復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道圍巖主動(dòng)控制技術(shù)

一、支護(hù)研究背景

二、錨桿支護(hù)基本理論與新型錨桿、錨索

三、巷道支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

四、部分礦井巷道支護(hù)案例

五、部分專利與成果

    “復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道圍巖變形與控制”是目前深井建設(shè)中遇到的普遍難題，針對(duì)復(fù)雜施工地質(zhì)條件，探究經(jīng)濟(jì)合理的巷道支護(hù)技術(shù)，對(duì)礦井的安全高效生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

我國(guó)煤礦開(kāi)采深度以8-12m/年的速度增加，東部礦井10-25m/年。

1980年平均開(kāi)采深度288m，1995年428.83m，2000年以后超過(guò)了500m。

國(guó)有重點(diǎn)煤礦，開(kāi)采深度達(dá)1000m深礦井有數(shù)十處，最大采深超過(guò)1300m。

主要分布在新汶、淄博、開(kāi)灤、北票、沈陽(yáng)、徐州、淮南、徐州等礦區(qū)。

到2009年底，新礦集團(tuán)5個(gè)礦采深超過(guò)1000m，開(kāi)灤、徐州、淮南等礦區(qū)平均采深大于800m。

預(yù)計(jì)在未來(lái)20年我國(guó)很多煤礦將進(jìn)入到1000-1500m的開(kāi)采深度。

高地應(yīng)力：  垂直應(yīng)力明顯增大；水平應(yīng)力甚至超過(guò)靜水壓力；構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜。

高 地 溫：  地溫梯度30-50°C/km。熱應(yīng)力問(wèn)題明顯，（0.4-0.5 MPa）/△ 1°C

高巖溶水壓：高裂隙水壓使巖石更易破壞且礦井突水嚴(yán)重。

開(kāi)采擾動(dòng)：  在高地應(yīng)力下，疊加采動(dòng)影響，巷道硐室破壞更加嚴(yán)重。

巖體弱化：  不同圍壓下巖石具有不同的特性，在高圍壓下脆性巖石轉(zhuǎn)化為塑性。

流變特性：  高應(yīng)力作用下，巖石具有較強(qiáng)的時(shí)間效應(yīng)，呈現(xiàn)明顯的流變或蠕變。

擴(kuò)容特性：  在大偏應(yīng)力下巖石內(nèi)部節(jié)理、裂隙、裂紋張開(kāi)，出現(xiàn)擴(kuò)容膨脹。

垮落冒頂增加：圍巖應(yīng)力高于圍巖強(qiáng)度，圍巖易失穩(wěn)性，支護(hù)難度大。

沖擊地壓：  煤巖體應(yīng)力加大，沖擊地壓發(fā)生的頻率、強(qiáng)度和規(guī)模增加。

礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈：巷道變形量明顯增大，采面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。

 巷道圍巖變形的時(shí)間效應(yīng)。圍巖變形量大，有明顯的時(shí)間性。初期來(lái)壓快、變形顯著，不采取有效支護(hù)措施，極易發(fā)生冒頂、片幫。即使圍巖變形穩(wěn)定后，圍巖還以長(zhǎng)期處于流變狀態(tài)。

 巷道圍巖變形的空間效應(yīng)。巷道來(lái)壓方向多表現(xiàn)為四周來(lái)壓。不僅頂板、兩幫發(fā)生顯著變形和破壞，底板也出現(xiàn)強(qiáng)烈變形和破壞，如不對(duì)底板采取有效控制措施，則強(qiáng)烈底臌會(huì)加劇兩幫和頂板的變形和破壞。

巷道圍巖變形的易受擾動(dòng)性。圍巖變形對(duì)應(yīng)力的變化非常敏感，受震動(dòng)、鄰近巷道掘進(jìn)或回采工作面采動(dòng)影響后，圍巖變形和破壞均有明顯增加。圍巖的穩(wěn)定性與巷道斷面形狀、施工工藝等因素都有關(guān)系。

