深井软岩巷道 钢管混凝土支架支护研究新进展

1. 深井软岩巷道钢管混凝土支架支护研究新进展 高 延 法 中国矿业大学（北京） 2013. 9. 11

2. 内 容 提 要 序 言 一 钢管混凝土支架结构与应用 二 深井软岩巷道支护理论 三 深井软岩巷道支护设计方法 四 主要结论

3. 序 言 • 深井、软岩巷道支护，依然是煤矿生产中的技术难题； • 我国现有50%的探明煤炭储量埋深大于1000m； • 我国煤矿采深正以8-12m/年的速度增加； • 国内采深达到1000m的矿井已经有47处， 还有几个正在建设的千米深井，千米深井要超过50处。 山东新汶5处，淄博5处，肥城临沂枣庄等11处； 东北龙煤鸡西等5处； 河北开滦与冀中能源4处； 江苏徐州与大屯7处； 河南平顶山4处； 安徽淮北淮南等6处。

4. 国外煤矿深井开采状况 德国 ： 最大开采深度达到1500m； 俄罗斯：顿巴斯矿区已有30多个矿井采深大于1350m； 波兰： 开采深度已达1200m； 英国： 开采深度曾达到1100m； 我国典型的软岩矿井 • 山东龙口、新汶、济宁等 • 内蒙古平庄、锡林浩特、鄂尔多斯上海庙等矿区 • 辽宁沈阳 吉林舒兰、辽源、梅河 黑龙江鹤岗等 • 安徽淮南和淮北 • 河南义马、郑州煤电、平顶山 • 青海大通，贵州六盘水，甘肃平凉，等

5. 一 钢管混凝土支架结构与应用

6. 钢管混凝土支架是一种高强度支架 • 单个支架的承载能力可达200多吨，是U型钢支架的3～4倍。 • 由空钢管支架，在井下灌注混凝土而成。 • 钢管混凝土支架一般采用闭合式结构，能有效抑制巷道底鼓。 • 为深井、软岩巷道支护提供了全新的支架类型。现已应用到20多家矿井。

7. 1.1 钢管混凝土支架整体结构一般由四节构成，地面分节弯管，井下组装成支架；支架每节之间连接方式：套管连接。

8. 1.2 井下混凝土灌注用混凝土输送泵，每班能灌注15-20架

9. 浅底拱 -- 圆形 圆形 1.3 支架断面形状 马蹄形 椭圆形

10. 1.4 最新实验研究成果 • 浅底拱圆形--钢管混凝土支架--承载能力实验 • 单节钢管混凝土--抗弯能力实验 • 抗弯强化型--钢管混凝土支架设计 • 早强混凝土配比实验

11. 1.5 钢管混凝土支架，已推广应用 2 0 多座矿井 • 开滦钱家营矿： 2008年八采区轨道下山； • 鹤岗南山、益新： 2009年鹤岗南山矿； • 新汶华丰矿： 埋深1230m，大巷、回风联络巷、变电所水泵房； • 平朔井工三矿： 煤层冲刷带软岩巷道中； • 峰峰大淑村矿： 大巷的煤柱高应力带； • 锡盟查干淖尔： 主斜井，井底车场，巷道交岔点； • 沈阳清水矿； 深井软岩巷道； • 鹤壁三矿： 变电所水泵房； • 长治三元荆宝矿： 集中下山； • 淮北矿业集团： 软岩大变形巷道； • 山东沂源鲁村矿：井底车场； • 内蒙榆树井矿： 采区变电所； 邢台邢东矿，神华宁煤清水营矿，龙口北皂矿，淮南国投新集口孜东矿，甘肃平凉新安矿，内蒙上海庙长城矿，通化八宝矿，等

12. 1 开滦钱家营矿下山巷道 2 鹤岗南山矿集中运输巷 4 内蒙锡林郭勒盟查干淖尔矿主斜井 3 峰峰大淑村矿大巷

13. 5 平朔 井工三矿大巷 6 鹤壁三矿泵房变电所 8邢台邢东煤矿二水平车场 7 邢台邢东煤矿皮带下山—埋深1000-1200m

14. 9 甘肃平凉 新安煤矿 10 宁煤清水营煤矿 +786水平临时水仓与机修硐室 11 龙口 北皂煤矿 工作面联络巷 12 山东能源 新矿上海庙公司 长城煤矿 沿空留巷 钢管混凝土支柱

