B080309 深部复杂条件高应力水仓支护技术研究与实践

第一篇：B080309 深部复杂条件高应力水仓支护技术研究与实践

深部高应力复杂条件下水仓联合支护技术

黄 磊

【平顶山市瑞平煤电有限公司，河南平顶山467500】

摘 要平煤集团瑞平公司张村矿井底水仓埋深605m，在高应力作用和构造带的影响下，原混凝土砌碹支护不能满足要求，巷道建成后，维修十分困难。经过对围岩性质的研究，决定采用锚、网、喷+U25型钢可缩支架+混凝土碹联合作为永久支护的施工方案，实践表明，该方案达到了较好效果，为类似巷道的施工提供了成功经验。

关键词 水仓 高应力 锚、网、喷 可缩支架 砌碹 联合支护

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引 言

瑞平公司张村矿位于朝川矿区中南部，井田走向长度约4.5km，倾斜宽约2.7km，主要开采二1煤层、四3煤层、五2煤层、五3煤层，矿井正常涌水量1021m/h，最大涌水量1488m/h。

张村矿原矿井全部采用混凝土砌碹作为永久巷道支护方式。自2003年恢复建设后，经过论证，基本上取消了砌碹支护。早期采用直径43mm、长1800mm的管缝式锚杆，在控制破碎带时，用直径43mm、长2200～2500mm的管缝式锚杆。自2004年开始，采用直径20mm、长2000～2200mm的等强螺纹钢锚杆和玻璃钢锚杆。采用树脂锚固剂锚固。从开拓巷道到回采巷道、从岩巷到煤巷，凡是条件具备的巷道均采用锚、网、喷或锚、网、梁（带）支护。目前正在推广锚、网、梁（带）+锚索的联合支护。

井底主排泵房及水仓原设计支护方式采用素混凝土砌碹支护,浇筑壁厚250mm。在施工中，由于高地应力及构造带的影响，出现巷道底臌、片帮、冒顶等问题，经过研究，将支护形式改为锚、网、喷作为前期支护，采用U25型钢可缩支架与混凝土砌碹联合支护作为永久支护。该支护方法经过实践取得了成功，节约了投资并缩短了矿井建设周期。

331 问题及分析

张村矿内外主排泵房及水仓设计在四3煤层底板中，距四3煤层约30～60m，为-250m水平（埋深605m）。水仓长度1006m，容水量9296m3，水仓设计断面净高3000mm（其中拱高1700mm，墙高1300mm）；巷道净宽3400mm；掘进断面面积11.09m,净断面面积9m。

水仓围岩为灰色灰岩（厚层状、隐品质结构、裂隙发育）与灰黑色泥岩（泥质结构、厚层状、细腻致密）。在施工-250水平井底车场单轨巷和泵房时，揭露出一条逆断层，该断层走向不少于1100m，倾角40°落差0～25m，预计水仓要穿过该断层。

在水仓施工中，起先按照原设计进行混凝土砌碹施工，接近断层时，由于巷道围岩破碎，局部围岩为大紫泥岩，加上断层裂隙的影响，巷道压力显著增大，先期施工的30m巷道受其影响，短期内发生了底臌、片帮、冒顶等现象。实践证明原方案不能满足工程实际需要。支护方案优化

针对水仓工程实际，提出了五种可能实施的支护方案：（1）方案一，混凝土砌碹支护

该巷道围岩岩石坚固性系数f值为3～6，高应力、节理化、强膨胀斜穿断层构造带，需采用强力刚性支护，混凝土砌碹厚度需大于500mm，为增加整体性和均布应力，提高支护能力，需要在混凝土内部增加双层直径16钢筋龙骨。

（2）方案二，锚、喷、网支护

采用直径20mm、长2000mm的等强锚杆，间排距300×300（mm）；金属网用直径4mm的冷拔钢丝制成，网格为100×100（mm），规格为900×3300（mm）；喷射混凝土厚度大于150mm。由于水仓巷道处在高应力、强膨胀、复合型软岩中，锚、网、喷支护刚开始还能起到效果，但随着围岩应力增加，当围岩应力超过了锚杆抗拉拔力极限值时，造成支护结构失稳，出现底臌、片帮、裂隙、掉顶等问题，从而出现安全隐患，增大维修量，影响施工进度，支护成本也随之增加。

（3）方案三，U型钢可缩性支架支护

根据工程实际，可采用U25型钢支架，间距200mm。如单独使用，钢材易腐蚀，不能满足水仓使用功能，需与其它支护方式联合使用。

（4）方案四，锚、喷、网+混凝土砌碹联合支护

采用直径20mm、长2000mm的等强锚杆，间排距700×700（mm）；金属网用直径4mm的冷拔钢丝制成，网格为100×100（mm），规格为900×3300（mm）；喷射混凝土厚度大于80mm。锚、网、喷支护作为前期支护，混凝土砌碹作为永久支护，砌碹厚度为400mm。

