永煤讲稿-高应力软岩-张农-09年7月

2023/2/51（三）高应力软岩巷道强化控制技术2023/2/521.引言深部高应力巷道是个相对性概念，传统的架棚支护、锚杆支护方式不能满足支护要求的一类巷道，底鼓普遍而且强烈常常在掘进时就需要多次卧底、返修。围岩显著破坏的区域增加了，参与变形的围岩范围大大拓展了,不易形成结构效应时间效应强烈,变形速度快，衰减速度慢，不易长期维护人工有效支护的范围没有根本扩大，锚固区整体移动的现象增多了2023/2/53深井围岩控制技术

应力场的调整

1)区域应力场的调整2)微观应力场的改善支护手段的创新1)支护强度的进一步提高2)加固范围的进一步加大3)支护结构的进一步创新围岩条件的改善注浆、锚固综合治理技术喷锚注动态分步加固技术2023/2/54应力场的调整---优先考虑，提前布置区域应力场的调整 深部巷道布置、开采部署和最终形成的开采边界条件对巷道稳定性影响很大，由此产生的巷道变形差异很大。上行开采大范围转移围岩应力的思路深部大范围地下采矿活动也使得水平应力的传递变得不再连续。掌握大范围开采过程中应力场的变化规律，特别是有效阻断水平应力的应力调整规律，可以大大改善巷道的维护状况。2023/2/55解放层开采解放了巷道压力2023/2/56合理规划近距离煤层开采顺序和巷道位置缓解了支护难度2023/2/57双巷布置保护了主要巷道2023/2/58微观应力场的改善

卸压技术是将巷道上方及周围岩体的高应力区及高应力值降低，并将其高应力区及高应力值向煤体深部转移，使巷道上方及周围岩体的应力增高区变为应力降低区的一种高新技术。卸压技术的设计思想是：通过钻孔等方法在巷道围岩深部形成一个弱化区和弱化带，为围岩在应力释放过程中产生的膨胀变形提供一个补偿空间。2023/2/59高应力软岩巷道高性能强化支护锚杆承载能力的强化巷道围岩强度的强化关键承载部位的强化

支护效能进一步提高加固范围进一步加大支护结构进一步创新德国：“大断面预留断面---可缩性（封闭型）支架---壁后充填”支护我国：“个性化”支护

“应力场测定—围岩状态量化描述—数值计算(物理模拟)—支护设计(包括锚索的作用)—现场检测—修改设计”2023/2/510

锚杆“强化控制技术”原理锚杆强化控制技术原理巷道围岩应力场优化破裂围岩体强度强化锚杆支护承载性能强化围岩承载结构强化调整区域应力环境优化微观应力场对巷道周围低围压破裂岩石进行有效加固，通常采用锚杆和注浆两种方式促使其锚杆支护特性曲线具有及时早强速增阻的特性顶板的安全控制弱化区的补强关键承载区的加强2023/2/511支护阻力与围岩变形关系图锚杆“强化控制技术”的实现方式和手段包括：

①高性能超高强锚杆及其附件（高性能指高预拉力、高刚度、高强度等）；②帮部桁架支护结构及配件；③锚索梁承载结构。

巷道采用“强化控制技术”后，支护阻力与围岩变形关系如右图中曲线4所示。

锚杆“强化控制技术”的实现方式2023/2/5121.锚杆承载性能的强化锚固技术取得突破锚杆支护材料强度迅速提高锚杆载荷实测曲线锚杆的精细化加工增大托盘提高预紧力矩增加锚固长度2023/2/513巷道开挖支护加固三向应力状态稳定围岩恢复三向应力状态改善围岩完整性二向应力状态