15. 13 新汶华丰煤矿 -1100水平大巷 14 新汶华丰煤矿 -1100水平水泵房 15 新汶华丰煤矿 -1100水平水泵房 16 新汶华丰煤矿 -1100水平变电所

16. 二 深井软岩巷道支护理论

17. 2.1 深井软岩巷道支护的基本原则 （1）高强度支护 软弱破碎巷道，围岩自承载能力弱，高强度支护是根本措施。 （2）巷道断面优化 应该根据区域地应力的分布特征，优化巷道断面形状，可降低支护难度。 （3）围岩封闭 及时喷层封闭围岩，避免围岩风化与吸水膨胀。 全断面封闭支护可控制底鼓。 （4）复合支护 深井、软岩和破碎围岩巷道，往往需要采用复合支护方案。 （5）适度让压 适度让压使围岩尽可能地释放变形能，能能够降低支护难度。 （6）提高围岩的自承能力 对围岩予以补强，提高围岩的整体强度，发挥围岩的自身承载力，防止围岩塑性区域的扩大，能取得事半功倍的支护效果。

18. 2.2 深井软岩巷道“承压环强化支护”理论 承压环力学模型 ①深井软岩巷道载荷大于围岩强度，必须提高围岩的承载能力； ②以钢管混凝土支架支护、锚喷等技术为基础的支护技术，能使围岩形成一个“承压环”，由承压环控制其外部围岩的稳定性；

19. 锚杆：施加一对自平衡的法向力，强化承压环的承载能力锚杆：施加一对自平衡的法向力，强化承压环的承载能力 • 支架：施加一个法向压力，强化承压环的承载能力 • 注浆：是通过提高围岩强度，强化承压环的承载能力，事半功倍 • 钢管混凝土支架：支撑力强大，能提供强大的径向支护力 • 对于极软弱围岩，需要重新构造“承压环” ； • “承压环”是封闭支护，能够有效控制底鼓。 • “承压环”强化，往往需要复合支护；

20. 2.3 径向支护力的作用 • 径向支护力每增加1 MPa，围岩承载能力 能提高2-3 MPa； • 极软弱巷道、载荷-强度比大于1的深井巷道，特别是开拓巷道， 巷道围岩变形范围很大，锚索作用之外的围岩都向巷道方向挤压， 单纯锚杆、锚索支护效果有限；需要高强度支架和钢筋混凝土碹体

21. 三 深井软岩巷道支护设计方法

22. 深井软岩巷道支护设计的方法 1、深井软岩巷道支护设计的五项依据 ① 远场地压：巷道埋深，水平地应力，采掘扰动压力； ②岩石强度： 岩石单轴抗压强度，围岩结构完整性； ③岩石水理性质：粘土矿物含量，吸水软化性，吸水膨胀性，原始含水率； ④巷道变形特征：两邦-顶底板变形大小，变形速率，巷道破坏形态； ⑤围岩荷载P：巷道稳定状态下，围岩作用在支护体上的荷载P—评估。 2、深井软岩巷道应划分为三种类型：中硬、软弱、极软弱 3、深井软岩巷道支护设计的四大要素 ①支护技术：锚索锚杆、围岩注浆、钢管混凝土支架、碹体等；支护参数； ②断面形状：圆形，浅底拱圆形，椭圆形； ③让压方式：巷道周边预留让压缝，支护体让压，让压新技术； ④支护力N：明确“承压环”支护体的支护力 N ；N 应大于围岩荷载 P。

23. 3.1、软岩巷道支护设计的五项依据 ① 远场地压：巷道埋深，水平地应力，采掘扰动压力； • 垂向地应力：巷道埋深成正比； • 水平地应力：即构造地应力； 可以井下实测， 如使用：空心包体应力计。

