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浅谈深部矿井软岩破碎带巷道加强支护工艺

发表时间：2020/10/20 来源：《基层建设》2020年第19期作者：张晓峰

[导读] 摘要：为解决深部井巷软岩破碎带支护问题，应用数值模拟程序，分析了不同侧压力系数对塑性梁的影响以及围岩周围巷道的主应力差。

        陕北矿业神南产业发展公司陕西省榆林市 719300
        摘要：为解决深部井巷软岩破碎带支护问题，应用数值模拟程序，分析了不同侧压力系数对塑性梁的影响以及围岩周围巷道的主应力差。随着对某深部矿山破碎软岩巷道围岩结构、变形破坏机理的现场勘查和鉴定,建议采用联合支护方案，大量模拟和外部设计表明，新支护方案能有效地控制深部破碎软岩巷道的变形。
        关键词：破碎；软岩；变形；新支护
        我国煤矿开采深度逐年增加，深部矿井围岩控制难度大，是一项压力很大的课题。因为围岩应力处于较高水平，受构造应力影响，高压环境使巷道支护变形严重，易发生冒顶和冒落，严重影响了井下作业的安全。一些研究者对深部开采巷道的稳定性控制进行了大量的研究，取得了丰富的研究成果，并提供了实际的支持和应对措施。研究结果，分析了对围岩应力环境的影响，揭示了围岩的变形破坏机理，并提出了合理的方案。
        1、技术背景
        某煤矿巷道受构造应力影响，围岩顶板最大凹陷600mm，两帮最大位移1150mm，层间受拉钢筋网出现大面积撕裂脱落，局部出现顶板漏脱落现象，返修维护消耗了大量的支护材料和人力，支护费用巨大，但是对围岩控制效果不太好。应用顶板离层仪探测围岩内部结构的变形，检测结果表明，围岩破坏范围在2.5m左右，塑性轮廓线约3.8m，围岩破坏程度大，整体稳定性差。
        2、围岩变形破坏分析
        2.1侧压力系数对矿洞稳定性的影响
        为了分析侧压力系数对深部矿山巷道围岩变形的影响，基于某矿巷道的技术模式，建立了数值模拟模型。模型尺寸为50m巷道顶部为自由区域，对应的r负荷。侧压力系数分别为0.6、0.8、1.0、1.2和1.4，分别模拟了塑性区的范围和主应力差的分布。侧压力系数为1.0时，矿床周围岩石塑性区分布均匀，顶板塑性区两侧无差异；侧压力系数小于1.0时，塑性区两帮之间的距离大于侧压力范围和地板空间；当椭圆侧压力系数为：0.8，是具有长椭圆的塑性区的分布，包括：椭圆。侧压力系数大于1.0，顶底板塑性空间大于两侧，塑性结构为椭圆形，长轴为垂直，向前提供的分析表明：深部开采巷道受构造应力影响时，顶板下沉和底板自沉现象更为突出。主应力差峰值随侧压力系数的增大而逐渐变化。侧压力系数小于1.0时，基本压力差的峰值应分布在两侧；侧压力系数大于1.0时，主应力差的峰值应逐步分布在屋顶和地板之间；如果侧压力系数均匀，峰值压力是圆形流的峰值，分布在拐角处，则峰值压力相同。围岩塑性形态随侧压力系数的变化而变化改变。因此如果矿井有较大的构造应力，应注意围岩周围的顶底板检查。
        3、井巷支护方案及现场监测
        3.1.支护方案
        为了保证巷道围岩的长期稳定性，支护方案应能最大限度地利用围岩岩体。在巷道轮廓线加强支护锚网加锚索喷射混凝土+U型钢组合支护方案的基础上，即锚网索组合加强支护方案，锚索、金属网、U型钢、喷射混凝土。锚索定位后，U型钢支撑排应设置在700mm内。U型钢上应及时喷射150mm厚的混凝土层，形成封闭层。在整个巷道进行分组，锚索孔径45mm，孔深2000mm，管总长2000mm，开口长度50mm，底管间距1400mm，密封层为水泥，初始群压为0.8~1.0兆帕组压达到3～4MPa，保压20min，阀门关闭，压浆完成。结束后及时封孔，防止漏泥。
        3.2.现场检测
        为进一步验证喷砼网+U型钢联合支护方案在巷道开挖支护结构完成后对围岩变形的影响，采用点到点法，监测90天的围岩巷道变形，并根据获得巷道围岩变形曲线说明，可以看出,巷道开挖施工0-20天内，围岩的变形比较困难；围岩变形在20～40天内趋于缓慢，并有加快的趋势；开挖40天后，围岩基本稳定状况良好。两侧最大位移为112mm，顶部最大位移约为62mm。巷道使用稳定性高，未出现变形异常，局部喷射混凝土层有离层现象。以上分析表明，新方案取得了良好的援助效果。

