难维护巷道围岩变形控制技术

难维护巷道围岩变形控制技术第一页，共38页。岩巷难维护的原因一、概述围岩松软破碎：单轴抗压强度<10～20MPa

深井（自重应力）

高应力采动应力（原岩应力的3～6倍）

构造应力

松软破碎＋高应力第二页，共38页。该类巷道具有围岩破碎严重，塑性区、破碎区范围很大，蠕变严重。巷道围岩变形少则几百毫米，多达1.0~2.0m。巷道在服务期间需要进行不断的维护与返修，特别是它们的两类或三类的复合型，问题更为突出。破坏方式：软岩巷道破坏是一个渐进的力学过程，总是从某一个或几个部位开始变形、损伤，进而导致整个系统失稳。破坏过程：沿巷道断面各个方向的位移速度各不相同，总是从剧烈变形的部位发生裂纹，鳞状剥落，变形破坏区域逐渐扩大，最终导致整个支护系统的失稳难维护岩巷的变形破坏特点第三页，共38页。第一类，围岩软弱型，即软岩巷道第二类，采动影响型，即动压巷道第三类，深井高应力型，即深井巷道第四类，上述三类巷道的复合型难维护岩巷的类型二、难维护巷道的类型第四页，共38页。动压巷道煤层开采引起的采动应力通常在原岩应力的3~10倍左右，将造成回采巷道、受跨采影响等巷道的严重破坏。第五页，共38页。软岩巷道是指在工程力作用下能产生显著显著的塑性变形和非连续变形的巷道。工程力指作用在巷道围岩的力之和，包括自重应力、残余构造应力、水的作用力，采动影响力及膨胀应力等。第六页，共38页。1、综合性定义地质软岩：单轴抗压强度在0.5~25MPa的松散、破碎、软弱及风化膨胀性一类岩体的总称。工程软岩：在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。工程岩体是软岩工程研究的主要对象，包括岩块、结构面及其空间组合特征。工程力是指作用在工程岩体上的力的总和，可以是重力、构造残余应力、水的作用力和工程扰动力以及膨胀应力等。显著塑性变形以塑性变形为主的变形量超过了工程设计的允许变形值并影响了工程的正常使用。包括显著的弹性变形、粘弹塑性变形，连续性变形和非连续性变形等。软岩的概念第七页，共38页。2、描述性定义(1)原煤炭工业部矿山压力情报中心站、长春煤炭研究所总工程师陆家梁提出，松软岩层系指松散、软弱的岩层。它是相对于坚硬岩层而言的。松软岩层由于成岩的时间短、结构疏松、胶结程度差，故自身强度很低。(2)原煤炭工业部软岩分站副站长郑雨天等认为，软岩是软弱、破碎、松散、膨胀、流变、强风化蚀变及高应力的岩体之总称。(3)淮南矿业学院朱效嘉教授提出，松软、破碎、膨胀及风化等岩层称为松软岩层，简称软岩。(4)1984年12月，在昆明市举行的煤矿矿山压力名词讨论会上提出的定义是，松软岩层是指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含右大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层。总之，按描述性定义，软岩是软弱、破碎、松散、膨胀、流变强、风化和膨胀性岩体的总称。第八页，共38页。3、指标化定义(1)ISRM(国际岩石力学学会，1990，1993）定义：软岩是指单轴抗压强度在0.5～25MPa的一类岩石。(2)G.Russo(1994)定义：软岩指单相抗压强度小于17MPa的岩石。4、工程定义中国矿业大学董方庭教授指出，围岩松动圈大于1.5m，并且用常规支护不能适应的围岩称为软岩。第九页，共38页。分析由此可见，国内外对于软岩的定义尚不能统一，这严重阻碍了软岩的学术交流和研究的深入。为便于工程应用，本研究将采用工程软岩的定义。通过近10年来的工程实践检验，证明了该定义对软岩界定的科学性、可靠性及实用性。第十页，共38页。深井巷道根据我国煤矿的巷道支护技术水平和地质条件，一般将800m作为深部开采的标准，部分软岩矿井的深部开采标准可定为600m或更浅。第十一页，共38页。我国国有大中型煤矿开采深度每年约以10m的速度向深部增加。一些老矿区和缺煤矿区相继进入深部开采阶段。开采深度加大，岩体应力急剧增加，地温升高，当岩体应力达到或超过岩体强度时，有关岩体力学的若干问题由量变逐渐发生质变，造成资源开采的极端困难，并引发矿井重大安全事故危险性增加，严重威胁矿井的安全生产。我国煤炭储量大部分埋藏在深部，埋深大于600m和1000m的储量分别占到73.19%和53.17%。难维护岩巷成为重点第十二页，共38页。二、松软岩层巷道施工涉及的几个问题㈠松软巷道围岩变形和压力特征1．软岩巷道围岩变形特征⑴围岩变形有明显的时间效应。

