B090402 高应力松碎围岩巷道返修支护技术实践

第一篇：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）

第二篇：B090406 让压支护技术在大采深、高地应力巷道的应用

让压支护技术在大采深、高地应力巷道的应用

李伟民1 李德元1 高维宇1 许凤国2

[1-阜新矿业集团公司清河门煤矿,辽宁 阜新 123006；2-阜新矿业集团公司，辽宁 阜新 123000]

摘 要 针对矿井大断面、大采深、高地应力、服务年限长的巷道掘进支护现状及围岩特点，提出采用高强让压锚杆、金属网、W型钢带+锚索联合支护技术控制大断面、大采深、高地应力巷道围岩持续变形的方法，并在我矿巷道掘进实际施工中进行支护实践应用，取得较好效果。

关键词 大采深 高地应力巷道 高强让压锚杆 联合支护

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前 言

阜新矿业（集团）公司清河门煤矿是一座开采40多年的老矿井，现在矿井的生产格局是“两区两面”，由于矿井的多年开采，现已开采三水平-800m高左右。343采区是清河门煤矿的现生产采区，开采三水平四煤组的煤炭，开采深度在-520～-820m之间，本组内多煤层可采，层间距较薄。在这种大采深、高地应力的情况下进行大断面掘进施工，巷道的支护极其困难。343采区北翼集中材料道是运输、行人兼通风的主要巷道，设计全长920m，施工标

2高在-789m左右，巷道净断面14.4m，服务年限为5年。巷道原采用锚、网、梯+锚索联合支护，掘进施工一段时间后，巷道变形严重，巷道的维护与翻修工程量较大，整个巷道范围内锚杆、锚索受力比较明显，部分锚杆的螺母崩脱，金属网形成许多网兜，容易造成冒顶事故。鉴于此种现状，为了提高巷道的掘进速度，降低支护成本，保证生产使用的安全，进行了高强让压锚杆支护技术实验。存在的问题

煤矿锚杆支护技术已经得到了广泛的应用，但目前的锚杆、锚索种类单一，难以适应不同地质采矿条件变化的需要。随着煤矿开采深度的不断加大，巷道围岩变形量大，自稳能力差，巷道变形现象会越来越严重，这对锚杆、锚索支护设计的要求也越来越严格，巷道支护问题在煤矿的安全生产中就显得更加突出。合理的支护形式及参数设计既能有效控制围岩的变形，又可以降低支护成本。巷道地质条件各不相同，同样的材料支护效果也各不一样。在深部开采掘进过程中，要面临很多影响巷道支护的问题，如：随着采深的增加，压力增大多少、巷道变形范围如何及变形量多少、巷道周边的主应力方向如何、应力随采深增大的梯度是多少，这些问题直接影响煤矿的综合效益及安全生产。也有的矿井仍沿用浅部的支护方法和管理经验，从而造成支护失效，常出现大量的折梁断腿、锚杆失效、反复维修、冒顶塌方等现象，耗费了大量的人力、物力、财力，仍不能保证安全生产。

造成这些不安全因素的原因主要是对大采深、高地应力的巷道支护没有采取有针对性的支护方式和手段，难以提出合理有效的深部地压控制措施和配套的巷道支护方法。因此，深部开采首先应解决的是巷道施工中的“安全、高效、经济、快速”支护问题。支护原则

要解决上述支护现状存在的问题，就要有一个相对于大断面、大采深、高地应力巷道支护的支护原则。采用预应力高强让压锚杆提高支护结构共同承载载荷是一个很好的解决方法。在支护与围岩的相互关系上，高强让压锚杆支护有3个突出特点：

① 符合围岩与支护结构共同承载的基本支护思想；

② 及时主动支护，即在岩体开掘早期进行让压锚杆安装，安装后即对围岩提供显著的轴向和横向的支护阻力，避免岩体松动和塑性松动圈的增大；

③ 属于柔性支护，选择合理的支护刚度，使支护完成后，仍能与岩体一起产生少量的位移，释放部分能量，既保持岩体受力平衡，又保持支护结构不失稳。

新型高强让压锚杆是在此基础上采用了一种合理有效的让压方式，在锚杆承受载荷接近过载时象安全阀一样起到让压作用，从而保护锚杆杆体不被破坏。采用高强度预应力让压锚杆可以加大锚杆的间排距，减少锚杆的用量，提高掘进速度，降低掘进成本，同时可以保证良好的支护性能。

343区北翼集中材料道属于大断面、大采深、高地应力易变形巷道，并且使用年限较长。对于这种类型的巷道，锚杆支护系统设计必须满足: ① 合理的锚杆安装应力。锚杆的安装应力是控制围岩早期变形的重要参数，安装应力过小会使围岩发生过大的早期变形，松散破碎圈增大，引起顶板破碎，锚杆受力增加。一个合理的锚杆安装应力如同液压支架的初撑力一样重要。

② 高支护强度。在大采深、高地应力、中厚煤层大断面掘进的条件下，支护强度必须提高。

③ 锚杆须具有让压性能。为了防止锚杆承受过度载荷而破断，锚杆必须有一定的变形让压性能。然而，这种变形让压必须是有“控制”的让压，通过有效“控制”的让压使巷道内的联合支护系统成为一个整体，从而改变整体支护效果。合理的让压性能应该做到锚杆在一定吨位上稳定让压，以保证巷道支护效果，防止锚杆杆体发生突然破断。