（5）方案五，锚、网、喷+U型钢可缩性支架+浇筑混凝土联合支护

采用直径20mm、长2000mm的等强锚杆，间排距700×700（mm）；金属网用直径4mm的冷拔钢丝制成，网格为100×100（mm），规格为900×3300（mm）；喷射混凝土厚度大于50mm。永久支护采用U25型钢可缩性支架，间距700mm，再浇筑厚150mm的混凝土。

上述方案中，前三种都不能满足工程需要，在工程施工完一段时间后，巷道会产生较大变形，严重影响巷道的使用，有的甚至会产生大面积破坏，这将大大提高维修费用。第四种方案属于刚性支护，如果围岩压力较大时，混凝土厚度也将相应增加，经济性较差。当混凝土厚度小于250mm时，施工完20天后，混凝土开始出现裂缝，巷道发生变形、掉块现象，并局部产生破坏。

第五种方案是一种柔性支护，锚、网、喷支护，锚杆打入岩体中，喷射混凝土固结于岩体表面，组成一个整体，积极主动加固围岩，充分利用岩体固有强度，前期对围岩进行了封闭，这样就大大减少了岩体变形及破碎。由于岩体的高应力和强膨胀性，在锚、网、喷施工完后，围岩还会发生一定的变形，以释放压力。过了压力释放前期，再安设U25型钢可缩性支架，再次对岩体进行支护，这时如果岩体再次来压，由于U型钢的可缩性，还可产生一定变形，释放一定的压力。最后浇筑混凝土，将支护转化为刚性支护，这时可以较小的支撑力支承较大的围岩应力，支护能力达到最大，可有效保持巷道断面形状，满中使用要求。

根据以上方案比较，选择第五种方案作为水仓的支护形式，为减小前期巷道变形，提高前期支护强度，加大循环作业距离，提高施工速度，喷射混凝土厚度改为80mm，U25型钢支架采用3750mm宽定型支架，浇筑混凝土成巷后巷道净断面宽度保证在3600mm以上。前期支护方式如图1所示，U25型钢可缩支架支护方式如图2所示。

图1 水仓锚、网、喷支护断面示意图

图2 水仓U25钢可伸缩支架支护断面示意图 施工方法

水仓巷道采用二次支护，第一次支护采用锚、网、喷支护，掘进巷道成型后立即进行，锚杆采用直径20mm、长2000mm的等强锚杆，用2卷树脂锚固剂卷锚固，间排距为700×700（mm）；金属网为直径4mm的冷拔丝，网格100×100（mm），喷射混凝土厚度为50mm，混凝土中速凝剂掺量为3%。

第二次支护在第一次锚网喷支护完成5天后进行，架设三组合的U25型钢支架，棚距700mm，棚腿棚梁间用两道U25卡兰联接，梁腿搭接长度400mm，支架间用金属拉杆连接，柱窝深度为250mm。U型钢支架施工完20天后进行浇筑混凝土，厚度150mm，这时压力基本趋于稳定，巷道变形停止。支护效果

锚、网、喷支护完成后，观测结果表明，巷道最大变形110mm；在U25型钢可缩性支架支护完成后巷道变形最大40mm。对U25型钢可缩性支架复喷30天后观测，巷道变形最大10mm，且变形趋于稳定，满足支护要求。

水仓蓄水后，对水仓巷道进行了连续监测，未发现有变形和掉碴现象。监测结果表明，锚、网、喷+U25型钢可缩性支架+浇筑混凝土联合支护在水仓工程中的应用取得成功，此项研究也为软岩支护及深部高应力复杂条件下巷道支护技术提供了成功案例。

作者简介 黄 磊 男，工程师，1973年出生，1997年毕业于辽宁工程技术大学矿建专业，在读硕士研究生。现任平顶山市瑞平煤电有限公司张村矿生产科科长，从事煤矿安全技术生产工作，注册安全工程师。

（收稿日期：2008-06-04；责任编辑：王方荣）

第二篇：B090402 高应力松碎围岩巷道返修支护技术实践

高应力松碎围岩巷道返修支护技术实践

高 波 高占锋

[山东泰丰矿业集团有限公司，山东 新泰 271204]

摘 要 王家寨煤矿3403运输巷在上层煤柱的应力和工作面的采动影响下，出现了高应力和巷道大变形的问题。针对巷道的支护情况和变形特征，采取锚网索的支护方式，分段整修、灵活处理的施工措施，使复杂地质条件下的巷道返修取得了成功，技术和经济效益良好。

关键词 高应力 返修 巷道破坏

---------概 述

由于井田受莲花山大断层（落差大于2000m）和井田大断层的影响，井田内次生构造极其发育。矿井生产进入-510m水平后由于围岩压力大和受采动影响，大部分巷道破坏严重，直接影响到矿井的安全生产。

3402工作面回采过程中，将其轨道巷进行沿空留巷作为3403工作面的运输巷。由于受上层区段保护煤柱（距离巷道顶板27m）以及3402工作面采动的影响，3403运输巷顶、帮受压变形严重，巷道顶板出现裂缝、网兜和大面积沉降现象，导致巷道无法满足通风、行人和运输的需要，影响了矿井的安全生产。在接续紧张的情况下，3403运输巷的返修支护问题成为泰丰矿急需解决的技术难题。巷道的受力情况及返修支护设计