⑵围岩变形具有明显的空间效应。

⑶软岩巷道不仅顶板下沉量大和容易冒落，而且底板也强烈鼓起，并常拌有两帮剧烈位移。⑷围岩变形对应力扰动和环境变化非常敏感。

此外，软岩巷道的自稳时间短。

第十三页，共38页。第十四页，共38页。2．巷道围岩变形量的构成

软岩巷道围岩变形量的组成其围岩变形量主要有以下三部分组成（图10-1）：⑴掘巷引起的围岩变形量；⑵围岩流变引起的变形量；⑶巷道受各种扰动引起的变形量。U0—掘巷引起的变形；

v0t0—巷道流变量；∑ui—扰动和浸水引起的变形量。第十五页，共38页。㈡合理选择巷道位置

1．岩石性质

2．支承压力的影响

除了要避免支承移动压力的影响外，还必须避开采场上下固定支承压力的影响范围，应把巷道布置在应力降低区或原岩应力区内为最好。如图10-2所示。

㈢巷道断面形状的选择㈣破岩方式的选择

第十六页，共38页。㈤支护方式和支护结构的选择

对于这种特殊的不良地层，其支护结构应有“先柔后刚”的特性，一般需要二次支护。

初始支护应按照围岩与支架共同作用的原理，选用刚度适宜、具有一定柔性或可缩性支架。它既允许围岩产生一定量的变形移动，以发挥围岩自承能力，同时又能限制围岩发生过大的变形移动。可以采用锚喷支护、U形金属可缩性支架等。

二次支护的作用在于进一步提高巷道的稳定性和安全性，应采用刚度较大的支护结构。可采用锚喷支护，砌碹。在喷射混凝土中还应增加钢筋网和金属骨架，即构成锚喷网金属骨架联合支护结构。第十七页，共38页。

采用料石或混凝土块砌碹作为二次支护时，应选用异形料石或异形混凝土块作为砌体材料，图10-3是舒兰设计采用的异形混凝土块碹；图10-4是前屯煤矿使用的异形料石圆碹。第十八页，共38页。第十九页，共38页。

采用料石和混凝上块砌碹，只要提高施工质量，调整砌块的规格，保证壁后充填密实，或在砌块之间加入可缩性木板，均能大大提高碹体的支护效果。

在苏联、比利时等国支护软岩巷道，尤其是采深较大的巷道，常采用预制混凝土块支护，并向大型钢筋混凝土块发展，用吊装机械安装。近年来我国少数煤矿，如沈阳矿务局大桥煤矿也已开始使用这种钢筋混凝土块来支护软岩巷道并取得了一定的效果。第二十页，共38页。㈥软岩巷道的联合支护1．锚喷和U形钢联合支护2．锚喷和砌碹联合支护3．锚喷和弧板联合支护㈦巷道底板的管理

1．巷道底鼓的类型和机理⑴挤压流动性底鼓⑵挠曲褶皱性底鼓

⑶剪切错动性底鼓

⑷遇水膨胀性底鼓第二十一页，共38页。2．底鼓的防治

㈧重视围岩的量测监控

在松软岩层巷道采用锚喷支护，一定要配合进行量测监控，可用收敛计量测巷道的收敛变形，亦可用水准仪测量顶板下沉量和底鼓量；用各种多点式位移计量测岩层内不同深度的位移，从而可以算出位移速度。通过这些量测数据，有助于评价围岩的稳定程度，可以论证各设计参数是否合理和锚喷效果，也是修改设计和确定二次支护时间的依据，锚杆的锚固力可用中空千斤顶式的锚杆拉力计来量测。锚杆的应力状态，可用专门设计的空心“锚杆”(它的构造是聚氯乙烯塑料管内壁用101号胶粘贴电阻片)来测定，以检验锚杆不同深度处的受力状态，从而能推知围岩内应力重新分布的情况，进而可调整锚杆的设汁参数。对于大断面的重要工程还要进行接触应力和喷层内切向应力的量测，可采用电阻应变砖和钢弦压力盒等测试元件。根据测量结果，可以了解喷层的受力状态，有助于设计喷射混凝土的厚度。地应力特别大的矿区，还应量测构造应力场，这对巷道合理布置，减轻地应力对巷道支护的破坏影响具有重要意义。第二十二页，共38页。㈨借鉴新奥法指导软岩巷道施工

新奥法是隧道施工科学方法的总结，主要针对软岩隧道施工，重点在支护方面。新奥法不是单纯的支架结构改革或支护方法的改进，而是一套综合的隧道施工方法，更确切地说是一套适用在断面50～150㎡的遂道及大断面地下工程设计、掘进、衬砌、测试相结合的完整新概念。