24. 采掘扰动压力：某矿巷道深度450m，岩石强度10～35MPa，原大巷稳定，采掘扰动压力：某矿巷道深度450m，岩石强度10～35MPa，原大巷稳定， 后平行大巷相距20m再掘绕道时，大巷扰动变形破坏， 大巷破坏位置，与绕道掘进头对应关系十分清晰。 后来大巷返修，又引起绕道的扰动变形破坏。 ①当围岩应力状态接近岩石强度极限时，扰动会引发岩体的较大变形。 ②扰动载荷是震动波，震源：掘进放炮震动、采场覆岩断裂震动。

26. ②岩石强度：岩石单轴抗压强度，围岩结构完整性。 • 不少深井的井底车场，因为在软岩层位，导致巷道稳定性较差； • 大巷、上下山等开拓与准备巷道，选择较坚硬的岩层层位，事半功倍； ③岩石水理性质：粘土矿物含量，吸水软化性，膨胀性，含水率

27. ④ 巷道变形特征：两邦-顶底板变形大小，变形速率，破坏形态 巷道变形特征—底鼓为主或两邦收敛为主； 变形速率越大，则围岩荷载就越大；

28. ⑤ 围岩荷载P：巷道稳定状态下，围岩作用在支护体上的荷载 P 理论预计 数值模拟 经验类比 现场实测，积累成果，统计回归

29. 3.2 深井软岩巷道应划分为三种类型 ① 深井中硬围岩： 岩石强度30-50MPa，吸水软化， 载荷-强度比小于0.5； ② 软弱岩层： 岩石强度10-30MPa，吸水碎裂崩解，载荷-强度比0.5-1.0； ③ 极软弱岩层； 岩石强度小于10MPa，吸水泥化， 载荷-强度比大于1.0；

31. 3.3 深井软岩巷道支护设计的四大要素 ①支护技术：锚索锚杆、围岩注浆、金属支架、混凝土碹体等 中硬岩层：尽可能使用锚杆、锚索支护，在围岩中形成“承压环”；

32. 软弱岩层：不仅要锚杆与锚索支护，还需要支架或碹体支护，软弱岩层：不仅要锚杆与锚索支护，还需要支架或碹体支护， 在围岩与巷道内共同构筑“承压环”； 极软弱岩层：岩层可锚性较差，应该在巷道开挖空间内，重构“承压环”。 需要高强度支架、高强度碹体支护等。

33. ②软岩巷道断面形状设计 (a) 圆形断面—软岩-极软岩 (b) 浅底拱圆形断面—底板较稳定 (c) 马蹄形断面 (d) 椭圆形断面

34. ③软岩巷道让压方式 (a) U型钢支架接头滑动收缩让压 (c) 导洞式让压 (b) 支架与围岩之间预留环形缝让压 (d) 卸压槽让压 (e) 巷道上覆岩层开采解放层让压

35. ④支护力N：要明确“承压环”支护体的支护力④支护力N：要明确“承压环”支护体的支护力 巷道支护需要定量化 • 支护体的支护力，要大于巷道围岩载荷，即 N＞P，巷道才稳定； • 强度储备越大，即K值（ N/P =K）越大 ，巷道越稳定； 巷道抗动压能力，也就越强； • 一般U36型钢支架的承载力约为50吨，巷道支护力0.2～0.4MPa； • Ф194×8钢管混凝土支架的承载力可到210吨，巷道支护力0.8～1.5MPa； • 混凝土碹体支护力也比较大，主要取决于碹体厚度与混凝土标号； • 锚杆、锚索等支护，最好也能根据锚固力大小，换算出“承压环”强化之后的支护力。

36. 四 主要结论 ① 钢管混凝土支架 承载能力大，是相同重量U型钢支架的2～3倍； 成巷速度快，一次成巷，性价比高，支护总成本相对较低。 ② 巷道“承压环”强化支护理论 深井软岩巷道支护的关键是： 支护体必须具有足够强大的支护反力； 构造并强化“承压环”，是形成足够支护反力的有效途径； 应根据不同的围岩类型，构造不同的“承压环”， ③ 巷道支护方案 深井软岩条件下，单一支护措施往往不够，需要复合支护，封闭支护； 支护方案应该选择：足够大的支护强度，最佳断面形状，合理的让压方式； 支护方案应该明确：围岩荷载，支护能力。

37. 谢谢大家