高地压散碎结构围岩耦合支护技术.docx

1、高地压散碎结构围岩耦合支护技术高地压散碎结构围岩耦合支护技术的设计与应用鉴定材料山东华宁矿业集团有限公司二O一一年一月目 录 1 高地压散碎结构围岩耦合支护技术的设计与应用鉴定大纲2 高地压散碎结构围岩耦合支护技术的设计与应用工作报告3 高地压散碎结构围岩耦合支护技术的设计与应用技术研究报告4 高地压散碎结构围岩耦合支护技术的设计与应用社会经济效益分析报告4 高地压散碎结构围岩耦合支护技术的设计与应用科技查新报告5 高地压散碎结构围岩耦合支护技术的设计与应用工业性试验报告5 高地压散碎结构围岩耦合支护技术的设计与应用应用证明鉴定材料之一高地压散碎结构围岩耦合支护技术设计与应用鉴定大纲鉴定委员会

2、高地压散碎结构围岩耦合技术的设计与应用鉴定大纲一、项目名称: 高地压散碎结构围岩耦合支护技术的设计与应用二、项目来源：自选课题三、完成单位: 山东华宁矿业集团有限公司四、组织鉴定单位: 泰安市科技局五、鉴定形式： 会议鉴定 六、鉴定内容： 1、审查技术资料是否齐全完整,符合规定；2、选题是否准确，方法是否得当。3、是否完成计划任务或合同要求。4、评价成果的创造性,先进性,实用性,可靠性,成熟性及应用价值；5、对取得的社会经济效益、潜在效益做出评价。6、对成果的水平进行评价；7、提出存在问题及改进意见。七、提供鉴定的材料: 1、鉴定大纲;2、研究工作总结报告;3、技术研究报告;4、经济效益、社会

3、效益分析报告;5、技术查新报告;6、试验报告;7、应用证明八、鉴定程序:1. 组成鉴定委员会;2. 通过鉴定大纲;3. 课题组作工作总结报告;4. 课题组作技术研究报告;5. 专家讨论、提问及答辩;6. 鉴定委员会评议,讨论并提出鉴定意见;7. 通过鉴定意见。 鉴定委员会 二O一一年一月鉴定材料之二高地压散碎结构围岩耦合技术的设计与应用工 作 报 告山东华宁矿业集团有限公司高地压散碎结构围岩耦合技术的设计与应用工 作 报 告山东华宁矿业集团有限公司鑫安煤矿，位于宁阳县东疏镇，井田面积28平方公里。地质储量21118.6万吨，矿井设计生产能力45万吨每年，服务年限51.8 年。采用立井暗斜井开拓

4、方式，中央并列抽出式通风。2003年8月鑫安煤矿开始破土动工，2006年10月份竣工投产。2009年4月鑫安煤矿开始施工-600m水平南北翼大巷，巷道断面为半圆拱形，掘进荒断面为14.58m2（荒宽3900mm，荒高3950mm），先期支护采用182100mm螺纹钢树脂锚杆，2块ZK2850树脂药卷端锚，锚杆间排距700700mm，拱部每排施工3根15.246000mm锚索，锚索间排距15001400mm。大巷周围无临近采空区不受周围采动影响，大巷掘进层位于3煤顶板以上50m，岩性为石盒子组杂色粘土岩，层理不明显，岩石裂隙发育松软易破碎，泥质成分较多胶结性差，易冒落，并且巷道顶帮有淋水，岩石遇

5、水易风化膨胀，加之巷道埋深较深约700m，地压较大，因此-600m水平南北翼大巷从开始施工到开始修复长达1年多的时间一直都处于变形状态，刚开掘完的巷道净宽3.6m，净高3.8m，经过测量巷道两帮总移进量达到2m，顶底板移近量达到0.8m，巷道变形量大，严重影响了矿井正常安全生产，制约了-600m水平的开拓进度。因此矿组织人员专门对巷道进行复修。为有效遏制巷道变形，减少巷道修复次数，提高掘进进度，加快矿井开拓进度，矿方专门成立课题小组，负责研究-600m水平南北翼大巷的支护设计，经过课题小组攻关，对-600m水平南北翼大巷提出了新的一套支护技术，经过实践，该支护技术成功地遏制了巷道变形，彻底解决

