深井矿山工程加固技术ppt课件

1、 深井矿山工程加固技术深井矿山工程加固技术山 东 科 技 大 学 矿 山 工 程 研 究 所山 东 科 技 大 学 矿 山 工 程 研 究 所中煤学会矿井建设专业委员会委员中煤学会矿井建设专业委员会委员中煤协会支护专业委员会专家组成员中煤协会支护专业委员会专家组成员 王明远教授王明远教授一、深一、深 井井 概概 述述1、深井的概念、深井的概念 目前一般认为目前一般认为:垂深垂深400m浅矿井浅矿井; 400800m中深矿井；中深矿井；8001200m深矿井；深矿井；1200m超深矿井；在相同的地质条件下，巷道埋藏越深，超深矿井；在相同的地质条件下，巷道埋藏越深，支护越困难。支护越困难。2、深井

2、带来的问题、深井带来的问题（1应力高：自重应力通常大于应力高：自重应力通常大于18MPa；近期；近期测试的深井巷道水平应力多大于垂直应力，最大测试的深井巷道水平应力多大于垂直应力，最大水平主应力达水平主应力达58MPa。有些深井常发生岩爆现象，。有些深井常发生岩爆现象，开采中形成冲击地压。开采中形成冲击地压。（2地温高：一般达地温高：一般达3246，个别高达，个别高达5060。（3渗透水压力大：深井水相互贯通，渗透压渗透水压力大：深井水相互贯通，渗透压达达78MPa。（4瓦斯涌出量大：煤层瓦斯在高压高温作用瓦斯涌出量大：煤层瓦斯在高压高温作用下，从煤层中溢出，危害矿井安全。下，从煤层中溢出，危

3、害矿井安全。 3、巷道埋深与稳定的关系、巷道埋深与稳定的关系 根据矿井调查和实践研究统计分析，当围岩单根据矿井调查和实践研究统计分析，当围岩单轴抗压强度在轴抗压强度在4060Mpa的中硬岩中，拱形巷道的中硬岩中，拱形巷道断面断面1220m2条件下，采用常规的锚网喷支护条件下，采用常规的锚网喷支护形式：锚杆规格形式：锚杆规格(1618)(18002000)mm的的MSGLW-335无纵肋螺纹钢树脂锚杆，间排距无纵肋螺纹钢树脂锚杆，间排距800800mm；4mm钢筋网，网格钢筋网，网格100100mm；喷射喷射100mm厚的厚的C20混凝土的支护结构形式时，混凝土的支护结构形式时，巷道埋深与变形情

4、况如表巷道埋深与变形情况如表1所示。所示。 序序号号巷道埋巷道埋深深(m) (m) 巷道变形及破坏情况巷道变形及破坏情况 治理改进方案治理改进方案 1 1400m 400m 巷道基本稳定，使用一年后，局部有微巷道基本稳定，使用一年后，局部有微小裂缝，位移量不大于小裂缝，位移量不大于20mm20mm，不影响使，不影响使用；但遇断层破碎带、水平应力大于垂用；但遇断层破碎带、水平应力大于垂直应力或受采动影响的地段出现变形、直应力或受采动影响的地段出现变形、破坏，需要修复。破坏，需要修复。 除个别破碎岩层、破碎带外，除个别破碎岩层、破碎带外，一般不需修复或加固。一般不需修复或加固。 2 2400400

5、600m 600m 两帮底部开裂，位移量两帮底部开裂，位移量303050mm50mm，有少，有少量底臌，沿拱顶或两肩呈片状或条带形量底臌，沿拱顶或两肩呈片状或条带形剥落，局部冒落露出原岩。破坏量约占剥落，局部冒落露出原岩。破坏量约占20203030，需修复。，需修复。 一般采用清除破坏部位，补打一般采用清除破坏部位，补打锚杆、挂网喷浆。对压力大的锚杆、挂网喷浆。对压力大的地段应注浆加固。地段应注浆加固。 3 3600600800m 800m 底臌、底脚内移，水沟挤裂，巷道顶部底臌、底脚内移，水沟挤裂，巷道顶部两肩部开裂，甚至冒落。两肩部开裂，甚至冒落。30305050的巷的巷道需要返修，否则难