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        3.3支持优化规划
        研究决定使用低深度分组支护，并在U型钢上基于U型钢建造一个延伸锚索支护。
        3.3.1围岩的深部加强支护
        （1）分组支护材料主要采用聚氨酯胶，对破碎岩体粘结效果好，凝固时间短，裂缝渗透性强。
        （2）为提高钻孔支护效果，从低孔、顶板至转角60度，低孔深3.5m，孔径42mm。每排有3个封孔，钻孔1.5m，20.m，钻孔完成后，依次注浆，压力为1.1、1.1、1.1MPa。
        （3）深孔深5.0m，锚索垂直于顶板。钻孔在两个相邻排的低孔之间进行。每排有两个深孔，间距1.5m，间距2.0m，深孔压缩压力不小于2.0MPa，主要用于填充顶板的深裂缝。
        3.3.2.长锚索抛掷支架
        （1）最长锚索支腿主要由3根长7.0m、直径21.65mm的高压预应力锚索、1根4.2m工字钢梁和3.2m的JW钢带组成，由3个30mm的圆孔焊接在1.8m的钢头上。
        （2）首先在巷道顶板上施工三根锚索，间距1.8m，锚索张开长度0.3m，锚索长度不小于5.3m，抗拉强度不小于100kN。
        （3）第一排锚索施工完毕后，在其下安装U型钢梁，用钢块、锁进行预应力，相邻两锚索梁间距1.0m。与锚索相邻的下三个索区之间和钢带之间为1.2m，锚索和钢梁垂直定位。钢带建成后，钢梁和钢带进行预装配。
        4、结论
        （1）深部矿井破碎的软岩巷道，当侧压力系数变化时，顶底板及两侧的破坏程度和程度不同。侧压力系数大于1时，顶、底板的破坏程度较大；侧压力系数小于1时，两帮破坏范围较大；侧压力系数为1时，巷道两帮受到的应力比较均匀。
        （2）由于其埋深大、应力水平高、围岩强度低、支护方案不合理，围岩自稳性低，缺乏动态支护结构概念是造成围岩大变形的主要因素。
        （3）根据巷道围岩变形破坏机理，提出了“U型钢”加强支护方案。大量的模拟和外部监测表明，新的加强支护方案能够有效控制深部矿井破碎软岩巷道的变形。
        参考文献
        [1]牛双建，靖洪文，张忠宇等.深部软岩巷道围岩稳定控制技术研究及应用[J].煤炭学报，2011(6).
        [2]王襄禹，柏建彪，陈勇等.深井巷道围岩应力松弛效应与控制技术[J].煤炭学报，2010(7).
        [3]王其胜，李夕兵，李地元.深井软岩巷道围岩变形特征及支护参数的确定[J].煤炭学报，2008(4).
        [4]徐磊，桑普天，王凌燕.深部软岩巷道喷、棚、锚、注联合支护技术研究[J].中国煤炭，2011(11).
        [5]张璨，张农，许兴亮等.高地应力破碎软岩巷道强化控制技术研究[J].采矿与安全工程学报，2010(1).
        [6]肖同强，李怀珍，徐营等.深部构造应力区煤巷肩角锚杆破断机制及控制[J].岩土力学，2013(8).
        [7]贾后省，朱乾坤，赵希栋.深井巷道围岩分次控制原理与强力支护技术[J].煤炭科学技术，2015(10).