淮南矿区深部软岩巷道支护——袁亮

1 引言
1 引言
矿区现有9处生产矿井，2005年生产能力达3140万t/ 年，目前-1000m以浅有117.3亿吨， -1500m以浅共有 煤炭储量294.9亿吨，随着高定位技改工程完工和新 建矿井的逐步投产，2010年生产能力达8000万t/年， 2015年生产能力达到9000万t/年。
1 引言
大强化了锚杆的锚固性能。
4 工程示例
1）地质概况
该巷为新庄孜矿五二采区配风巷，南起Ⅶ线
南100m，北至五二采区石门，标高-612m，总
工程量约320m。
4 工程示例 施工范围内地质构造十分发育，处于断层群内，主要断裂构
造 为 I 序 次 的 F11-9 ～ F10-5 断 层 带 ， Ⅱ 序 次 的 Fa 、 F105(12)，、F10-5(11)、 F10-5(10)逆断层，及其附生断裂构 造，均为斜切正断层，地层断距为3.5～450m，发育状态不稳 定，控制程度低，因而巷道岩层破碎，应力集中，地层产状 变化大，对井巷工程破坏作用显著。
Ⅲ
2.50
35
1.0
0.3
10
0.3
Ⅳ
2.35
30
0.5
0.1
5
0.325
2
淮南矿区深部软岩巷道的地质力学特征
2）软化与吸水膨胀性强 淮南矿区有些巷道长期处于高速变形，修复周期只 有数月，主要原因是发生大流变破坏。淮南矿区不同 矿井的软化临界深度范围600～750m，多数处于过渡 阶段，巷道层位选择不合理通常导致巷道维护失败。 X衍射矿物分析结果：泥岩中含92.3％的高岭石， 7.7%的伊利石和蒙脱石，属弱膨胀性岩石。岩石浸水 后，其强度大大降低。
淮南矿区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900～1000米深度延伸，支护难度日益 增大。某些巷道采用架棚和砌碹支护，三个月就被压坏；有 的巷道采用29U型钢支护，代价高而效果亦不理想。由于矿区 地质条件复杂，断层构造多，水平向地应力大，软岩遇水膨 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，巷道穿越煤层时地压显现就 更突出。随着开采深度的加大，地压显现严重。近几年有些 巷道采用锚注（注浆锚杆）支护，有一定效果，但也存在注 浆参数选择和漏浆封堵，遇泥岩注不进浆等工艺方面的困难。
2 淮南矿区深部软岩巷道的地质力学特征
(3)塑性变形大，具有明显的流变性质，很容易产生 松散地压； 由于围岩应力大，强度低，塑性变形量非常可观， 长时间不能完成塑性变形。由于维护不当，巷道周 边位移在无约束或低约束状态下任意增大，变形地 压转化为松散地压。 (4)具有明显的时间效应； 巷道围岩位移随时间变化的趋势是初期迅速增长， 随后位移增加变缓，到一定阶段趋向稳定，但通常 稳定后的收敛速度仍达到毫米级，难以满足长期维 护的要求。
３淮南矿区深部岩巷主动加固新技术
MQS90J2型风扳机，可提供600Nm以上的扭矩，预应力100KN以上
３淮南矿区深部岩巷主动加固新技术
2) 超高强锚杆杆体材料与制作技术 随着锚杆预应力和最大设计锚固力的提高，锚杆杆体材料的强度 也要相应提高，这就要求深部岩巷支护必须采用超高强锚杆。考 虑到满足围岩支护要求的锚杆长度在2～2.5m的实际情况及现场凿 岩效率的需要，凿岩机钻头直径以28mm为宜，钻头直径过大会降
2 淮南矿区深部软岩巷道的地质力学特征 影响软岩巷道稳定的主要因素 （1)岩性因素:岩体本身的强度、结构、胶结程度及胶结物的 性能，膨胀性矿物的含量等影响软岩巷道变形的内在
因素。
（2)工程应力的影响:它是造成围岩变形的外在因素，具体涉 及垂自应力、构造应力、残余应力、工程环境和施工 的扰动应力，及邻近巷道施工、采动影响等，特别是 在多种应力相互迭加的情况影响更大。
2 淮南矿区深部软岩巷道的地质力学特征
测试结果均表明：①测孔区最大水平主应力量值 为17.6～27.81MPa，属高应力水平。最大水平主 应力方位角为311.7°～334.7°。②地应力测孔 区侧压系数均大于1，即水平应力大于铅直应力， 说明该测试区的应力场是以水平向应力为主，因 而，构造应力是影响该区域地应力及巷道稳定的 主要因素。
2 淮南矿区深部软岩巷道的地质力学特征