提高围岩强度只有锚杆支护能同时实现以上三种功能锚杆类支护替代U型钢支护是目前技术阶段的必然选择，是技术追求的方向1.锚杆承载性能的强化2023/2/5142.巷道围岩强度的强化锚固体的力学性能改善注浆加固体的力学性能改善侯朝炯教授提出围岩强度强化理论2023/2/515破裂岩石的注浆固结性能2023/2/5162023/2/517松散煤岩体的粘结实验2023/2/518锚固体力学性能锚杆密度/根×(400cm2)-1弹性模量E/MPa软化模量M/MPa锚固体破坏前锚固体破坏后C/MPaφ/(°)C*φ*/MPa/°0280.832.00.3531.50.01731.52282.632.60.3631.50.01831.53284.735.20.3633.50.01833.54288.239.30.3735.60.01835.65294.041.90.3737.10.01937.16299.743.20.3838.80.01938.88310.046.30.3940.40.02140.42023/2/519锚固体强化系数锚杆密度/根*（400cm2）-1单向加载平面应变加载极限强度/MPa残余强度/MPaKjKc极限强度/MPa残余强度/MPaKjKc01.2380.0601.001.001.650.5251.001.0021.2750.0651.031.081.7250.5881.041.1231.350.0681.091.131.8320.6251.111.1941.430.0721.161.191.9280.6681.171.2751.500.0751.211.252.0750.71.261.3361.5750.0811.271.352.170.751.321.4381.6750.0891.351.482.2750.821.381.562023/2/5203.关键承载部位的强化关键破坏区域是客观存在的由于围岩的赋存不均匀性，有软弱区域由于围岩应力场的非对称性，有不同的破坏特征浅埋巷道治理的中心是顶板，建立了梁式、拱式等非封闭式承载结构深井高应力软岩巷道是全方位大范围变形破坏，必须形成封闭式环形对称或非对称承载结构2023/2/521关键部位的强化很多软岩支护失败的原因是支护的重点仍然集中在顶部，帮、底支护强化措施没有跟上2023/2/522二、动压巷道的施工过程控制技术2023/2/523深井高应力巷道基本支护思想大断面预留空间（顶板安全控制）高性能强化支护分步加固过程控制2023/2/524目前任何一种单一的支护方式都不能满足围岩变形的要求，客观上要求通过综合治理联合支护来维持软岩稳定。支护技术已发展到必须充分利用和调动巷道围岩强度和自身承载能力的围岩控制阶段。巷道围岩与支护的相互作用是一个非线性动态响应过程 不同应力路径下岩体强度特性的研究揭示出岩体的变形破坏与其内在结构和所处的应力环境密切相关，由于应力路径不同，导致的岩体变形破坏过程也不同。开挖与支护方式、支护时机的不同组合导致的围岩变形和破坏应该是不同的。1.分阶段动态加固原理2023/2/5251.分阶段动态加固原理随巷道开挖围岩的赋存状态是动态变化的，是围岩强度不断降低的平衡过程；在这个过程中巷道围岩总能保持一定的自稳能力，但随其内部结构和外部约束的变化而消长；巷道围岩变形和破坏表现为明显的阶段性特征，各阶段的力学性能和强度变化规律各不相同，动态监测巷道围岩的变形和强度弱化过程，针对性地采取加固补强措施，才可能最经济地维护软岩巷道的稳定。2023/2/526不同支护技术的组合，同一支护的不同加固时机对巷道围岩的变形和稳定有不同的影响，应当优化选择；支护选型应以充分利用和维持围岩自稳能力，强化围岩支撑结构为标准，优先选择主动加固方式的支护技术，包括混凝土喷层、锚杆支护、围岩注浆加固等技术。1.分阶段动态加固原理2023/2/5272、控制技术高强预应力（锚杆）支护高性能锚杆预拉力钢绞线桁架M型钢带大孔径锚索、组合锚索滞后注浆加固技术组合支护的分步实施软岩喷锚注分步加固技术煤巷组合支护的分步实施破碎煤岩体的加固技术注浆锚索钻锚注一体化技术；自固式锚杆玻璃钢锚杆等新型支护材料2023/2/528及时喷；体现“让压”、“护顶”适时锚；形成有效的支护结构和支护强度；采用新型的高强预应力锚杆；滞后注浆；把握注浆时机；注浆材料2023/2/529软岩巷道注浆加固主要采用两种方式在其它支护的基础上，单独钻孔注浆加固。将注浆和锚杆统一起来的锚注支护技术。

较深部围岩适宜作锚固位置，且应按围岩稳定性的要求及时安装；浅部围岩适宜注浆加固，但应在围岩经历一定程度的变形破坏后，裂隙比较发育时实施。2023/2/530一项新技术：新型锚注技术薄壁管式锚杆和水泥浆为基础的锚注技术锚杆强度低注浆加固效果差充填注浆、灌注新型高强螺纹管式锚注一体化技术杆体强度高、锚固性能好化学注浆渗透性强裂隙加固Ⅱ5回风上山在矿井二水平五采区的北部边界，北边紧临Ⅱ3进风行人上山和二水平付暗斜井。巷道下部与二水平五采区底大巷相连，上部与二水平总回风上山相连。总工程量930m。上山主体坡度17.75°。巷道断面规格：净宽×净高（5.6×4.4m）。掘进断面27.4m2。示例：朱仙庄二水平巷道治理2023/2/532示例：朱仙庄二水平巷道治理2023/2/533回风上山下段158m为架全封闭U型钢棚+喷砼上段280m采用锚网索+喷砼中段492m采用锚杆+架全封闭U型钢棚+喷砼支护上段架棚段270m和下段160m滞后注浆。试验概况施工技术方案及支护参数正常地段支护方案

特殊地段支护方案正常地段支护方案特殊地段支护方案顶区高性能预拉力超强锚网支护锚固范围及锚杆布置补打帮部锚杆及关键部位加强锚索支护布置图U型钢支护结构断面示意图试验状况实照试验状况实照井下巷道维护情况实照试验状况实照示例：孙疃煤矿南翼轨道大巷复杂地段合理支护南轨大巷基本上布置在7煤层顶板以上10余米至8煤底板以下20余米。围岩为煤线、泥岩、粉砂岩为主，见图1。南翼轨道大巷（第六提升斜巷至F28断层段）因地质资料的不准确及两条大断层DF114（∠70°H=0~30m）、F28（∠