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高应力巷道的支护是巷道支护技术研究中的一个重点和难点问题,而处于深部岩层中的巷道更是目前支护研究中的一个难题。平煤集团十二矿目前已进入深部开采水平,埋深达800多米。其中三水平西翼回风下山布置在己15煤中,沿煤层顶板掘进,煤层厚3.5~3.8m,倾角20°~24°,煤层顶板有一层厚0.8~1.4m的伪顶,开巷后自稳时间短,极易风化破碎;直接顶为层节理发育的深灰色砂质泥岩,厚3.4m,两帮为己15煤,底板亦为己15煤和灰色泥岩,巷道顶帮及底板围岩的物理稳定性较差,极易风化变质,从而表现出极低的力学性能。造成巷道稳定性极差,常规支护无法满足支护需要,巷道发生严重的变形破坏。
而己七采区二期工程的三条下山(包括回风下山、轨道下山和皮带下山)也布置在己15煤中,轨道下山与两侧回风下山和皮带下山平行布置,巷道间距30m。该巷道设计长度900m,其中上段500m采用25U和29U型钢拱形可缩支架,因巷道埋深达600m,巷道局部支架破坏严重而不得不进行返修,造成大量人力物力和财力消耗,导致巷道支护成本增高。
本次研究以十二矿高应力围岩巷道为试验现场,通过对十二矿三条下山高应力巷道变化破坏特点及其失稳机理的分析,并运用地质雷达进行围岩松动圈测试,提出解决高应力巷道支护问题的途径,提出不同类型巷道的支护方案及高应力巷道支护设计原则、合理支护方式及施工关键技术,并对不同支护方式的支护机理和加固特性进行研究,为支护结构的设计和承载能力的确定提供依据;通过进行工业性试验,优化高应力巷道支护设计方案及合理支护参数,为解决同类巷道提供了依据。
(1)巷道围岩破坏特点及破坏机理研究。十二矿由于巷道埋深大,煤层顶板又有一层厚度0.8~1.4米的伪顶,围岩节理发育,开巷后自稳时间短,极易风化破碎,所以在巷道支护中,先后采用了锚网喷、29U可缩性型钢支架的不同支护方式,然而每一种支护方式都出现了不同程度的变形和破坏:锚网喷出现剥离,顶部下沉,底臌严重;支架扭曲破坏、形成尖顶;修复仍以U型钢支架为主进行支护,支架后背坑木或钢筋混凝土背板,支架后存在较严重的空项和空帮现象,支架受力性能较差,相对地降低了巷道支护结构的承载能力,影响了巷道的整体稳定性。从巷道的变形和破坏特点可以看出,现有的支护结构与参数不能满足高构造应力和高地应力下巷道的支护要求,且所采用的支护结构和参数存在不合理的因素,未能根据巷道变形和破坏的特点采取合理的支护和加固措施。
(2)巷道围岩稳定机理及合理支护技术方案研究。采用地质雷达测试围岩的松动圈,在合理的支护理论指导下,确定一套实施方案和参数,通过井下工业性试验和推广应用,总结出一套的解决深埋大松动圈高应力破碎围岩巷道支护问题的成套技术。其支护技术方案主要包括以下几点:1)采用“控顶卸压”原理和“三锚支护”技术解决深埋高应力破碎围岩巷道的支护问题。2)应用“三锚支护”技术解决高应力极破碎围岩返修煤巷的支护问题。3)采用锚喷一次支护与锚注二次加固技术解决深部高应力巷道的支护问题。
(3)巷道围岩松动圈地质雷达实测。巷道围岩松动圈实测结果表明,3条巷道20个测站松动圈均已超过1.5m,为大松动圈软岩巷道,其稳定性差,支护难度大。
(4)深部高应力破碎围岩巷道钻孔卸压与三锚支护技术。通过在新掘深埋高应力破碎围岩巷道中应用钻孔卸压和三锚技术对巷道实施主动支护,获得了较好的技术经济效果。取得了以下几点结论:1)对大松动圈高应力破碎围岩巷道采取合理的钻孔卸压措施,既让围岩中的高应力得到释放,又尽量减轻了围岩的松动破坏范围,为实施锚网和锚索主动支护创造了有利的条件。2)在大松动圈高应力破碎围岩中顺序实施锚网、锚索和锚注加固技术,形成了一套完整的“三锚”技术,较好地适应了围岩的地质和施工条件,实现了在复杂条件下应用主动支护技术,充分发挥了围岩的自承载能力,大大提高了支护结构的承载能力和适应性。3)在大松动圈巷道中,通过对巷道的底角进行加强锚固和注浆加固,改善了巷道底角围岩的特性,提高了底板岩体的承载力,有效控制了巷道的底臌,保证了巷道支护结构的整体稳定。因此应加强巷道的底角支护,可提高顶帮结构的稳定性。4)研究和掌握了“三锚”技术实施的时效性,充分发挥不同支护的特点,形成一个有机的整体,实现共同支护和共同承载,满足复杂条件的需要,为解决大松动圈高应力破碎顶板煤巷的支护问题提供一条新途径。
(5)高应力极破碎围岩巷道返修加固技术。对高应力极破碎围岩巷道返修后,采用U型钢与喷网一次支护和壁后充填与锚注二次加固技术,解决深部高应力极破碎围岩巷道的支护问题,取得了较好的效果。通过对大松动圈围岩及时进行锚固和注浆加固、充填,使得围岩胶结成为一个整体,提高了支护结构的承载能力,又使初次被动支护转化为注浆加锚结构中的主体,保证了锚杆的锚固力和可靠性,充分发挥了支护和被加固岩体的承载能力。整个试验及应用巷道未出现较明显的变形破坏很好地维护了巷道的稳定。