新奥法的概念是按岩石力学围岩支架共同作用基本原理制定的，其主要意图是调动围岩自身的承载能力，尽可能地控制围岩变形，防止围岩松动，以达到施工隧道的最大安全度和最好经济效果。

新奥法认为认为喷射混凝土最能紧贴围岩，充分利用围岩自身强度。喷层开裂并非坏事，而是表现出一定的让压性，必要时第一次支护加用锚杆或少量钢拱支架根据实测资料及理轮分析，合理地选用和设计第二次支护的材料，结构型弍及规格尺寸。第二十三页，共38页。难维护岩巷围岩产生大范围的破碎区、塑性区难以避免，一次支护控制高应力软岩巷道围岩大变形难以实现，应进行二次支护。二次支护时机是决定维护效果的关键因素。二次支护最佳时机是围岩应力、塑性区及变形速度趋于稳定，此时围岩的膨胀变形能得到了充分释放而围岩自身承载能力又没有太多的损失。该时机的掌握可以通过对巷道表面位移监测，当巷道表面位移速度由快到趋于平缓的拐点附近为二次支护的最佳支护时机。第二十四页，共38页。软岩巷道的有效维护是煤矿开采面临的主要难题之一，目前国内外仍未形成一种普遍适用的技术方法；该类巷道的有效维护必须针对现场实际条件灵活运用锚杆、锚索、金属棚、注浆等技术互相组合，才能取得成功。在本研究中，应针对现场条件，加强围岩变形破坏的监测，用时调整支护方案和参数，反复实验以形成适用于煤矿的有效维护方法。结束语第二十五页，共38页。六、工程实例巷道概况变形分析支护设计支护效果分析第二十六页，共38页。九龙煤矿北翼北二正巷位于-600水平，巷道顶板上距2＃煤26m，巷道底板下距4＃煤14m左右。巷道位置第二十七页，共38页。巷道原设计掘进断面4.5×3.85m，支护参数为U36钢加锚网喷支护，U型钢排距为600mm，锚杆长度为2.0m，直径为20mm，2个树脂药卷锚固，锚杆间排距为600mm。喷层为C20混凝土150mm，巷道断面为15.1m2。

由于巷道受动压影响，出现了顶板下沉，两帮收缩，底板鼓起，巷道收缩严重，目前断面面积5～7m2。巷道变形破坏情况如图。破坏变形情况第二十八页，共38页。顶板冒落顶板冒落第二十九页，共38页。U29钢变形破坏

断面收缩第三十页，共38页。围岩变形机理分析

1、巷道围岩特性的影响巷道所处岩性好坏直接影响巷道的支护效果，如九龙矿3＃煤顶底板附近为砂质泥岩，强度较低，而且节理较发育，极易破碎失去承载能力，凡是布置在这层岩石中的巷道均遭到严重的破坏，在使用过程中破坏尤为严重，而布置在岩性较好的岩层中的巷道，虽然经过数次采动影响巷道破坏也较轻微。第三十一页，共38页。2、巷道埋藏深度的影响巷道埋藏深度也是影响巷道支护效果的一个重要因素，在九龙矿一般巷道埋藏深度小于500m时破坏程度较小，而埋藏深度超过500m的巷道破坏程度明显加大，该矿南、北一轨道运输上山的3＃中部车场往上巷道破坏程度较小，而3＃中部车场往下巷道破坏程度严重，特别是2＃中部车场往下，几乎到了无法维持的地步，而九龙矿主要生产巷道均布置在-600m水平，巷道埋深超过700m，矿山压力显现剧烈，巷道破坏特别严重，造成整修频率加大，整修难度加剧。

围岩变形机理分析

第三十二页，共38页。3、采动影响九龙矿回采工作面采动对巷道影响相当大，一般在距工作面130～200m时压力开始显现，在50～130m时显著增大，在0～50m时最大，如15207N工作面在采煤过程中对北二正巷造成的破坏最为严重，而且停采后保留的煤柱对北二正巷外段影响较大，经过多次整修，破坏仍然很严重，影响矿井正常的生产；15226S、15226N工作面在采煤过程中对南二正巷里段造成严重破坏，经过采取加U型钢进行超前支护，大大减小了巷道破坏程度，保证了南二采区的正常生产，而且拆U型钢后经过轻微的整修就可修复破坏巷道，效果特别明显。

围岩变形机理分析

第三十三页，共38页。4、支护形式及支护参数的影响在一条巷道的位置、层位及断面确定下来以后，巷道的支护好坏关键是支护形式及支护参数的选取，如选取适当，巷道支护效果就好，如选取不当，将事倍功半，有时不但当时支护效果差，