深井軟巖巷道鋼管混凝土支架支護研究新進展

1、深井軟巖巷道深井軟巖巷道鋼管混凝土支架支護研究新進展鋼管混凝土支架支護研究新進展 高高 延延 法法u深井、軟巖巷道支護，依然是煤礦生產(chǎn)中的技術難題；u我國現(xiàn)有約我國現(xiàn)有約50%50%的探明煤炭儲量埋深大于的探明煤炭儲量埋深大于1000m1000m；u我國煤礦采深正以8-12m/年的速度增加；u國內(nèi)采深達到國內(nèi)采深達到1000m1000m的礦井已經(jīng)有的礦井已經(jīng)有5050多處，其中：多處，其中： 山東新汶5處，淄博5處，肥城臨沂棗莊等11處； 東北龍煤雞西等5處； 河北開灤與冀中能源4處； 江蘇徐州與大屯7處； 河南平頂山4處； 安徽淮北淮南等6處。序序 言言國外煤礦深井開采狀況u德國 ： 最大開

2、采深度達到1500m；u俄羅斯：頓巴斯礦區(qū)已有30多個礦井采深大于1350m；u波蘭： 開采深度已達1200m；u英國： 開采深度曾達到1100m；我國典型的軟巖礦井u山東龍口、新汶、濟寧等礦區(qū)；u內(nèi)蒙古平莊、錫林浩特、鄂爾多斯上海廟等；u遼寧沈陽；吉林舒蘭、遼源、梅河；黑龍江鶴崗等；u安徽淮南、淮北、皖北等；u河南義馬、鄭州煤電、平頂山等u青海大通，貴州六盤水，甘肅平?jīng)龅蠕摴芑炷林Ъ苁且环N高強度支架鋼管混凝土支架是一種高強度支架n單個支架的承載能力可達200多噸，是U型鋼支架的34倍。n由空鋼管支架，在井下灌注混凝土而成。n鋼管混凝土支架一般采用閉合式結構，能有效抑制巷道底鼓。n為深井、軟

3、巖巷道支護提供了全新的支架類型。現(xiàn)已應用到20多家礦井。1.1 鋼管混凝土支架整體結構鋼管混凝土支架整體結構 一般由四節(jié)構成，地面分節(jié)彎管，井下組裝成支架；一般由四節(jié)構成，地面分節(jié)彎管，井下組裝成支架；支架每節(jié)之間連接方式：套管連接。支架每節(jié)之間連接方式：套管連接。 接頭套管19412mm400擋 環(huán)19412mm大斷面R1530小斷面R1130301.2 井下混凝土灌注井下混凝土灌注用混凝土輸送泵，每班能灌注用混凝土輸送泵，每班能灌注15-20架架鋼管混凝土支架套管168819410頂管托板灌注孔排氣孔混凝土輸送泵攪拌桶1.3 支架斷面形狀支架斷面形狀圓形圓形淺底拱淺底拱 - 圓形圓形 馬蹄

4、形馬蹄形 ROR1R2OR1R2O1O3R3R4500R2350R4800橢圓形橢圓形1.4 鋼管混凝土支架，已推廣應用鋼管混凝土支架，已推廣應用 2 0 多座礦井多座礦井n開灤錢家營礦： 2008年八采區(qū)軌道下山；n鶴崗南山、益新： 2009年鶴崗南山礦；n新汶華豐礦： 埋深1230m，大巷、回風聯(lián)絡巷、變電所水泵房；n平朔井工三礦： 煤層沖刷帶軟巖巷道中；n峰峰大淑村礦： 大巷的煤柱高應力帶；n錫盟查干淖爾： 主斜井，井底車場，巷道交岔點；n沈陽清水礦； 深井軟巖巷道；n鶴壁三礦： 變電所水泵房；n長治三元荊寶礦： 集中下山；n淮北礦業(yè)集團： 軟巖大變形巷道；n山東沂源魯村礦：井底車場；n