6、以正常使用。道需要返修，否则难以正常使用。 以上支护结构、参数需调整，以上支护结构、参数需调整，应加锚索、锚梁或配合注浆加应加锚索、锚梁或配合注浆加固。固。 4 4800m 800m 上述支护结构很难有效，应加强矿压观上述支护结构很难有效，应加强矿压观测、地应力测试等研究工作，调整支护测、地应力测试等研究工作，调整支护参数、结构形式和工艺过程。参数、结构形式和工艺过程。 专项研究，预防在前。巷道变专项研究，预防在前。巷道变形大时及时调整支护设计或采形大时及时调整支护设计或采用高强预应力锚杆、锚索、注用高强预应力锚杆、锚索、注浆锚杆延后加固。浆锚杆延后加固。 表表1 1 巷道埋深与变形情况统计表

7、巷道埋深与变形情况统计表二、二、 影响巷道稳定的因素影响巷道稳定的因素1、客观因素、客观因素（1围岩性质围岩性质围岩性质包括岩石性质和岩体性质。围岩性质包括岩石性质和岩体性质。岩石性质：主要是强度指标岩石性质：主要是强度指标(Rc) ；岩体性质：层理、节理和裂隙等。岩体性质：层理、节理和裂隙等。（2岩层物相：产生膨胀、蠕变、流变的岩层物相：产生膨胀、蠕变、流变的矿物成分，如蒙托石、伊利石、高岭石的含矿物成分，如蒙托石、伊利石、高岭石的含量。量。（3地应力与地质构造地应力与地质构造重点是位于向斜、背斜轴部、与断层走向一重点是位于向斜、背斜轴部、与断层走向一致或过断层段的巷道。致或过断层段的巷道。

8、（4地下水：水温、含水层、含水带的沟地下水：水温、含水层、含水带的沟通通（5地温：如龙固、赵楼矿高达地温：如龙固、赵楼矿高达4248。2、主观因素、主观因素（1巷道布置于开挖顺序巷道布置于开挖顺序 两条巷道平行，其间隔岩柱小于巷道开挖宽度两条巷道平行，其间隔岩柱小于巷道开挖宽度的的3倍时，产生应力叠加，先开挖巷道受后开挖倍时，产生应力叠加，先开挖巷道受后开挖巷道再次应力分布叠加，更易使巷道变形破坏。巷道再次应力分布叠加，更易使巷道变形破坏。（2巷道断面尺寸和形状巷道断面尺寸和形状 巷道开挖表面积与巷道稳定程度成反比，其形巷道开挖表面积与巷道稳定程度成反比，其形状越接近圆形越有利于稳定。状越接近

9、圆形越有利于稳定。（3支护材料与结构形式支护材料与结构形式 支护材料主要是强度和弹塑性。结构形式主要支护材料主要是强度和弹塑性。结构形式主要指改变围岩应力状态的方式，如锚杆、锚索起悬指改变围岩应力状态的方式，如锚杆、锚索起悬吊、挤压、加固作用，网喷起表面封闭和调节应吊、挤压、加固作用，网喷起表面封闭和调节应力集中作用；注浆则将松散破碎岩体粘结成整体，力集中作用；注浆则将松散破碎岩体粘结成整体，起固结强化并改善围岩应力状态等主动支护作用。起固结强化并改善围岩应力状态等主动支护作用。（4 4支护参数支护参数 支护参数主要指材料的强度、规格、型号，结构支护参数主要指材料的强度、规格、型号，结构原理、

10、方式，支护结构在围岩中的布置密度、形式等。原理、方式，支护结构在围岩中的布置密度、形式等。如锚杆材料、锚固形式，直径、长度、锚固力、预紧如锚杆材料、锚固形式，直径、长度、锚固力、预紧力；锚杆布置方式、间排距等。重点是支护强度大于力；锚杆布置方式、间排距等。重点是支护强度大于外力强度临界值。外力强度临界值。（5 5施工工艺与质量施工工艺与质量 开挖方式对围岩扰动程度和范围，所以光面爆破，开挖方式对围岩扰动程度和范围，所以光面爆破，降低装药量是保护围岩的有效方法；支护顺序和时间；降低装药量是保护围岩的有效方法；支护顺序和时间；支护设备及工艺过程；施工操作执行力与质量标准；支护设备及工艺过程；施工操