6、了制约-600m水平开拓掘进的瓶颈，为我矿带来了巨大的经济效益，该课题成功攻关经历了以下几个阶段：第一阶段：2009年8-9月，课题提出阶段，2008年底鑫安煤矿延伸至-600m水平，开始形成水平井底车场后于2009年4月开始掘进施工-600m水平大巷，大巷开掘后，围岩变形较大，顶帮巷道移进量多达0.8-2m，巷道底鼓严重，为有效遏制巷道围岩变形减少巷道的复修，提高掘进进度，矿方专门成立课题小组，负责研究高地压，松软破碎围岩条件下巷道支护理论技术。 第二阶段，2009年10月-2010年2月，课题研究阶段，根据鑫安煤矿-600m水平大巷开掘所揭露围岩条件，巷道开拓成巷后鑫安矿技术科在大巷布点进

7、行巷道围岩变形观测，掌掘在该围岩地质条件下巷道的变形特征：（1）围岩变形有明显的时间效应，表现为巷道开掘后10天-15天时间内初始变形速度较大，之后变形趋向稳定，但巷道仍持续变形，变形速度逐渐减缓长达半年甚至一年之久；（2）具有明显的空间效应，由于矿压观测点位于掘进工作面以后30m，每隔30m布置一个点，一般距工作面最近测点布置时巷道基本上未变形，从而说明巷道围岩在空间上变形滞后工作面一段范围，根据矿压观测分析大概在40m左右。（3）巷道两帮移近顶板下沉及底鼓量总保持一定比值，根据同一测点两帮移近量顶板下沉量及底鼓量进行统计，得出巷道两帮移近与顶底板移近量比值为2.5：1。2009年12月，鑫

8、安煤矿课题组与上海应用学院合作对-600m水平大巷进行了围岩松动圈测定，并通过数学建模，模拟了巷道周围围岩的受力分布范围，并对单根锚杆进行了受力测试。根据测试结果分析：巷道围岩松动圈大至范围为1.5-2m，松动圈所分布范围为两帮范围大，顶板范围小，整体是圆形分布。另外顶部锚杆所受拉力远远大于帮部锚杆，巷道顶板围岩载荷较大，顶板围岩载荷范围由巷道顶板向巷道两帮扩散，顶板围岩载荷大小分布，两间肩窝大，正顶小，这是由于此处受顶帮压力叠加所致。而帮部围岩压力分布主要沿帮部围岩松动圈分布，围岩载荷小于顶板围岩载荷，另外由于巷道帮部岩性抗压强度较低，帮部围岩松动圈范围逐布扩大，巷道两帮逐渐变形得到释放，一

9、部分围岩压力通过帮部围岩传递至底板岩石，与巷道底板支承压力共同作用破坏巷道底板，得到压力释放，从而造成巷道底鼓，整个巷道围岩破碎作用原理，都是由于巷道开掘破坏了原岩的平衡状态，整个巷道的变形过程是该压力源重新分布直至达到平衡的一个过程。通过以上理论分析，鑫安矿课题小组总结出以下结论：（1）必须提高顶板支护强度，以承载足够的顶板压力载荷；（2）巷道重新进行支护设计时必须有效地提高两帮岩石承受载荷的强度，从而减少帮部的围岩松动圈范围；（3）必须加固巷道底板，提高底板岩石的抗支承压力能力，从而有效地减少巷道底鼓量。第三阶段：2010年3月-2010年4月，课题攻关实施阶段，根据以上阶段研究成果。课题