巷道圍巖變形的沖擊性。在有沖擊傾向的巷道中，圍巖變形有時(shí)并不是連續(xù)的、逐漸變化的，而是突然劇烈增加，導(dǎo)致斷面迅速縮小，具有強(qiáng)烈的沖擊性。

新奧法支護(hù)理論

   煤炭行業(yè)結(jié)合自身特點(diǎn)，完善和發(fā)展了新奧法：采用光面爆破；早強(qiáng)噴射混凝土及時(shí)封閉巷道周邊，實(shí)施密貼支護(hù)；采用錨噴支護(hù)，主動(dòng)加固圍巖，提高其自承能力，在圍巖內(nèi)形成承載圈；實(shí)施二次支護(hù)；對(duì)破碎圍巖實(shí)施注漿加固；實(shí)施動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)施工等。

聯(lián)合支護(hù)理論

    對(duì)深部巷道，只提高支護(hù)剛度難以有效控制圍巖變形，要先柔后剛，先讓后抗，柔讓適度，穩(wěn)定支護(hù)。但隨著巷道條件變差，該理論受到挑戰(zhàn)，有些巷道采用聯(lián)合支護(hù)并不有效，多次維修，圍巖變形一直不能穩(wěn)定。

二次支護(hù)理論

  對(duì)深部大變形巷道，應(yīng)實(shí)施二次支護(hù)。一次支護(hù)在保證圍巖穩(wěn)定的條件下允許有一定變形，釋放壓力；在合適的時(shí)間進(jìn)行二次支護(hù)，保持巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

錨桿錨噴支護(hù)：錨桿錨噴支護(hù)性能優(yōu)越，比較適合深部巷道支護(hù)。但必須選擇合理的支護(hù)形式與參數(shù)，才能取得較好效果。

U型鋼可縮性支架：U型鋼具有較好的斷面形狀和幾何參數(shù)，型鋼搭接后易于收縮，支架設(shè)計(jì)合理，使用正確，能獲得較好的力學(xué)性能。支架結(jié)構(gòu)分不封閉和封閉。但U型鋼支架畢竟是一種被動(dòng)支護(hù)形式，而且支護(hù)費(fèi)用高，施工比較困難。

注漿加固：注漿將破碎巖體固結(jié)，改善圍巖結(jié)構(gòu)，提高圍巖強(qiáng)度，增加自身承載能力。水泥─水玻璃、高分子材料。注漿加固適于破碎圍巖，且與其它支護(hù)方法聯(lián)合使用。

聯(lián)合支護(hù)：兩種或兩種以上支護(hù)方式聯(lián)合支護(hù)。如能充分發(fā)揮每種支護(hù)方式性能，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，有更好支護(hù)效果和更廣的適用范圍。錨噴+注漿，錨噴+U型鋼支架，U型鋼支架+注漿，錨噴+注漿+U型鋼支架。適用范圍廣，但費(fèi)用高，支護(hù)形式選擇不匹配時(shí)，往往造成各個(gè)擊破。

卸壓技術(shù)：將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)，或采取人工卸壓措施，使巷道周邊的高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，是深部巷道圍巖變形控制的另一個(gè)途徑。

    在應(yīng)力降低區(qū)布置巷道是首選方法，人工卸壓法（切縫、鉆孔、爆破、掘卸壓巷等），由于種種原因，目前還沒(méi)有推廣，僅作為一種輔助方法局部采用。

    高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索、讓壓錨桿、讓壓錨索支護(hù)已得到大面積應(yīng)用,成為我國(guó)煤礦巷道首選的、主要的支護(hù)方式。

組合梁理論

機(jī)理：將錨固范圍內(nèi)的巖層擠緊，增加各巖層間的摩擦力，防止巖石沿層面滑動(dòng)，避免各巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象，提高其自撐能力。