11、作执行力与质量标准；检验评价方法；质量管理方法；质量控制体系等。前检验评价方法；质量管理方法；质量控制体系等。前五条为客观因素，后五条为主观因素。五条为客观因素，后五条为主观因素。三、控制巷道围岩的主要途径三、控制巷道围岩的主要途径1、提高围岩自身强度、提高围岩自身强度（1基本原理基本原理“先抗后让，强支弱护，保持完整，减少先抗后让，强支弱护，保持完整，减少松动松动”；“内实外松，近压远拉，环带连续，异体内实外松，近压远拉，环带连续，异体胶结胶结”。（2主要支护形式：锚、网、喷、索、梁、主要支护形式：锚、网、喷、索、梁、注。注。（3主要支护材料主要支护材料锚杆及配件：高强、预应力、缓压、精锚杆

12、及配件：高强、预应力、缓压、精加工、拱形托盘、转动垫圈、长锚固段。加工、拱形托盘、转动垫圈、长锚固段。 杆体强度杆体强度KMG500以上的钢材，以上的钢材，22mm，L2m，锚固端，锚固端600mm;延伸延伸率率23%。（见图。（见图1 高强预应力锚杆）高强预应力锚杆） 高强高预应力让压锚杆让压前图片 预应力让压锚杆让压后图片图1 高强高预应力让压锚杆结构图（美国济宁捷马公司产品） 合理参数：合理参数：（3 3锚索：锚索：17.78mm17.78mm，预应力，预应力150kN150kN，最大，最大承载力承载力320kN320kN，长度一般为，长度一般为6 68m8m，锚固端长，锚固端长1200

13、mm1200mm。加固重点是巷道两肩的应力集中带。加固重点是巷道两肩的应力集中带。（4 4锚注加固：锚注加固：加固带加固带=1=11.51.5倍锚固带；倍锚固带；注浆，水泥浆为主；注浆，水泥浆为主；注浆锚杆。（图注浆锚杆。（图2 2、3 3） 0.60.5锚杆屈服强度预应力0.80.6杆体破断力轴向抗拉力0.50.4锚固力预紧力0.380.25锚杆长间排距密度 图图2 2 注浆锚杆结构图注浆锚杆结构图 图图3 3 高压注浆锚杆结构图高压注浆锚杆结构图2、应力转移卸压）、应力转移卸压）（1反底拱；反底拱；（2让压带、让压层；让压带、让压层；（3卸压巷；卸压巷；（4卸压槽；卸压槽；（5卸压钻孔；卸

14、压钻孔；（6爆破松动。爆破松动。四深井巷道支护加固实例四深井巷道支护加固实例1、实践矿井概况、实践矿井概况序序矿井矿井产产 量量（万（万t/a）埋深（埋深（m）地质特征地质特征治理方法及效果治理方法及效果1 1唐口矿唐口矿30030010291029高应力松软碎涨泥岩高应力松软碎涨泥岩将将3000m3000m破坏巷道加固已稳定破坏巷道加固已稳定3 3年年2 2济西矿济西矿4545508508强风化基岩、泥化、碎涨严重强风化基岩、泥化、碎涨严重硐室开裂后加固已稳定硐室开裂后加固已稳定2 2年年3 3彭庄矿彭庄矿4545462.5462.5高渗水、极薄松碎泥页岩高渗水、极薄松碎泥页岩监控预防为主，