5、內(nèi)蒙榆樹井礦： 采區(qū)變電所； 邢臺邢東礦，神華寧煤清水營礦，龍口北皂礦，淮南國投新集口孜東礦，甘肅平?jīng)鲂掳驳V，內(nèi)蒙上海廟長城礦，通化八寶礦，等1 開灤錢家營礦下山巷道開灤錢家營礦下山巷道2 鶴崗南山礦集中運輸巷鶴崗南山礦集中運輸巷 3 峰峰大淑村礦大巷峰峰大淑村礦大巷4 4 內(nèi)蒙錫林郭勒盟查干淖爾礦主斜井內(nèi)蒙錫林郭勒盟查干淖爾礦主斜井6 鶴壁三礦泵房變電所鶴壁三礦泵房變電所7 邢臺邢東煤礦皮帶下山邢臺邢東煤礦皮帶下山埋深埋深1000-1200m 8 邢臺邢東煤礦二水平車場邢臺邢東煤礦二水平車場 9 甘肅平?jīng)龈拭C平?jīng)?新安煤礦新安煤礦10 10 寧煤清水營礦寧煤清水營礦 +786+786臨時水倉

6、與機修硐室臨時水倉與機修硐室11 龍口龍口 北皂煤礦北皂煤礦 工作面聯(lián)絡巷工作面聯(lián)絡巷12 新汶內(nèi)蒙上海廟公司新汶內(nèi)蒙上海廟公司 長城煤礦長城煤礦 13 13 新汶華豐煤礦新汶華豐煤礦 -1100-1100水平大巷水平大巷 14 新汶華豐煤礦新汶華豐煤礦 -1100-1100水平水泵房水平水泵房15 15 新汶華豐煤礦新汶華豐煤礦 -1100-1100水平水泵房水平水泵房16 16 新汶華豐煤礦新汶華豐煤礦 -1100-1100水平變電所水平變電所2.1 鋼管混凝土支架鋼管混凝土支架-承載能力實驗承載能力實驗u 鋼管鋼管1948mm，36.7Kg/m；u 鋼管混凝土支架鋼管混凝土支架-直墻半圓

7、拱形；直墻半圓拱形；u 支架極限承載力：支架極限承載力：2107KN 。圓形支架圓形支架 淺底拱圓形支架淺底拱圓形支架 直墻半圓拱支架直墻半圓拱支架鋼管混凝土抗壓能力原理圖鋼管混凝土抗壓能力原理圖2.2 鋼管混凝土短柱鋼管混凝土短柱-軸向壓縮實驗軸向壓縮實驗u 鋼管鋼管1688mmu 強度極限強度極限2000KNu 軸向壓縮塑性變形軸向壓縮塑性變形20%u 變形形態(tài)：側邊鼓包變形形態(tài)：側邊鼓包2.3 支架注漿孔支架注漿孔-強度實驗強度實驗2.4 鋼管混凝土支架鋼管混凝土支架-抗彎能力實驗抗彎能力實驗弧形金屬支架弧形金屬支架（重量相同）極限載荷極限載荷（噸）工字鋼試件15.0 U36型鋼試件48

8、.0 空鋼管試件70.7 鋼管混凝土試件鋼管混凝土試件114.5 加強圓鋼鋼管混凝土試件加強圓鋼鋼管混凝土試件133.0 加強翼板鋼管混凝土試件加強翼板鋼管混凝土試件136.0 中中性性層層偏偏移移實實驗驗三三 深井軟巖巷道支護理論深井軟巖巷道支護理論 （1）高強度支護）高強度支護 軟弱破碎巷道，圍巖自承載能力弱，高強度支護是根本措施。 （2）巷道斷面優(yōu)化）巷道斷面優(yōu)化 應該根據(jù)區(qū)域地應力的分布特征，優(yōu)化巷道斷面形狀，可降低支護難度。 （3）圍巖封閉）圍巖封閉 及時噴層封閉圍巖，避免圍巖風化與吸水膨脹。 全斷面封閉支護可控制底鼓。 （4）復合支護）復合支護 深井、軟巖和破碎圍巖巷道，往往需要采

9、用復合支護方案。 （5）適度讓壓）適度讓壓 適度讓壓使圍巖盡可能地釋放變形能，能能夠降低支護難度。 （6）提高圍巖的自承能力）提高圍巖的自承能力 對圍巖予以補強，提高圍巖的整體強度，發(fā)揮圍巖的自身承載力，防止圍巖塑性區(qū)域的擴大，能取得事半功倍的支護效果。 深井軟巖巷道載荷大于圍巖強度，必須提高圍巖的承載能力； 以鋼管混凝土支架支護、錨噴等技術為基礎的支護技術，能使圍巖形成一個“承壓環(huán)承壓環(huán)”，由承壓環(huán)控制其外部圍巖的穩(wěn)定性；圍巖鋼管混凝土支架噴層錨桿承壓環(huán)圍巖承壓環(huán)錨桿鋼管混凝土支架噴層 承壓環(huán)力學模型承壓環(huán)力學模型n錨桿：施加一對自平衡的法向力一對自平衡的法向力，強化承壓環(huán)的承載能力n支架：