將巷道頂板錨固范圍內(nèi)的幾個(gè)薄巖層鎖緊成一個(gè)較厚的巖層（組合梁）。在上覆巖層載荷的作用下，這種組合厚巖層內(nèi)的最大彎曲應(yīng)變和應(yīng)力都將大大減小，組合梁的撓度亦減小。

適用條件：層狀復(fù)合頂板

薄壁梁向深厚梁的轉(zhuǎn)換理論

理論要點(diǎn)

深厚梁－理論

薄壁梁－理論

壓縮拱(承載拱)理論 

機(jī)理：在破裂區(qū)中安裝預(yù)應(yīng)力錨桿時(shí)，在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應(yīng)力，如果沿巷道周邊布置錨桿群，只要錨桿間距足夠小，各個(gè)錨桿形成的壓應(yīng)力圓錐體將相互交錯(cuò)，就能在巖體中形成一個(gè)均勻的壓縮帶，即承壓拱，這個(gè)承壓拱可以承受其上部破碎巖石施加的徑向荷載。在承壓拱內(nèi)的巖石徑向及切向均受壓，處于三向應(yīng)力狀態(tài)，其圍巖強(qiáng)度得到提高，支撐能力也相應(yīng)加大。

錨桿和錨固區(qū)域圍巖體形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)

錨桿支護(hù)可以提高錨固體的力學(xué)性質(zhì)

提高殘余強(qiáng)度值

改變圍巖的受力狀態(tài),提高承載能力

減少破碎區(qū)、松動(dòng)區(qū)范圍

控制松動(dòng)圈擴(kuò)展

     預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索支護(hù)是主動(dòng)強(qiáng)化破碎圍巖的主要方法；

     后注漿錨桿、錨索是被動(dòng)強(qiáng)化圍巖的一種方法。

高地應(yīng)力、軟弱破碎圍巖巷道平衡支護(hù)問(wèn)題

位移平衡支護(hù)法－新型預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿

   1）巷道開(kāi)挖后地應(yīng)力釋放的不可抗拒性

   2）對(duì)地應(yīng)力釋放實(shí)施有控制讓壓

應(yīng)力平衡支護(hù)法－通過(guò)變換支護(hù)參數(shù)平衡巷道不同位置的地應(yīng)力

   1）受構(gòu)造應(yīng)力或采動(dòng)應(yīng)力的影響，巷道周邊應(yīng)力分布不均一，所以不能用均一的支護(hù)參數(shù)去支護(hù)巷道圍巖。

   2）巷道圍巖強(qiáng)度的不均一性，應(yīng)根據(jù)圍巖的強(qiáng)度設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)。

       龍固煤礦在建設(shè)期間的硐室和主要大斷面巷道均采用了高強(qiáng)讓壓錨桿，取得了較好的效果。讓壓錨桿在新礦集團(tuán)、棗礦集團(tuán)、兗礦集團(tuán)和潞安集團(tuán)的動(dòng)壓高地應(yīng)力巷道支護(hù)中被廣泛應(yīng)用。

位移平衡支護(hù)法－新型的預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿

預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿工作特性曲線

應(yīng)力平衡支護(hù)法－通過(guò)變換支護(hù)參數(shù)平衡巷道不同位置的地應(yīng)力

預(yù)應(yīng)力錨桿與圍巖主動(dòng)控制支護(hù)效果—計(jì)算機(jī)模擬

預(yù)應(yīng)力錨桿與圍巖主動(dòng)控制支護(hù)效果—計(jì)算機(jī)模擬

新礦集團(tuán)集團(tuán)1200m采深巷道支護(hù)效果對(duì)比

滕東生建煤礦：主井井筒深度921m，副井井筒深度949m，主副井井壁均采用素混凝土。井筒施工至700m左右時(shí)，滕東煤礦與山東科技大學(xué)合作，采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索主動(dòng)預(yù)加固井壁圍巖，在井底硐室群施工過(guò)程也同樣采用了高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿＋錨索＋金屬網(wǎng)＋鋼帶(鋼筋梯)＋噴射混凝土等復(fù)合支護(hù)技術(shù)，取得了顯著的支護(hù)效果，所有硐室和巷道達(dá)到了預(yù)期的支護(hù)效果，巷道維修率不到2％。