2.1 原巷道断面特征

3402轨道巷（3403运输巷）于2006年完成掘进，巷道为矩形断面，设计宽度为2.8m，高度为2.3m。巷道原始支护为锚杆支护，局部巷道变形处采取了架设钢棚的方式进行了加强支护。

2.2 巷道的围岩特征与受力情况

巷道顶板为复合顶板，主要以粉砂岩、中砂岩、细砂岩为主，夹多层煤线、页岩，裂隙发育，节理多。粉砂岩抗压强度为33.1～64.5MPa，中砂岩60～114.9MPa，平均79.6MPa，底板遇水膨胀现象明显。

将所分析巷道假设为一个六面体模型，如图1所示。

图1 三维数值分析模型图

利用ANASY划分网格建立模型，然后将模型导入FLAC中进行计算。根据半平面体在边界上受垂直集中应力公式，计算出上层煤柱对巷道的应力。通过积分得到半平面体在边界上受均布载荷时任意一点应力增量计算公式，具体公式如下：

qybyax(yb)x(ya) xarctanarctan222xxx(yb)x(ya)2 yarctanarctan2222xxx(yb)x(ya)qybyax(yb)x(ya)qx2x2 xy2x(yb)2x2(ya)2经计算巷道的压力在13MPa～21MPa，因而导致巷道锚盘撕裂、锚杆拉断不等。

2.3 巷道的变形破坏特征

巷道原支护采用直径18mm、长2000mm的树脂螺纹锚杆，间排距为800×800（mm）。锚杆出现拉断、锚盘撕裂、部分工字钢棚出现扭曲或挤弯的现象。巷道顶板出现台阶式下沉，两帮变形严重（如图2所示），局部出现200～600mm的冒空破碎区，且底臌现象比较严重，原巷道高度2.1m，变形后巷道高度不足1.0m（如图3所示）。在修复期间对巷道设点观测得到其顶底板的移近速度为11.3～13 mm/d，变形速率如图4所示。

图2 巷道两帮内挤照片

图3 巷道底臌照片

图4 顶底板变形速度曲线图 2.4 返修支护设计 2.4.1 返修支护原则

（1）护顶先护帮

巷道修复中，人们往往进入重顶轻帮的误区。为取得更好的支护效果，应该是顶帮同样重视。由于巷道使用时间长，巷道破坏严重，为确保施工安全，采取液压支柱托方木的方式先对顶板进行临时支护。在临时支护的掩护下，进行刷帮、安设帮锚杆。当帮部得到有效的维护后，顶部进入了隐形拱的部位，共同形成稳定的承载体，巷道支护才能有保障。

（2）分区支护，整体控制

对于返修支护，应当尽量减少围岩的扰动。按照“小进尺、多观察、小扰动、勤支护”原则施工。在施工过程中需要多观察，具体问题具体分析，不断总结施工经验。2.4.2 返修支护方案

根据不同地段巷道的破坏情况，采取不同的修复措施。基本修复方案为摘除顶板破碎围岩、刷帮、进行卧底，安设锚杆、安设锚索、挂网。

（1）锚杆

顶板使用直径22mm、长2200mm的螺纹钢锚杆，用2卷MSCK3040型超快凝树脂锚固剂卷加长锚固，锚杆间排距为600×700（mm）。锚杆外露长度不大于50mm，但不得少于两丝。

两帮使用直径18mm、长2000mm的螺纹钢锚杆，用2卷MSCK3040超快凝树脂锚固剂卷加长锚固，锚杆间排距为700×700（mm）。锚杆外露长度不大于50mm，但不得少于两丝。

（2）锚索

锚索为高强度、低松驰粘结式1×7钢绞线，长为9～10m，每根锚索用4卷树脂锚固剂（孔底2卷为MSCK2335型超快凝锚固剂，紧接2卷为MSZ2335型中凝锚固剂）加长锚固，锚索间距为2m，五花布置。锚索间距误差不大于300mm，外露长度不大于150mm。

（3）锚网

锚网采用网孔为70×70（mm）的菱形金属网，锚网用锚带压紧。锚带用直径8mm的钢筋焊接成梯子状，长度为3.0m。以顶、帮锚杆为交叉点，呈“井”字形使用。牢固整齐，贴紧顶帮，搭接严密，逢扣必联。支护效果

3403工作面回采已接近尾声，巷道修复使用已过半年，巷道顶、底板移近量在小于300mm，巷道变形速度控制在0.3mm/d以下，巷道变形得到了有效的控制。经济效益

此巷道支护效果良好，安全效益显著，同时取得了良好的经济效益。

第一作者简介 高波 男，1974年出生，毕业于山东科技大学，工学学士，现在山东泰丰矿业集团有限公司从事技术工作，采矿工程师。

（收稿日期：2009-09-05；责任编辑：陈桂娥）