10、施加一個法向壓力一個法向壓力，強化承壓環(huán)的承載能力n注漿：是通過提高圍巖強度提高圍巖強度，強化承壓環(huán)的承載能力，事半功倍n鋼管混凝土支架：支撐力強大，能提供強大的徑向支護力n對于極軟弱圍巖，需要重新構造“承壓環(huán)承壓環(huán)” ；n“承壓環(huán)承壓環(huán)”是封閉支護，能夠有效控制底鼓。n“承壓環(huán)承壓環(huán)”強化強化，往往需要復合支護；F1F2F1F1F1F1F1F1F1F1F1F1F2F2F2F2F2F2F2F2F2F2F2r承 壓 環(huán)鋼管混凝土支架支護反力u徑向支護力每增加1 MPa，圍巖承載能力 能提高2-3 MPa；u極軟弱巷道、載荷-強度比大于1的深井巷道，特別是開拓巷道， 巷道圍巖變形范圍很大，錨索作用

11、之外的圍巖都向巷道方向擠壓， 單純錨桿、錨索支護效果有限；需要高強度支架和鋼筋混凝土碹體圍圍巖巖鋼鋼管管混混凝凝土土支支架架3=1.0MPa1=23 MPa鋼鋼管管混混凝凝土土支支架架支支護護力力3=1.0MPa圍圍巖巖強強度度提提高高承承壓壓環(huán)環(huán) 3.3 徑向支護力的作用徑向支護力的作用圍圍巖巖U U型型鋼鋼支支架架3=0.4MPaU U型型鋼鋼支支架架支支護護力力3=0.4MPa圍圍巖巖強強度度提提高高承承壓壓環(huán)環(huán)1=0.81.2 MPa四四 深井軟巖巷道支護設計方法深井軟巖巷道支護設計方法 深井軟巖巷道支護設計的方法深井軟巖巷道支護設計的方法1、深井軟巖巷道支護設計的、深井軟巖巷道支護設

12、計的五項依據(jù)五項依據(jù) 遠場地壓：遠場地壓：巷道埋深，水平地應力，采掘擾動壓力； 巖石強度：巖石強度： 巖石單軸抗壓強度，圍巖結構完整性； 巖石水理性質：巖石水理性質：粘土礦物含量，吸水軟化性，吸水膨脹性，原始含水率； 巷道變形特征巷道變形特征：兩邦-頂?shù)装遄冃未笮。冃嗡俾?，巷道破壞形態(tài)； 圍巖荷載圍巖荷載P：巷道穩(wěn)定狀態(tài)下，圍巖作用在支護體上的荷載P評估。2、深井軟巖巷道應劃分為、深井軟巖巷道應劃分為三種類型：中硬、軟弱、極軟弱三種類型：中硬、軟弱、極軟弱3、深井軟巖巷道支護設計的、深井軟巖巷道支護設計的四大要素四大要素 支護技術支護技術：錨索錨桿、圍巖注漿、鋼管混凝土支架、碹體等；支護參數(shù)

13、； 斷面形狀斷面形狀：圓形，淺底拱圓形，橢圓形； 讓壓方式讓壓方式：巷道周邊預留讓壓縫，支護體讓壓，讓壓新技術； 支護力支護力N ：明確“承壓環(huán)”支護體的支護力 N ；N 應大于圍巖荷載 P。4.1、軟巖巷道支護設計的五項依據(jù)、軟巖巷道支護設計的五項依據(jù) 遠場地壓：遠場地壓：巷道埋深，水平地應力，采掘擾動壓力；u 垂向地應力：巷道埋深成正比；u 水平地應力：即構造地應力；6543213m大于12m可以井下實測，如使用：空心包體應力計。u采掘擾動壓力：某礦巷道深度450m，巖石強度1035MPa，原大巷穩(wěn)定， 后平行大巷相距20m再掘繞道時，大巷擾動變形破壞， 大巷破壞位置，與繞道掘進頭對應關系

