关键词: 深部; 高地应力; 支护; 预应力; 锚杆
0引言
淮南矿区是国家大型优质煤炭生产基地之一,随着高定位技改工程完工和新建矿井的逐步投产,2005年生产能力达 3 140万 t/a, 2010年生产能力将达 8 000万 t/a, 2015年生产能力将达到 9 000万t/a。目前大多数矿井都已开拓延伸到了地下 800m左右的深度, 有的矿井正在向 900~ 1 000m 深度延伸, 矿区地质条件复杂, 断层构造多, 水平向地应力大, 软岩遇水会膨胀, 深部岩层裂隙发育。围岩刚开挖出来时较为坚硬, 不久即风化变软。不少岩层富含水, 个别钻孔涌水量可达 7~8 m3/时。巷道穿越煤层时地压显现就更突出。随着开采深度的加大,地压显现更为严重, 支护难度日益增大。某些巷道采用架棚和砌碹支护, 三个月就压坏了; 有的巷道采用 29U 型钢支护, 代价高而效果亦不理想。近几年有些巷道采用锚注 (注浆锚杆 )支护, 效果较好, 但也存在许多问题。比如如何选择注浆参数,漏浆封堵,遇泥岩注不进浆等问题, 以上问题在淮南矿区具有典型性和代表性。
1 深部的地压基本特征
深部岩石处于高围压、高温度和高孔隙压力的环境, 因此, 岩石的力学行为与浅部岩石的力学行为有很大的不同。
(1)岩石强度特征。岩石的强度随深度的增加而有所提高。对于强度高、厚度大的坚硬顶板砂岩,更容易发生岩爆。
(2)岩石变形特征。岩石的脆性 - 延性转化性质, 岩石在浅部表现为脆性, 在深部则很可能转化为延性, 岩石的剪涨或扩容现象不明显。
(3)岩石破坏特征。随着开采深度的增加, 岩石的力学特性由浅部的脆性破坏转变为深部的塑性流变破坏。
(4)随深度增加, 渗透压增加。随深度增加, 岩体的围压加大, 则岩体的渗透性表现出明显的区别。当煤层处于封闭状况时 (即未对煤层进行开采 ), 煤层中瓦斯含量随深度的增加而增大。
2 淮南矿区深部岩巷支护现状
目前淮南矿区大部分矿井在 - 720~ - 812 m水平均处于开拓延伸阶段, 主要是井底车场及其附近的石门巷道施工阶段。从支护的形式上来看, 深部岩巷的一次支护主要采用锚杆 + 喷射混凝土支护和 U型钢支架支护, 当巷道出现变形过大以致严重破坏时, 采用外套 U型钢支架 + 壁后注浆修复或壁后注浆修复 + 补打锚杆 (锚索 )修复。深部岩巷变形破裂的最主要形式是两帮或某一帮收敛变形过大导致喷射混凝土衬砌破裂或 U型钢支架严重弯曲甚至扭曲变形, 某些地段也出现了顶底板收敛变形过大, 甚至顶底板和两帮收敛变形均过大的情况, 紧挨衬砌 300~ 500 mm 厚范围内的岩体因变形过大、节理裂隙严重扩展发育导致碎裂。
在各矿观察到的一个普遍现象是: 在喷射混凝土衬砌出现了严重收敛变形而破裂的部位, 喷层与锚杆尾部垫板脱离 (喷层外突, 锚杆垫板内陷 ), 说明尽管巷道围岩和衬砌出现了大变形, 但锚固剂的粘结作用并未失效, 锚杆与深层岩体之间仍然连为一体。在各矿观察到的另一个普遍现象是所有巷道均出现了不同程度的底鼓, 有的矿底鼓非常严重。上面提到的几种巷道围岩和衬砌严重变形破裂的情形在各矿均有不同程度发生, 其中最为严重的是新庄孜矿。由于受围岩和衬砌严重变形破裂的困扰, 该矿 - 812m 水平在过去 10年里仅掘进了约 1 000m 巷道; 每条巷道支护后 1个月就需翻修, 每隔 1~ 2个月需重复翻修 1次, 一年中需翻修多次。
此外, 各矿岩巷光面爆破均不够理想, 巷道成形不够规则, 岩面凹凸不平; 绝大部分 ( 70% 以上 )锚杆的锚尾垫板均未能与岩面紧密接触, 因而锚杆对围岩的支护作用主要靠粘结段锚固剂与岩体的粘结和摩擦来提供, 所以对围岩实际的加固作用远远达不到应有的效果, 几乎没能起到调整围岩受力状态的作用。因而, 绝大部分巷道在深部高地应力作用下均出现了不同程度的变形破坏; 支护体强度低, 锚杆预应力小和杆体强度低是造成支护体强度低的主
要原因。在锚杆承载能力及预应力普遍非常小的情况下, 锚杆支护对于巷道周边应力场的影响很小, 基本上可以忽略不计。这是因为巷道开挖出的一瞬间, 巷道围岩的弹性变形已基本完成, 对于脆性特征明显的深部岩体会出现开裂、离层、滑动、裂纹扩展和松动等现象, 使巷道表面围岩强度大大弱化。如果刚开挖出的巷道安装了未施加预应力的锚杆, 由于锚杆极限变形量远大于围岩的极限变形量, 这样锚杆不能阻止围岩的开裂、滑动和弱化。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆只有当巷
道围岩变形达到相当的程度, 锚杆才起到阻止裂纹扩展的作用, 但这时巷道围岩几乎丧失了抗拉和抗剪的能力, 巷道围岩已经失稳甚至破坏, 巷道围岩和锚杆不同步承载。
从各矿深部岩巷支护现状调查的情况来看, 各矿深部开拓延伸巷道揭露出来的岩性以砂岩 (多半为细粒和中粒砂岩, 少数为粗粒砂岩 )、砂质泥岩、砂质页岩为主。巷道刚开挖出来时围岩完整性较好, 强度较高; 除表面松动层外, 注浆很困难。围岩节理裂隙的扩展主要发生在巷道开挖后, 由于支护方式不当, 围岩内的节理裂隙由表及里逐步扩展, 导致岩体碎裂。
