高锚固体的力学性质提高残余强度值改变围岩的受力状态,提高承载能力减少破碎区、松动区范围控制松动圈扩展预应力锚杆、锚索支护是主动强化破碎围岩的主要方法；后注浆锚杆、锚索是被动强化围岩的一种方法。2、主动控制锚杆支护系统扰动围岩再强化支护理念二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索高地应力、软弱破碎围岩巷道平衡支护问题位移平衡支护法－新型预应力让压锚杆1）巷道开挖后地应力释放的不可抗拒性2）对地应力释放实施有控制让压应力平衡支护法－通过变换支护参数平衡巷道不同位置的地应力1）受构造应力或采动应力的影响，巷道周边应力分布不均一，所以不能用均一的支护参数去支护巷道围岩。2）巷道围岩强度的不均一性，应根据围岩的强度设计支护参数。龙固煤矿在建设期间的硐室和主要大断面巷道均采用了高强让压锚杆，取得了较好的效果。让压锚杆在新矿集团、枣矿集团、兖矿集团和潞安集团的动压高地应力巷道支护中被广泛应用。二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索位移平衡支护法－新型的预应力让压锚杆单起动防冲让压锚杆双起动点防冲让压锚杆二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索预应力让压锚杆工作特性曲线高强高预应力让压锚杆－让压前无让压管和有让压管工作特性曲线高强高预应力让压锚杆－让压后二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索应力平衡支护法－通过变换支护参数平衡巷道不同位置的地应力200760760760760200700沿空侧锚梁760700700700700700700700700140014001400锚杆锚索锚杆支护设计平面图说明：1、高强锚杆长度均为2400mm，直径为20mm；2、锚索长度为6m，直径为15.24mm；3、图中单位均为mm760760760锚杆锚索锚杆锚杆金属网700700700锚杆70076076020015°20°20°锚杆支护设计断面图说明：1、高强锚杆长度均为2400mm，直径为20mm；2、锚索长度为6m，直径为15.24mm；3、图中单位均为mm巷道中心线42003300200二、锚杆支护基本