第２Ｏ卷第２期（总第１２３期） ２０１５年４月 煤矿 开 采 Ｖｏ１．２０Ｎｏ．２（Ｓｅｒｉｅｓ Ｎｏ．１２３） Ａｐｒｉｌ ２０１５ Ｃ０ＡＬ ＭＩＮＩＮＧ ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ 深井高地压软岩巷道围岩压力转移支护技术研究 杨永刚 ，张海燕 （１．安徽省煤炭科学研究院采矿支护技术中心，安徽合肥２３０００１；２．解放军电子工程学院基础部，安徽合肥２３００３７） ［摘 要］ 潘三矿…７３０ ９６０ｍ暗副斜井埋深大，巷道围岩破碎软弱，巷道前掘后修现象突 出，严重制约了矿井安全生产。在理论分析、数值计算的基础上提出了围岩压力转移支护技术“三原 则”，并研制了锚索组合支护构件——箱型梁。现场应用表明，锚索箱型梁大幅提高了锚索组合梁的 强度和刚度，较好地解决了目前各类槽钢梁及Ｂ钢带等存在的强度、刚度过低的问题，围岩压力转 移支护技术能较好地控制深井高地压软岩巷道的围岩变形，在类似条件下具有良好的应用价值。 ［关键词］ 深井；软岩巷道；围岩压力；箱型梁；转移 ［中图分类号］ＴＤ３５３ ［文献标识码］Ｂ ［文章编号］１００６—６２２５（２０１５）０２—００５６—０４ Ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ Ｒｏｃｋ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｏｆｔ．ｒｏｃｋ Ｒ０ａｄｗａｙ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｇｅｏ．ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ Ｄｅｅｐ Ｍｉｎｅ 近年来随着矿井开采深度的增加，遇到了越来 越多复杂地质环境下的地下岩石工程，因而对此类 工程的研究对于矿井的可持续发展具有重要的意 未达到其额定支护力的情况下就会发生屈服或变形 破坏，使得锚索支护性能无法有效利用，巷道围岩 压力无法有效转移，巷道围岩变形破坏不能有效控 制。因此，研究采用何种支护手段有效收集巷道围 义。高地应力环境及强烈的时间效应导致深部岩体 组织结构、基本行为特征和工程响应均发生根本性 改变，使巷道矿压显现明显¨ ，采用常规支护设 计的深部高应力巷道的稳定性越来越难以控制，巷 道断面收缩严重，有些巷道需要反复维修，从而造 成巷道的维护费用高出掘进费用数倍，严重影响矿 井安全高效生产。 岩表面压力，并将其转移至深部，控制深井软岩巷 道的围岩变形，是过去普通锚梁网支护中未曾遇到 过的新问题，具有重要的理论和实践意义。 １工程概况 淮南矿业集团潘三煤矿…７３０ ９６０ｍ联络斜 巷上段位于该矿东三采区，巷道设计工程量６７０ｍ， 具体工程地质条件如下： （１）巷道穿层掘进，围岩破碎松散巷道以 １０。下山施工，期间巷道穿过４层煤线，岩性以泥 由于锚索具有锚固深度深、支护强度高、适用 性好等优点，锚索与锚杆联合支护已成为锚杆支护 技术的普遍的发展方向和应用形式。锚索在巷道支 护中的普遍使用，提高了巷道支护的强度和安全 性，扩大了锚杆支护技术的应用范围。然而，在锚 岩、细砂岩或粉细砂岩为主，近水平层理，分层 索支护实践中发现：高地压巷道的变形和破坏仍然 不能得到有效地控制，部分巷道的顶板仍然时有冒 落发生，巷道的稳定性和安全性仍然存在较大的不 确定性。为了改变上述状况，尤其是为了提高巷道 锚梁网支护的稳定性和安全性，煤矿支护研究单位 和现场进行大量研究工作，并采取了相应的技术措 薄，每层仅为１００～１５０ｍｍ左右，竖向裂隙极为发 育，破碎成碎块状，节理间泥质胶结。 （２）巷道埋深大、地压大 巷道掘进标高一 ７３０—一８２０ｍ，属于典型的深井高地压巷道。 （３）巷道掘进断面大巷道掘进宽５５００ｒａｍ， 掘进高度４２５０ｍｍ，掘进断面积２０．１２ｍ 。 （４）巷道服务时间长 巷道为二水平技改延 施，如加大锚索直径、加大支护密度、注浆加固等 等，促进了巷道锚索支护技术的发展 。