10、小组结合鑫安煤矿实际条件提出了“高地压散碎结构围岩耦合支护技术”巷道顶帮全断面采用222500mm高强度锚杆，间排距800800mm，帮部及两肩窝采用226000mm注浆锚索，每排正顶一根两帮直墙各一根，两间窝各一根，在巷道两底角采用222500mm中空注浆锚杆。222500mm高强度锚杆的锚杆材料强度要求达到335Mpa，考虑到巷道围岩条件差，岩石易冒落，锚杆细丝长度大于150mm，考虑到锚杆杆体螺纹方向与锚杆搅拌树脂药卷方向相反时，会对树脂药卷产生一个轴向挤压力从而可将树脂药卷搅拌形成一个整体，大大提高锚杆的锚固力，要求锚杆杆体螺纹旋转方向为左旋，为提高单根锚杆强度，从而达到整体锚杆支护效

11、果，要求锚杆锚固力达到15t，而锚杆的安装预应力要达到7t以上，考虑到巷道开挖初期巷道围岩压力比较集中，在锚杆上安装塑料弹垫作为缓压装置，使巷道受压时，巷道围岩压力能够得到释放，226000mm注浆锚索，施工安装时具有120KN预紧力，在滞后工作面30m范围开始一同与底脚注浆锚杆进行注浆加固。第四阶段：2010年5月-2010年12月，课题实践效果验证阶段。改用上述设计后，对所施工巷道进行布点观测，经过8个月实践验证，巷道两帮近，顶底板近量均10-20cm左右，此变形量只相当于围岩初始阶段变形量，巷道变形得到彻底遏制，大大减少巷道的复修，巷道施工进尺由每月30m提高到60m，大大提高了生产效率

12、和生产进度，加快鑫安矿开拓巷道施工进度，缓解了鑫安矿接续紧张的压力。鉴定材料之三高地压散碎结构围岩耦合技术的设计与应用技 术 研 究 报 告山东华宁矿业集团有限公司高地压散碎围岩耦合支护技术的设计与应用技术研究报告山东华宁矿业集团有限公司鑫安煤矿，位于宁阳县东疏镇，井田面积27.8平方公里。地质储量21118.6万吨，矿井设计生产能力45万吨每年，服务年限51.8 年。采用立井暗斜井开拓方式，中央并列抽出式通风。2002年8月鑫安煤矿开始筹建，2008年底份矿井延伸至-600m水平。一、技术研究背景：2009年4月鑫安煤矿开始施工-600m水平南北翼大巷，巷道断面为半圆拱形，掘进荒断面为14.

13、58m2（荒宽3900mm，荒高3950mm），大巷周围无临近采空区不受周围采动影响，大巷掘进层位于3煤顶板以上50m，岩性为石盒子组杂色粘土岩，层理不明显，岩石裂隙发育松软易破碎，泥质成分较多胶结性差，易冒落，并且巷道顶帮局部有淋水，岩石遇水易风化膨胀，加之巷道埋深较深约700m，地压较大。-600m水平南北翼大巷属于深部高地压松散破碎围岩巷道，近年来，随着矿井开采条件的日益恶化，国内外煤矿开掘巷道不可避免地处于高埋深、高地压、围岩松软破碎条件下，均面临着施工难度大，巷道变形量大，巷道复修率高的难题，目前，解决这一难题主要采用在先期依靠锚杆、锚索发挥其主动支护作用，后期待围岩变形稳定后，采用

14、二次加固支护，如采用二次锚网支护、注浆加固等。但鑫安煤矿具有地质围岩条件复杂，巷道变形速度快，变形时间长的特点，显然采用目前的支护技术无法彻底解决所面临的上述难题。基于以上原因，对-600m水平大巷的支护设计势在必行、至关重要。二、技术方案论证：1、巷道变形产生的原因：（1）巷道开掘后破坏了原岩状态，产生了地应力，在埋藏较深的状态下，地应力主要以垂直应力为主，-600m水平南北翼大巷巷道埋深约700m，巷道所受垂直应力较大，所以顶板围岩载荷较大，垂直应力是导致该段巷道严重变形的诱因，由于松软破碎围岩自身承载能力较低，无法承载较大的顶板载荷，两帮及巷道底板围岩只起到了压力载荷传递介质和被动释放压