唐口煤礦：是全國(guó)唯一一個(gè)主井、付井、風(fēng)井均超1000m的新建礦井，是當(dāng)時(shí)濟(jì)西礦區(qū)最早建設(shè)的新井，設(shè)計(jì)年產(chǎn)300萬(wàn)噸。在礦井建設(shè)時(shí)期采用了設(shè)計(jì)院的原有設(shè)計(jì)，但是硐室施工完畢后，很短時(shí)間內(nèi)多處發(fā)生了較大的變形。針對(duì)這種情況采用了錨索、加長(zhǎng)高強(qiáng)錨桿和注漿錨桿等綜合二次加固措施，取得了較好的加固效果，最終獲得了國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。但是該成果是巷道二次加固維修取得的，并沒(méi)有硐室開(kāi)始施工時(shí)采用加強(qiáng)支護(hù)的預(yù)案，造成工期延長(zhǎng)。

霄云煤礦：霄云煤礦是由濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)投資興建的中型現(xiàn)代化礦井，礦井由濟(jì)南煤炭設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，采用立井開(kāi)拓，設(shè)主、副兩個(gè)井筒，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.9Mt/a。主井深度840m，付井深度860m，表土段423m，凍結(jié)深度472m。

        從主、付井檢查孔得知，部分井下硐室和巷道要揭露一層2米左右的膨脹性泥巖。因此該礦與山東科技大學(xué)合作進(jìn)行了軟巖深井巷道支護(hù)研究，由于通過(guò)加強(qiáng)支護(hù)預(yù)案，礦井建設(shè)順利，現(xiàn)在礦井所有硐室和巷道全部順利施工完畢。

楊營(yíng)煤礦：肥礦集團(tuán)投資興建，井田位于梁山縣楊營(yíng)鎮(zhèn)。濟(jì)南煤炭設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，采用立井開(kāi)拓，設(shè)主、副兩個(gè)井筒，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.9Mt/a，礦井服務(wù)年限為42.0年。主井深度681m，付井深度668m。井筒采用凍結(jié)法施工，主、副井凍結(jié)深度定為540m、588m。

自09年6月井筒施工剛過(guò)凍結(jié)段，楊營(yíng)煤礦即提前與山東科技大學(xué)開(kāi)展合作，針對(duì)井底車場(chǎng)所處層位巖性軟弱破碎、地壓大等特點(diǎn)，對(duì)即將開(kāi)始施工的井下硐室群及車場(chǎng)巷道(馬頭門、主付井貫通巷、井底煤倉(cāng)、箕斗裝載硐室、皮帶機(jī)頭硐室、泵房、變電所等硐室)進(jìn)行研究，在設(shè)計(jì)院提供的施工設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，根據(jù)具體地質(zhì)條件，進(jìn)行了巷道支護(hù)優(yōu)化。

目前兩條井筒已經(jīng)到底并貫通，現(xiàn)正在順利施工井底車場(chǎng)相關(guān)巷道及硐室，“基于圍巖應(yīng)變分析與主動(dòng)控制的高預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合支護(hù)技術(shù)體系”在楊營(yíng)煤礦井底車場(chǎng)支護(hù)中已得到了應(yīng)用。

其它如：郭屯、趙樓、陳蠻莊等礦井在礦井建設(shè)期間也都進(jìn)行了系列的支護(hù)研究，采取適合該地質(zhì)條件下的加強(qiáng)支護(hù)措施，保證了礦井順利建設(shè)。