然而， 锚索支护巷道中存在的围岩稳定和安全问题未得到 很好解决，这些问题的存在固然有多种原因，比如 地层压力、巷道断面的增大等。但一个不可忽视的 深工程，将要服务整个二水平的开拓与开采，服务 时间应在２０ａ以上。 ２支护技术分析 ２．１支护对策 ［ＤＯＩ］１０．１３５３２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎｌｌ一３６７７／ｔｄ．２０１５．０２．０１６ 问题就是锚索外锚强度、刚度低，在锚索支护力远 ［收稿日期］２０１４—０５－２６ ［作者简介】杨永刚（１９７９－），男，河北定州人，硕士，助理研究员，主要研究方向为巷道支护及矿山压力控制。 ［引用格式］杨永刚，张海燕．深井高地压软岩巷道围岩压力转移支护技术研究［Ｊ］．煤矿开采，２０１５，２０（２）：５６—５９． ５６ 杨永刚等：深井高地压软岩巷道围岩压力转移支护技术研究 ２０１５午第２期 （１）巷道围岩表面压力收集支护技术在巷 道表面通常都存在着大量的无支护空间。对于地压 大、围岩条件差的巷道，这些无支护空间成为巷道 围岩压力卸载的宽阔大门。围岩压力卸载严重，使 得锚梁索的高支护强度不能充分得到发挥，严重影 响锚梁索支护效率，甚至失效。因此，采用合适的 支护材料与参数，加大破碎巷道围岩表面的封闭面 积是必要的。 （２）采用强度、刚度更高的锚索组合梁对 于此类复杂巷道一般均采用组合锚索支护，围岩压 力首先作用于锚索组合梁上，如其强度低、刚度低 而在锚索支护力远未达到其额定支护力的情况下发 生屈服或变形破坏，就会使得锚索支护性能无法有 效利用，巷道围岩压力无法有效转移，巷道围岩变 形破坏不能有效控制。因此，增加锚索支护外锚结 构的强度和刚度，不仅可以大大提高锚梁索的支护 性能，而且可以有效阻止围岩压力的卸载，从而有 效控制巷道围岩的变形与破坏。 （３）提高锚索支护的可靠性 为提高锚索支 护的可靠性，必须保证锚索的锚固段始终位于巷道 围岩的弹性区内。为此，不仅在安装锚索时，应该 将锚索锚固在围岩的弹性区内，而且在锚索的支护 期限内，或在巷道的服务期间内，也能使锚索的锚 固段始终处在巷道围岩的弹性区内，将巷道围岩表 面压力转移至深部。 ２．２锚索组合梁的选择 目前锚索组合梁主要采用热压普通槽钢、Ｔ３ 钢带、１１号矿用工字钢等。为计算在集中载荷的 情况下梁体最大承载能力，作如下假设：锚索间距 １ｍ，锚索锁具端视为简支，梁体中部岩体载荷视 为集中载荷，示意图见图１。 锚索 岩体 Ｐｉ ‘Ｊ，』 ●Ｊ ｌＩ 锁具 １０００ 壶妇 图１锚索组合梁受力示意 查相关文献 卜 ］，可得各种热压槽钢、工字 钢、 钢带等的断面系数、屈服强度等参数。许 用弯矩为： Ｍ＝［ 。］・Ｗｘ （１） 能承受的最大集中载荷： Ｐ＝４Ｍ／Ｌ （２） 根据上式计算可得，应用较为普遍的槽钢梁 （文中以ｌ４号ｂ，１６号ａ槽钢为例），当集中载荷 仅为１６ｋＮ和２６ｋＮ时梁体即出现了屈服现象，破 坏形式主要有穿孔撕裂、扭曲变形等；Ｔ３钢带在 集中载荷仅为１０ｋＮ时钢带就出现了屈服破坏，破 坏形式主要有弯曲变形、沿锚索孔的撕裂等。 为解决上述梁体强度刚度低、弯曲变形严重等 问题，研制了箱型梁。该箱型梁选用矿用７号 型钢与钢板作为基本配件，焊接而成，加工设计图 如图２所示。矿用７号订型钢利用电弧炼钢炉冶炼 钢水浇注２７ＳｉＭｎ钢锭轧制而成，按热处理规范要 求，９２０ｏＣ水淬，４５０ｏＣ水冷回火，热处理调质硬度 ＨＢ３００—３５０，屈服强度盯 ≥８３５ＭＰａ，Ｏｒｈ≥ ９８０ＭＰａ，有相当高的强度和耐磨性。 ７号嘲 钢 钢 ｌ ▲ Ｌ Ｊ １８０ 图２箱型梁加工设计示意 综合考虑焊接、断面积、断面系数等因素，确 定箱型梁跨距１ｍ时，平均承载能力为１５０ｋＮ，承 载能力较１４号ｂ槽钢提高８．３倍，较ｒｒ３钢带提高 １４．３倍，远大于目前主要应用的各种型号的槽钢 梁及工字钢等组合梁，对于提高顶板支护效果，提 高锚索外锚强度效果显著。 ２．３数值计算分析 采用ＵＤＥＣ３．