2．3 淮南矿区软岩巷道的变形形态
由于巷道围岩赋存特性、应力和开采环境不同，其变形 形态也不一样。矿区深井软岩巷道表现出如下深部特征工 程现象： (1)来压快、强度大、持续时间长； (2) 压力分布不均匀； 地压分布与岩性和岩层结构及矿物组成、岩层产状及空 间几何位置、岩石力学性质、工程因素等有关。同一测量 断面不同位置的支架载荷值相差可达10倍以上。层状软岩 采准巷道这种现象十分突出，常见由于偏心受压或集中载 荷作用支架变形折损。
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淮南矿区深部软岩巷道的地质力学特征
2．1淮南矿区深部软岩的基本力学属性 1）岩层强度低 矿区岩巷工程所遇到的岩层主要是泥质页岩、泥岩、 泥质胶结的粉砂岩等，其单向抗压强度一般小于 30MPa，有的只有几个兆帕。有些岩层虽然岩块强度 较高，但由于构造等因素的影响，节理裂隙发育，岩 层呈破碎状，岩体强度也很低。
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（2）改善围岩表面应力状态。注浆压力消散后在喷层与 围岩表面之间仍存在一定的残余应力，在锚喷支护的基 础上进一步增加了作用于围岩表面的分布面力，能更加
有效的改善围岩的受力状态，提高围岩强度，维护围岩
的稳定。此外，通过对锚杆孔及周围裂隙岩体的注浆加
固，使端锚型或半长粘结型锚杆转变为全长锚固型，大
本次施工范围内水文地质情况复杂，主要为砂岩水、构造裂
隙水。涌水量预计为1.5～4.5m3/h，大致为静储量，并相对 稳定。但存在补给水源，预计会长期出水
制专用的底锚杆施工机具。到目前为止，虽然进行了多种尝试，但还 没有研制出十分理想的机具。在这种情况下，为了进行巷道底板的支
护，只能借助于现有的施工机具进行工艺上的改进。通过加大风压和
水压，并对施工人员进行专门的培训后，利用现有的风锤或煤电钻， 也可在底板上打出1.5～2.0m深的钻孔，而且效率也不低，完成每个底
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淮南矿区深部软岩巷道的地质力学特征
3）具有显著的流变特征
已掘进的深部软岩巷道长期处于较大的变形速度 下，维修周期很短，帮底的过度修复常常导致支 护结构的破坏，进一步加剧变形。
2 淮南矿区深部软岩巷道的地质力学特征
2．2 淮南矿区深部软岩巷道的地应力特征
淮南矿区采用全过程套孔应力解除法，选择4个典型深 部矿井开展了深部地应力场测试。通常在一个钻孔中 进行测试，获得多个测点有效资料，再根据所测试得 到的应变值和室内试验所测定的弹性模量、泊松比计 算出测试部位的应力状态。
低凿岩效率和钻进速度，过小则会使锚杆直径相应变小，无法确
保锚杆对于维护围岩稳定所必须的强度。同时，为了确保树脂锚 固剂的粘结强度，锚杆杆体、树脂锚固剂和锚杆孔三者必须做到 直径匹配。
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目前市场上的φ 22Ⅳ和V级建筑螺纹钢杆体材料的屈 服 强 度 为 540 ～ ６ 50MPa ， 能 够 承 受 的 屈 服 荷 载 为 205～240kN，比Ⅱ级螺纹钢锚杆高８0%，比Q235普通 锚杆材料高3～4倍，而且价格低廉，每吨钢材仅比Ⅱ 级螺纹钢高１00～３00元人民币，这就为深部岩巷采 用高强，甚至超高强锚杆提供了便利条件。
３淮南矿区深部岩巷主动加固新技术
３淮南矿区深部岩巷主动加固新技术
高强预应力锚杆
+
合适的锚杆布置
最佳的锚固效果
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近五年来淮南矿区深部岩巷的支护研究与实践表 明，对埋深800～900米、水平应力20～25MPa、 垂直应力15～20MPa、横断面宽度为4～5米的直 墙半园拱形巷道，设计最大锚固力一般都在 200～250kN左右，预应力应达到100～120kN。如 此高的预应力必然要求施工机具有足够的扭矩， 一 般 在 扭 紧 螺 母 时 相 应 的 扭 矩 应 达 到 500 ～ 800N.m。
2 淮南矿区深部软岩巷道的地质力学特征