15、力的作用，在各种因素影响下，各种应力反复地相互作用叠加，在这过程中巷道围岩要通过不断地变形、扩大围岩松动圈范围重新达到平衡状态，因此巷道松散破碎的围岩条件是巷道严重变形的主因。（2）巷道顶帮淋水会降低围岩的抗应力强度，淋水是该段巷道变形严重的重要原因。顶帮淋水不光使顶帮围岩抗应力强度降低，还会浸入底板，使底板岩石产生膨胀性变形，降低了底板岩石的抗应力强度。由于底板支护强度差，拱部及两帮的高应力向底板转移，而该底板浸水后强度会进一步降低，底板的破坏变形情况加剧。2、该段巷道围岩松散，自承能力差，围岩注浆可以改造松散围岩，使之形成整体，提高自承能力，是解决该段巷道支护问题的一个途径。3、掘进施工过

16、程中，由于围岩暴露释放原应力及放炮震动等作用会在巷道周围形成一个岩石松动圈，这一范围内的岩石强度低，承载能力差；根据科研人员用超声波测定的该段巷道围岩松动圈范围为巷道周边1.5m-2m推算出该段巷道支护所用的锚杆仅能锚入稳定岩层0.1-0.6m,先期支护中182100mm螺纹钢树脂锚杆锚固效果很差，因此用222500mm高强度锚杆代替先期支护所采用的锚杆，在巷道顶部提高了顶板承载能力，在巷道帮部提高了帮部围岩抗载荷能力，同时考虑到在高地压状态下，结合“放、让、抗”的矿压控制原理，在锚杆上安装塑料弹垫作为缓压装置，使巷道受压时，巷道部分围岩压力能够得到释放；原支护设计中采用了锚索加强支护，但松散

17、软围岩条件下，锚索的锚固力平均只能达到80KN（实测值），刚刚达到锚杆的设计锚固力（锚杆设计锚固力70 KN）远远达不到设计要求。针对锚固力不足，传统的我们可以用锚索全部代替锚杆，但成本巨大，施工难度增大；同时，由于围岩浸水等原因，围岩裂隙会不断的向深部发育，松动圈范围会不断的增大，锚索支护也存在一定的安全隐患。通过采用注浆锚索对松动圈内岩石注浆加固，可以既提高锚杆锚索的锚固力，也大大增强了巷道围岩的自身承载能力，同时注浆加固后的围岩有很好的防水效果，因此，围岩注浆可以起到增强支护与防水的双重效果。4、由于巷道底板支护差，拱部及两帮的高应力向底板传递，在底板以底鼓的形式释放，使应力向其他方向转

18、移可以起到减小底板应力作用，为此我们可以采取在两巷道底脚注浆加强两底脚围岩强度，使应力向巷道深部转移，注浆浆液会向底板围岩渗透与底板围岩凝结成整体而形成一个“底板加固拱”，增强了底板围岩强度，以起到保护底板的作用。5、总结: 综合以上分析，根据巷道围岩压力作用与分布、巷道围岩地质条件与巷道支护这几种因素相互适应、相互结合达到应力平衡，并结合了“放、让、抗”的矿压控制原理，创造性地提出了“高地压散碎结构支护技术”理论： （1）必须提高顶板支护强度，以承载足够的顶板压力载荷；（2）巷道重新进行支护设计时必须有效地提高两帮岩石承受载荷的强度，从而减少帮部的围岩松动圈范围；（3）必须加固巷道底板，提高