１离散元数值计算软件对－７３０～ －９６０ｍ联络斜巷上段巷道围岩应力分布及塑性区 范围分区情况进行了计算分析。计算采用平面应变 模型假设，即垂直于计算剖面方向的变形为零。模 型应用ＢＬＯＣＫ命令生成，应用ＣＲＡＣＫ命令划分 各个岩层，应用ＪＳＥＴ命令模拟岩体节理。模型宽 高均为５０ｍ。模型上表面为应力边界，根据埋深施 加１６ＭＰａ载荷用来模拟上覆岩体的自重边界，水 平应力参照附近地点地应力测试结果，按垂直应力 的１．３倍施加。采用Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ本构模型，应 变模式采用大应变变形模式，模型底部限制垂直移 动，模型前后和侧面限制水平移动。为监测巷道围 岩应力及位移分布情况，从巷道底板两帮到顶板 １０ｍ深度范围内，每２ｍ设置１条水平监测线。 图３为巷道中部及顶板各监测线的垂直应力分 布曲线。由图３可见，巷道开挖后，顶板１０ｍ深 度范围内发生了应力重新分布，应力值降低。在巷 道两帮４～５ｍ深度内出现了应力峰值２４ＭＰａ左右， ５７ 总第１２３期 煤矿 开采 ２０１５年第２期 日鲁毒梧求 避硼郴 集中应力系数为１．２，５ｍ以远应力逐渐恢复至原 ９ ６ ３ ０ 岩应力。结合图４塑性区分布可见，在无支护情况 下巷道顶板６—７ｍ，巷帮４ｍ范围内均会发生较为 明显的塑性破坏，并且塑性范围会随着围岩压力的 增长、时间的延长向围岩深部发展，在实际施工中 应适当加大锚索锚固深度，确保锚索的锚固段始终 处在巷道围岩的弹性区内。 巷道宽度方向／ｍ 图３巷道顶板垂直应力分布特征 图４巷道围岩塑性区分布 ３试验巷道支护方案 巷道顶板及两帮采用锚梁索支护。支护方案见 图５。 图５巷道支护设计方案 锚梁索支护体系由４部分组成： （１）采用４，６ｍｍ钢筋焊接的钢筋背板背护围 岩表面，孔径１００ｍｍＸ１００ｍｍ。 （２）采用Ｗ５型钢带配合锚杆进行支护。锚杆 规格￣ｂ２２ｍｍ ｘ ２５００ｍｍ，锚杆间排距９００ｍｍ× ９００ｍｍ，安装扭矩不小于１８０Ｎ・ｉｎ。Ｗ型钢带规 格为３１００ｍｍＸ２８０ｍｍｘ５ｍｍ。巷道半圆部分，钢带 沿巷道周向铺设；巷道直墙体部分，钢带沿巷道纵 向铺设，相邻钢带相互搭茬。 （３）围岩表面喷浆。锚杆支护施工完成后， ５８ 对巷道表面喷射混凝土砂浆。砂浆标号Ｃ３０，喷层 厚度５Ｏ～８０ｍｍ。 （４）组合式锚索支护。组合锚索由箱形梁与 锚索组成，１梁３索。箱型梁长度２２００ｍｍ，沿巷 道纵向布置，与锚杆ｗ钢带十字搭接。沿巷道四 周共布置７根锚索，间排距１４００ｍｍ×９００ｍｍ，钢 绞线规格￣ｂ２２ｍｍｘ８５００ｍｍ，预紧力１２０ｋＮ。 ４巷道支护效果 为全面分析巷道掘进期间巷道变形规律，在一 ７３０—一９６０ｍ联络斜巷上段试验段与非试验段分别 布置了多个测站对巷道围岩变形进行观测。非试验 段内锚杆为单体锚杆；锚索参数为４）２２ｍｍ× ６３００ｒａｍ，采用１３钢带作为组合梁，其余同试验 段，图６（ａ）为巷道非试验段巷道围岩变形情况； 图６（ｂ）为巷道试验段巷道围岩变形情况。 窖 ３００ ０ ２Ｏ ６０ ｌ０ｏ ｌ柏１８０ ２２０ ２６ｏ ３００ ３４０ 监测天数，ｄ （ａ）非试验段围岩变形 熬 嚣 絮掣 ０ ３０ ６０ ９０ １２０ ｌ５０ ｌ舳 ２１０ 监测天数／ｄ （ａ）试验段围岩变形 图６巷道围岩变形观测结果 在非试验段内，观测测站在３００ｄ后巷道两帮 位移达到８５０～ｌＯ００ｍｍ，顶底板移近量为ｌＯ００ｍｍ 左右，巷道断面收敛严重，从自稳时间来看，９０ｄ 内两测站均处于剧烈调整阶段，巷道变形速度最大 达３５ｍｍ／ｄ左右，１ｌＯｄ后巷道才逐渐趋于稳定， 但变形速度仍达到２～５ｍｍ／ｄ。试验段内测站在 ２５０ｄ后巷道两帮位移基本控制在５００ｍｍ左右，顶 底板移近量基本控制在４００ｍｍ左右，试验段内巷 道支护强度得到提高，围岩变形得到了较好控制， 返修工作量显著降低。 ５结论 （１）各类槽钢梁以及 钢带存在强度、刚度 过低的问题，在远未达到锚索支护力的时候出现卸 载，严重降低了巷道支护效果。设计并在现场应用 了箱型梁，该箱型梁在跨距ｌｍ时，集中承载能力