（3）应力扰动、围岩长时强度降低、采动影响 等导致围岩稳定性降低，围岩进一步加速变形 阶段。超过临界深度，支护的难度就明显增大， 且软岩巷道变形在不同的应力作用下，有明显 的方向性。软岩的失水和吸水均可造成软岩发 生膨胀变形破坏或泥化破坏。
３淮南矿区深部岩巷主动加固新技术
2 淮南矿区深部软岩巷道的地质力学特征
（3)水的影响:包括地下水及工程用水，尤其 是对膨胀岩，水对其变形的影响极大，水不 仅造成粘土质岩的膨胀，同时还大大的降低
了岩石的强度。
（4）时间因素:流变是软岩的特性之一，巷道
的变形与时间密切相关。
2 淮南矿区深部软岩巷道的地质力学特征 • 2．４深井软岩巷道的阶段性变形特征 • （1）掘巷之初的剧烈变形和应力调整阶段，随巷道围 岩裂隙的发育，变形速度快速衰减，同时围岩变形量 增长很快。初期来压快，变形量大，软岩巷道自稳能 力很差，如不加控制很快就会发生岩块冒落、巷道破 坏。但如果用不适应软岩大变形特点的刚性架，也将 很快被压坏。 • （2）二次应力场初步形成，破裂范围趋向稳定的稳定 变形阶段，围岩变形速度基本保持一致，位移量表现 为缓慢增长。多为非对称环向受压，且巷道开挖后不 仅顶板变形易冒落，底板也将产生强烈底臌，如巷道 支护对底板不加控制，往往出现强烈底臌并引发两帮 破坏、顶坍落。
深部巷道支护的失败。
３淮南矿区深部岩巷主动加固新技术
1)锚杆高预应力施加技术 给锚杆施加高预应力是恢复和改善围岩应力状态的有效
途径。锚杆高预应力施加技术中，预应力量值的控制是
技术的关键，预应力施加机具是该技术实现的根本途径。
要使围岩应力状态得到有效的恢复和改善，锚杆预应力
必须达到足够的量值。
３淮南矿区深部岩巷主动加固新技术
淮南矿区深部岩巷主动加固新技术
将高强预应力锚杆及时支护和围岩开挖扰动区滞后 注浆加固相结合是目前深部岩巷围岩稳定控制的有
效途径，由四项关键技术构成：１）锚杆高预应力
施加技术 ２）超高锚杆强杆体材料与制作工艺 ４）围岩开挖扰动 ３）巷道底部锚杆眼成孔技术
区滞后注浆工艺。这四项技术是一个有机的整体， 缺一不可，任何一个环节把握不当，都有可能造成
３淮南矿区深部岩巷主动加固新技术
3)底锚杆眼成孔工艺技术
高强预应力锚杆仍是高效经济的底板支护措施。但要在巷道底板进行
锚杆支护，首先必须解决在巷道底板上打锚杆孔的技术难题。和在两 帮和顶拱上打眼相比，在底板上打眼岩粉难以排除，达到一定深度后
由于岩粉积聚在孔内产生较大的阻力，钻进难以继续。因此，必须研
板孔施工仅需3～4分钟。
３淮南矿区深部岩巷主动加固新技术 4)滞后注浆技术 滞后注浆加固的作用机理体现在两方面：（1）对围岩裂 隙的固结增强作用。注浆后，围岩裂隙得到粘结，提高了
围岩的完整性，使得裂隙的抗剪强度和刚度大大提高，表
现为围岩的整体抗拉剪强度（包括内聚力和内摩擦角）大 大提高；浆液充填到裂隙中固结后形成新的网络骨架结构， 使得裂隙岩体的变形模量明显提高；裂隙充填后，其端部 应力集中大大削弱甚至消失，改变原来的裂隙扩展破坏机 制，遏制了围岩的流变变形。
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淮南矿区深部软岩巷道的地质力学特征
表1 淮南矿区深部岩巷围岩体物理力学参数测定值
围岩 类别 密度ρ （g/cm3） 内摩擦角 Φ（°） 粘结力 C（MPa） 抗拉强度 σt（MPa） 弹性模量 E（GPa） 泊松比 υ
Ⅰ
2.65
45
2.0
0.7
20
0.225
Ⅱ
2.60
40
1.5
0.5
15
0.25
淮南矿区深部软岩巷道支护
技术研究与实践
淮南矿业集团公司总工程师 袁亮
淮南矿区深部软岩巷道支护技术研究与实践
主要内容
1 引言 2 淮南矿区深部软岩巷道的地质力学特征 3 淮南矿区深部岩巷主动加固新技术 4 工程示例 5 小结
1 引言
淮南煤田位于华北板块南缘，东起郯庐断裂，西至 麻城阜阳断层，北接蚌埠隆起，南以老人仓-寿县断 层与合肥中生代坳陷相邻。淮南煤田的构造运动主要 发生在印支、燕山期。构造形式为近东西向的盆地， 盆地南北两侧对冲形成叠瓦状的推覆构造，盆地内部 则为较宽缓的呈北西西向的向斜构造。在南北向的推 挤作用下，构成了两翼对冲推覆构造格局。推覆体构 成迭瓦扇、断夹块，致使地层直立倒转，次级褶皱发 育与密集。