14、十分清晰。 后來大巷返修，又引起繞道的擾動變形破壞。 當圍巖應力狀態(tài)接近巖石強度極限時，擾動會引發(fā)巖體的較大變形。 擾動載荷是震動波，震源：掘進放炮震動、采場覆巖斷裂震動。大巷繞道暗斜井 巖石水理性質：巖石水理性質：粘土礦物含量，吸水軟化性，膨脹性，含水率 巖石強度：巖石強度： 巖石單軸抗壓強度，圍巖結構完整性。n不少深井的井底車場，因為在軟巖層位，導致巷道穩(wěn)定性較差；n大巷、上下山等開拓與準備巷道，選擇較堅硬的巖層層位，事半功倍； 巷道變形特征巷道變形特征：兩邦-頂?shù)装遄冃未笮?，變形速率，破壞形態(tài) 巷道變形特征底鼓為主或兩邦收斂為主； 變形速率越大，則圍巖荷載就越大； 圍巖荷載圍巖荷載P：巷

15、道穩(wěn)定狀態(tài)下，圍巖作用在支護體上的荷載 P理論預計數(shù)值模擬經(jīng)驗類比現(xiàn)場實測，積累成果，統(tǒng)計回歸壓力盒 深井中硬圍巖：深井中硬圍巖： 巖石強度30-50MPa，吸水軟化， 載荷-強度比小于0.5； 軟弱巖層：軟弱巖層： 巖石強度10-30MPa，吸水碎裂崩解，載荷-強度比0.5-1.0； 極軟弱巖層；軟弱巖層； 巖石強度小于10MPa，吸水泥化， 載荷-強度比大于1.0；4.2 深井軟巖巷道應劃分為三種類型深井軟巖巷道應劃分為三種類型 y(MPa)1000米深井，P=22MPa2244yyy4422xy(MPa)支護技術支護技術：錨索錨桿、圍巖注漿、金屬支架、混凝土碹體等錨索錨桿、圍巖注漿、金屬

16、支架、混凝土碹體等中硬巖層：盡可能使用錨桿、錨索支護，在圍巖中形成“承壓環(huán)”；4.3 深井軟巖巷道支護設計的四大要素深井軟巖巷道支護設計的四大要素圍巖噴層錨桿承壓環(huán)在巷道圍巖構造承壓環(huán)：錨噴圍巖鋼管混凝土支架噴層錨桿承壓環(huán)在巷道圍巖與巷道內(nèi)共同構造承壓環(huán)：錨噴+支架混凝土碹體錨桿在巷道開挖空間內(nèi)，重構承壓環(huán)。錨噴支護是臨時支護，高強支架+混凝土+錨桿才是永久支護。圍巖鋼管混凝土支架軟弱巖層：不僅要錨桿與錨索支護，還需要支架或碹體支護， 在圍巖與巷道內(nèi)共同構筑“承壓環(huán)”；極軟弱巖層：巖層可錨性較差，應該在巷道開挖空間內(nèi)，重構“承壓環(huán)”。 需要高強度支架、高強度碹體支護等。 軟巖巷道斷面形狀設計軟

17、巖巷道斷面形狀設計ROR1R2OR4500R2350R4800O1O3R1R3R2 (a) 圓形斷面圓形斷面軟巖軟巖-極軟巖極軟巖 (b) 淺底拱圓形斷面淺底拱圓形斷面底板較穩(wěn)定底板較穩(wěn)定(c) 馬蹄形斷面(d) 橢圓形斷面軟巖巷道讓壓方式軟巖巷道讓壓方式接頭讓壓環(huán)形縫讓壓卸壓導洞卸壓縫卸壓縫卸壓縫001煤層煤層采空區(qū)(b) 支架與圍巖之間預留環(huán)形縫讓壓(c) 導洞式讓壓 (d) 卸壓槽讓壓(e) 巷道上覆巖層開采解放層讓壓支護力支護力N ：要明確“承壓環(huán)”支護體的支護力巷道支護需要定量化u支護體的支護力，要大于巷道圍巖載荷，即 NP，巷道才穩(wěn)定；u強度儲備越大，即K值（ N/P =K）越大 ，巷道越穩(wěn)定； 巷道抗動壓能力，也就越強；u一般U36型鋼支架的承載力約為50噸，巷道支護力0.20.4MPa；u1948鋼管混凝土支架的承載力可到210噸，巷道支護力0.81.5MPa；u混凝土碹體支護力也比較大，主要取決于碹體厚度與混凝土標號；u錨桿、錨索等支護，最好也能根據(jù)錨固力大小，換算出“承壓環(huán)”強化之后的支護力。五五 主要結論主要結