④ 提高辅助支护系统强度。一个完整的支护系统包括高强让压锚杆、金属网、W型钢带+锚索进行联合支护，使煤层顶板形成一个整体的层状组合梁，来达到提高整体支护强度的效果。

深部巷道基本支护原则与理念就是要形成高安装载荷、高整体支护强度、锚杆变形可靠让压的最佳层状组合梁。巷道支护实践

3.1 高强度让压锚杆支护系统设计

煤矿顶板是由不同层状岩体组合成的层状组合梁，为了使组合梁达到其最佳强度，应该设计合适的锚杆长度及锚杆系统的安装应力。达到最佳组合梁的锚杆系统设计应满足下列条件：

① 通过调整安装应力，使锚杆支护系统应能够控制锚固范围内的顶板离层，这需要选择合理的锚杆类型和安装应力；

② 锚固系统应能够减少或消除顶板的拉应力区； ③ 锚杆应能够锚固在稳定的岩层中；

④ 锚固系统应有足够的能力来控制顶板，并且在整个需要支护期间内不失效。根据支护理论和支护经验，经过数值分析，确定如下支护方案：（1）锚杆支护参数

采用高强预应力可变形让压均压高强度螺纹钢锚杆支护，锚杆屈服强度为500MPa。顶板锚杆直径20mm、长2400mm，间排距为1000×800（mm），用2卷CK2350型树脂锚固剂卷锚固；两帮锚杆直径18mm、长2000mm，间排距为900×800（mm），两帮用2卷Z2350型树脂锚固剂卷锚固。

（2）锚杆预应力 根据有限元分析，提高安装应力可以减小或消除顶板中的拉应力区，可以消除顶板岩层的离层，从而取得最佳层状组合梁的效果，顶板锚杆安装应力最小为40kN，两帮锚杆的安装应力不小于30kN，根据不同情况调整预应力。

（3）辅助支护系统

辅助支护系统包括鸟巢锚索、W型钢带和金属网。根据地质条件变化、煤层采动影响及围岩松动圈的影响范围等因素，选用直径17.8mm、长8300mm的鸟巢锚索，用2卷CK2350型树脂锚固剂卷锚固，托盘为200×200×10（mm）的球形锚索托盘；W型钢带使用型号为BHW270-2.75，长度为4300mm，通过W形状及高强材料来提高钢带的钢性，通过锚杆联结成为一个整体；菱形金属网可有效防止漏矸、漏顶，而且其自身强度还可以控制两帮变形，并可以与让压锚索、让压锚杆、W型钢带形成一个整体，使支护系统形成整体。3.2 巷道支护施工方案

按照作业规程规定先进行敲帮问顶、打炮孔眼、爆破。爆破完毕，立即安设顶板锚杆；帮锚杆滞后工作面不大于5m，顶、帮破碎时，帮锚杆跟至工作面。要保证锚杆达到设计的预紧力和锚固力的要求，锚杆安设角度需符合设计要求。巷道支护如图1所示。

图1 巷道支护断面图 支护效果

清河门煤矿343采区北翼集中材料道采用高强让压均压锚杆支护，通过监控巷道所受掘进和采煤工作面的地压影响，掌握围岩的变形规律，以确定巷道的支护效果，以便及时采取措施保证矿井安全生产。矿压监测的主要内容包括：巷道煤岩体表面位移监测、顶板离层监测、锚杆受力状态监测、锚杆安装应力监测与锚固力监测。高强让压锚杆支护方式与原有支护方式效果相比，巷道的变形量大大减小，整个巷道范围内受力均匀，没有出现网兜现象。采用高强让压锚杆、金属网、W型钢带+锚索进行联合支护，减少巷道的维护与翻修工程量，提高巷道的掘进速度，降低支护成本。结 论

① 高强让压锚杆、金属网、W型钢带+锚索联合支护的支护质量和支护强度均达到了预期的设计要求。在施工过程中及现在的使用时间内，巷道变形量明显减小，支护效果明显。

② 采用高强让压锚杆+鸟巢锚索+W型钢带+金属网联合支护的支护成本每米巷道比原支护方式节约128.89元，同时减少了维修、翻修的人力、物力、财力。

③ 高强让压锚杆、金属网、W型钢带+锚索联合支护可以有效控制围岩变形，在经济合理的条件下提高支护强度、支护表面质量和支护效果，提高了掘进速度，保证了生产安全。

④ 高强让压锚杆、金属网、W型钢带+锚索联合支护技术不但可以减少支护施工量、降低支护成本，而且可以防止原支护方式导致的稳定巷道“二次变形”现象，具有较高的推广价值。

第一作者简介 李伟民 男，1970年出生，1993年7月毕业于阜新矿业学院采矿专业，工学学士。现任阜新矿业（集团）公司清河门煤矿矿长，高级工程师。

（收稿日期：06-30；责任编辑：黄 翔）

第三篇：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）