15、已生产监控预防为主，已生产2 2年年4 4龙固矿龙固矿600600844.8844.8高温、高渗水泥岩，粉砂岩、高温、高渗水泥岩，粉砂岩、细砂岩互层细砂岩互层监控预防为主，已进入采区监控预防为主，已进入采区5 5赵楼矿赵楼矿300300905905泥岩、粉砂细岩互层，裂隙发泥岩、粉砂细岩互层，裂隙发育、高渗水育、高渗水监控预防为主，车场已完成监控预防为主，车场已完成6 6枫嵩矿枫嵩矿4545510510松碎泥岩，大裂隙结构松碎泥岩，大裂隙结构U U型钢支护变形严重，已修复型钢支护变形严重，已修复7 7郭屯矿郭屯矿240240853853大涌量、高压渗水碎涨泥岩、大涌量、高压渗水碎涨泥岩、细砂岩

16、互层细砂岩互层监控预防为主，进入车场监控预防为主，进入车场 2、唐口矿研究治理方案、唐口矿研究治理方案（1巷道、硐室破坏情况如图巷道、硐室破坏情况如图47所示）所示）图图4 4 唐口矿巷道拱肩部位变形开裂唐口矿巷道拱肩部位变形开裂图图5 5 唐口矿巷道底臌唐口矿巷道底臌1.2m1.2m图图6 6 唐口矿大巷底角锚喷网支护后开裂唐口矿大巷底角锚喷网支护后开裂图图7 7 唐口矿泵房唐口矿泵房40#40#工字钢梁发生弯曲工字钢梁发生弯曲（2主要加固方案图图8 8 唐口矿泵房加固结构图无泵基础）唐口矿泵房加固结构图无泵基础） 图图9 9 唐口矿胶带机头硐室加固结构图唐口矿胶带机头硐室加固结构图1234

17、5876锚注及平面锚索桁架注浆锚索及锚梁反底拱梁防水让压层（3加固效果如图1012所示）图图10 10 唐口矿中央水泵房平面锚索桁架加固治理后状况唐口矿中央水泵房平面锚索桁架加固治理后状况 图图11 11 唐口矿变电所锚索梁加固治理后状况唐口矿变电所锚索梁加固治理后状况图图12 12 唐口矿大巷加固治理后状况唐口矿大巷加固治理后状况（5新掘巷道预案机制抗让卸固抗让防3、济西矿研究治理方案（1巷道、硐室破坏情况如图1315所示）图图13 13 济西矿巷道底臌破坏图济西矿巷道底臌破坏图图图14 14 济西矿巷道围岩挤压变形后断面缩小济西矿巷道围岩挤压变形后断面缩小图图15 15 济西马头门钢筋混凝

18、土开裂济西马头门钢筋混凝土开裂（2加固方案25005 0 0 02 5 0 06 0 02 5 0 018006 0 047005006001 5 012345671 21 11 098图图16 16 济西矿马头门及其连接部分加固修复图济西矿马头门及其连接部分加固修复图高强锚杆注浆锚索注浆锚杆图图17 17 济西矿断面马头门连接部锚注法加固结构布置图济西矿断面马头门连接部锚注法加固结构布置图（3预案机制及效果 （如图1820所示）图图18 18 济西矿马头门开裂变形及加固情况济西矿马头门开裂变形及加固情况图图19 19 济西矿马头门浇灌混凝土段加固后的情况济西矿马头门浇灌混凝土段加固后的情况

19、图图20 20 济西矿锚喷巷道加固情况济西矿锚喷巷道加固情况4、彭庄矿研究治理方案、彭庄矿研究治理方案（1巷道、硐室破坏情况巷道、硐室破坏情况图图21 彭庄矿大巷岩层结构情况彭庄矿大巷岩层结构情况（2矿压观测（3预案机制（4主要方案及效果硐室煤层置换技术；高强锚杆、锚索、锚带技术5、枫嵩矿研究治理状况、枫嵩矿研究治理状况图图22 22 枫嵩矿枫嵩矿U U型钢支护巷道变形情况型钢支护巷道变形情况6、龙固、赵楼、郭屯矿预案研究、龙固、赵楼、郭屯矿预案研究（1岩层及工程概况岩层及工程概况图图23 23 赵楼矿贯通段破坏情况赵楼矿贯通段破坏情况（2深井巷道围岩控制方案地质构造分析和地应力测试；岩层物相