3 深部岩巷支护原存在问题
(1)支护体强度不够。锚杆预应力小和杆体强度低是造成支护体强度低的主要原因。因为巷道开挖出的一瞬间, 巷道围岩的弹性变形已基本完成, 对于脆性特征明显的深部岩体会出现开裂、离层、滑动、裂纹扩展和松动等现象, 使巷道表面围岩强度大大弱化。如果刚开挖出的巷道安装了未施加预应力的锚杆, 由于锚杆极限变形量远大于围岩的极限变形量, 这样锚杆不能阻止围岩的开裂、滑动和弱化。只有当巷道围岩变形达到相当的程度, 锚杆才起到
阻止裂纹扩展的作用, 但这时巷道围岩几乎丧失了抗拉和抗剪的能力, 巷道围岩已经失稳甚至破坏, 巷道围岩和锚杆不同步承载。
(2)锚杆预应力低。受现有的施工机具的影响, 锚杆施工无预应力或预应力很小。澳机和现有的锚杆钻机普遍扭矩较小只有 120 N# m, 只能提供2 t左右的预应力, 无法对锚杆施加更大的预应力,采用人工预紧的方式, 工人的劳动强度高, 又无明显的检验施工质量的装置, 锚杆无预应力或预应力很小, 起不到锚杆主动支护的作用, 后期锚杆拉力发展速度慢, 大部分锚杆受力不足 4 , t 不能及时有效的改善巷道围岩的应力状态, 控制巷道变形, 不利于巷道围岩的稳定。
(3)光爆成型差。巷道掘进过程中光爆参数不能根据岩性进行调整, 造成光爆成型差, 给巷道锚喷网支护带来诸多不便, 使托板不能紧贴岩面, 锚杆支护难以及时对巷道围岩施加预应力。
(4)支护结构不合理, 原有的支护形式单一。无论巷道围岩环境如何变化, 支护体均采用单一的支护形式。巷道底板几乎不做任何处理, 处于开挖后的自然状态。
(5)巷道难以维护。尽管采用了各种支护形式, 并且反复翻修, 都难以维持围岩的稳定。究其原因是锚杆没能发挥应有的加固和支护作用; U型钢支架没能有效地改善围岩的应力状态, 同时提供的被动支护力不足以抵抗围岩内的高应力; 注浆加固虽然起到了一定的加固围岩的效果, 但由于目前使用的水泥浆液与围岩的粘结力太弱, 围岩的整体强度提高得还不够, 还难以抵御围岩内的高应力。
4 淮南矿区深部岩巷支护对策
深部岩巷支护的着眼点一是应放在加固围岩,提高其整体强度上, 二是要放在改善围岩应力状态上, 尽可能增大巷道围岩的最小主应力, 使最大与最小主应力差值尽可能减小。综上所述, 结合国内已有的类似岩巷支护的成功经验, 根据现有的技术, 以锚杆支护为主, 配合其它辅助手段, 解决本矿区深部 (埋深 800~ 1 000 m)岩巷的长期稳定 (维持 3年基本不翻修 )问题是完全可以实现的。
(1)采用高预应力超高强锚杆配合锚索及滞后补强注浆, 主动及时有效的控制围岩变形, 实现围岩结构的稳定。
(2)在锚喷支护体中, 实现及时高效的支护, 应给锚杆施加较高的预应力, 控制围岩的初始变形, 随着巷道围岩的变形, 锚杆后期强度增长快, 锚杆所受的应力也很高, 这就要求锚杆杆体必须具有很高的强度。
(3)深部水平 ( - 600 m 以下 )临界深度以下应采用更高强度等级的锚杆支护, 由现在的 ò级螺纹钢上升到 ?级螺纹钢, 整体破断强度由 18 t提高到32 , t 为了及时支护围岩, 锚杆的预应力从目前的 2 t提高到 6 t以上。采用超高强和高预应力的锚杆进行巷道支护, 及时有效的支护对改善巷道围岩应力状态非常重要。根据巷道变形情况, 同时采用锚索进行补强加固。因锚杆和锚索的延伸率不同, 不能同时施工, 锚索施工应滞后锚杆一定距离, 在锚杆支护体后进行锚索的补强加固, 使锚杆和锚索能够同步承载。
( 4)在对巷道松动圈测试后确定围岩注浆加固的时机和强度, 以提高巷道围岩强度, 改善巷道围岩结构。
(5) 根据巷道围岩环境变化情况,采用多种支护形式和特色支护技术支护巷道。
参考文献:
112张农,袁亮.离层破碎型煤巷顶板的控制原理1J2.采矿与安全工程学报, 2006, 23(1): 34- 38.
122袁亮.深井巷道围岩控制理论及淮南矿区工程实践1M2. 北京: 煤炭工业出版社,2006.
132袁亮.淮南矿区煤巷稳定性分类及工程对策1J2.岩石力学与工程学报, 2004, 23( z2): 4790- 4794.
作者简介：杜立树（1980-），男，汉族，安徽淮北人，工程师、本科学历，现在淮南矿业集团平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司从事采矿安全技术及工程方面的研究工作。
论文作者:杜立树
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第20期
论文发表时间:2020/4/28
标签：围岩论文; 巷道论文; 锚杆论文; 预应力论文; 深部论文; 淮南论文; 强度论文; 《科学与技术》2019年第20期论文;