20、化验分析；多波地震超前地质探测见图25）；巷道收敛变形监测，锚杆、锚索受力测试；围岩应力、应变监控系统；工程跟踪监测预案，支护结构优化设计。图图24 24 龙固矿多波地震超前地质探测龙固矿多波地震超前地质探测五、锚注技术五、锚注技术 锚注技术是通过注浆锚杆向围岩内注入浆液的一种加固技术，在国内已经推广应用十几年，在矿山和地下工程中发挥了很大的作用。对治理高应力巷道、松散破碎围岩巷道、极不稳定巷道具有良好的效果。 1、注浆锚杆 也称外锚内注锚杆，既是注浆管，又是锚杆，见图25。 图图25 25 注浆锚杆注浆锚杆 （1 1杆体：杆体：202025mm25mm钢管制作，内端可加锚固剂钢管制作，内端可

21、加锚固剂锚固，钢管钻孔；外端螺纹与止浆阀连接，并套有锚固，钢管钻孔；外端螺纹与止浆阀连接，并套有橡胶止浆塞，待注浆完毕，套上托盘拧紧螺母即可。橡胶止浆塞，待注浆完毕，套上托盘拧紧螺母即可。（2 2注浆液：有单液浆、双液浆和化学浆几种。一注浆液：有单液浆、双液浆和化学浆几种。一般情况采用单液浆。即用般情况采用单液浆。即用42.5R42.5R或或52.5R52.5R普通硅酸盐普通硅酸盐水泥，水灰比水泥，水灰比0.40.40.60.6，加，加2%2%的的UNF-4UNF-4型复合早强高型复合早强高效减水剂。化学浆优先推荐改性尿醛树脂浆液。效减水剂。化学浆优先推荐改性尿醛树脂浆液。 （3 3注浆参数注

22、浆参数 注浆压力：一般控制在注浆压力：一般控制在2.0MPa2.0MPa以内，正常不超过以内，正常不超过3.0MPa3.0MPa，由低到高缓慢升压，以使浆液渗透到围岩裂隙，由低到高缓慢升压，以使浆液渗透到围岩裂隙中去，当压力升至中去，当压力升至2MPa2MPa时，应暂停注浆，如压力低于时，应暂停注浆，如压力低于1MPa1MPa，且仍能进浆说明裂隙仍未充填密实，应继续至，且仍能进浆说明裂隙仍未充填密实，应继续至2MPa2MPa为止。为止。 注浆量：由于围岩裂隙差异，每孔注浆量一般在注浆量：由于围岩裂隙差异，每孔注浆量一般在5050100kg100kg水泥，先注孔可达水泥，先注孔可达300kg30

23、0kg以上，如果注浆量过以上，如果注浆量过大，说明裂隙太大或沿某一通道浆液流失，起不到封水大，说明裂隙太大或沿某一通道浆液流失，起不到封水或加固围岩的作用，应停止注浆检查原因。或加固围岩的作用，应停止注浆检查原因。 扩散范围：浆液的扩散范围与裂隙大小、浆液浓扩散范围：浆液的扩散范围与裂隙大小、浆液浓度、注浆压力有关，合适的扩散半径在度、注浆压力有关，合适的扩散半径在1.01.02.0m2.0m左右，左右，扩散范围过大造成浪费。扩散范围过大造成浪费。 注浆时间：在满足压力、注浆量、扩散范围的前提下注浆时间：在满足压力、注浆量、扩散范围的前提下灵活掌握。如裂隙发育、浆液量较大、压力较高、扩散效果灵

24、活掌握。如裂隙发育、浆液量较大、压力较高、扩散效果合适，时间可短；反之适当延长注浆时间。合适，时间可短；反之适当延长注浆时间。（4 4注浆锚杆施工工艺注浆锚杆施工工艺 钻孔：采用凿岩机或其它钻眼设施钻孔；钻孔：采用凿岩机或其它钻眼设施钻孔； 安装锚杆：将注浆锚杆送至孔底；安装锚杆：将注浆锚杆送至孔底； 封孔止浆：采用止浆塞封孔，用橡胶塞或黄麻等止浆；封孔止浆：采用止浆塞封孔，用橡胶塞或黄麻等止浆； 注浆：将注浆管路和注浆锚杆连接好，进行注浆作业，注浆：将注浆管路和注浆锚杆连接好，进行注浆作业，每孔注浆时间为每孔注浆时间为3 35min5min，可多孔同时注浆，每断面要从下，可多孔同时注浆，每断

25、面要从下而上对称注浆，最后注顶孔，纵向可间排隔孔注浆；而上对称注浆，最后注顶孔，纵向可间排隔孔注浆； 安设锚杆托盘：拆下孔口阀，安设托盘，上紧螺母。（安设锚杆托盘：拆下孔口阀，安设托盘，上紧螺母。（5注注浆施工工艺浆施工工艺 运料与拌浆：即将水泥与水按规定水灰比拌制水泥浆，保证在运料与拌浆：即将水泥与水按规定水灰比拌制水泥浆，保证在注浆过程中不发生吸浆笼头堵塞等现象，并根据需要调整浆液参数。注浆过程中不发生吸浆笼头堵塞等现象，并根据需要调整浆液参数。 注浆泵的控制：根据巷道注浆变化情况，即时开、停注浆泵，注浆泵的控制：根据巷道注浆变化情况，即时开、停注浆泵，并时刻注意观察注浆泵的注浆压力，以免

26、发生堵塞崩管现象。并时刻注意观察注浆泵的注浆压力，以免发生堵塞崩管现象。 孔口管路连接：应注意前方注浆情况，及时发现漏浆、堵管等孔口管路连接：应注意前方注浆情况，及时发现漏浆、堵管等事故，并掌握好注浆量及注浆压力，及时拆除和清洗注浆阀门。事故，并掌握好注浆量及注浆压力，及时拆除和清洗注浆阀门。 注浆施工工艺如图注浆施工工艺如图26所示。所示。 图图26 26 注浆施工工艺流程注浆施工工艺流程高压胶管高压管与软管接头软管阀门进浆管活接头及蚴母阀门锚杆托盘及螺母注浆锚杆止浆塞锚杆进浆管回浆管路控制阀压力表注浆泵吸浆管路浆液排浆桶吸浆笼头清水桶水泥水玻璃压力表洩压阀 2、锚注施工技术要求及安全措施、

27、锚注施工技术要求及安全措施 要保证注浆锚杆的设计间排距，并要求垂直于岩面，底要保证注浆锚杆的设计间排距，并要求垂直于岩面，底脚注浆锚杆下扎脚注浆锚杆下扎45，要严格控制孔深，使其与锚杆长度配套。，要严格控制孔深，使其与锚杆长度配套。 使用快硬水泥药卷应按规程作业，严格控制泡水时间，并使用快硬水泥药卷应按规程作业，严格控制泡水时间，并保证砸实以满足止浆强度。保证砸实以满足止浆强度。 浆液配比和水灰比应严格按设计要求，不得随意增加水灰浆液配比和水灰比应严格按设计要求，不得随意增加水灰比；比； 开机前应检查喷层和管路，检查阀门是否完全开启。管路开机前应检查喷层和管路，检查阀门是否完全开启。管路接头是否牢靠、严密、有效。接头是否牢靠、严密、有效。 注浆机械应由专人负责有专人监读表头，注浆人员要经注浆机械应由专人负责有专人监读表头，注浆人员要经过培训，考核合格后才能上岗。注浆时要加强信号联系，保证过培训，考核合格后才能上岗。注浆时要加强信号联系，保证注、停及时，反应快速。注、停及时，反应快速。 遇到漏浆时，可暂停注浆，采取措施封堵渗漏处后再行注遇到漏浆时，可暂停注浆，采取措施封堵渗漏处后再行注浆。浆。 注浆的孔口阀应注浆后注浆的孔口阀应注浆后30min内拆除，拆下的阀门要及时清洗内拆除，拆下的阀门要及时清洗干净，然后抹上机油备用。干净，然后抹上机油