19、底板岩石的抗支承压力能力，从而有效地减少巷道底鼓量。根据这一认识，我矿技术工作人员通过认真调研、多种方案对比分析，并根据本矿井的实际情况，最终确定采用高强度锚杆、注浆锚索、注浆锚杆对巷道进行耦合支护，该支护形式性能可靠、施工简便，并且比较经济合理，推广应用性比较强。三、技术特征：1、“高地压散碎结构支护技术”主要针对高地压散碎围岩巷道特征及现行支护方式存在的不足而设计，其主要技术特征如下：（1）支护形式的构成：巷道原支护为锚网喷支护、锚索加强支护，现行支护以高强锚杆、注浆锚杆、锚索为基础与巷道围岩形成一个支护整体。（2）、注浆加固围岩：对巷道围岩通过注浆锚索注入水泥浆，注浆后松动圈范围内岩石在

20、水泥浆的胶结作用下形成稳定的承载结构，充分发挥围岩的自承能力，同时也可以达到增大锚杆、锚索锚固力目的；同时，水泥浆填充裂隙后起到了很好的防水效果。（3）、针对底鼓，该支护设计主要采取的措施：在巷道底脚用注浆锚杆注浆，加固底板岩石，使顶部和两帮的高应力向巷道深部转移，从而大大减小了对巷道底板的挤压，同时也增强了底板岩石的承载能力。2、支护参数：（1）注浆锚索注浆锚索规格为直径长度=22mm6000 mm；采用4块ZK2350树脂药卷锚固，施工安装时具有120KN的预紧力；锚索的间排距为2m 3.2m，正顶一根，两直墙、肩窝各一根；注浆压力不小于3Mpa，间隔注浆次数不小于3次，间隔时间2周。（2

21、）注浆锚杆注浆锚杆规格为直径长度=22mm2500 mm；布置在巷道两底角，排距1.6m，与巷道底板呈45下扎；注浆压力不小于3mp，滞后工作面30m范围开始注浆加固，注浆间隔注浆次数不小于3次，间隔时间2周。（3）高强锚杆高强锚杆规格为直径长度=22mm2500 mm左旋高强锚杆，在高强锚杆上安装塑料弹垫作为缓压装置；间排距0.8m0.8m，底脚锚杆与巷道底板呈30下扎；锚固力不小于70KN。1、高强锚杆结构示意图2、注浆锚索结构示意图四、总体性能指标与国内外同类先进技术的比较：“高地压散碎结构支护技术”根据鑫安煤矿-600m水平南北翼大巷复杂的围岩地质条件，紧密结合了矿压及围岩变形控制理论

22、技术，采用高强度锚杆、注浆锚索及锚杆达到耦合支护效果，由于该项技术以巷道支护与矿压耦合为理论依据，所以对围岩变形量巷道有极强的适应性，因此该项支护技术在控制巷道围岩变形方面具有较高地可靠性，同时该项支护技术还具有支护强度大、性能稳定、施工简便、经济合理的特点，与传统高地压散碎围岩巷道治理技术相比较，具有材料省、性能可靠、施工简便的优点，在同类技术中处于先进地位。五、项目创新点及先进性：-600m水平南北翼大巷软岩变形段巷道修复加固完成后，对所施工巷道进行布点观测，经过8个月实践验证，巷道两帮近，顶底板近量均10-20cm左右，此变形量只相当于围岩初始阶段变形量，巷道变形得到彻底遏制。该项成果具

23、有以下创新点：（1）耦合支护形式：该项支护技术以高强锚杆、注浆锚杆、锚索为基础与巷道围岩形成一个支护整体，达到耦合支护效果，在巷道总体不变形的情况下，巷道围岩压力与巷道支护整体总能保持平衡状态。（2）采用注浆锚索注浆：该项支护技术结合了注浆锚索加固技术，在主体巷道采用锚索注浆较之锚杆注浆，不仅注浆范围大，效果好，施工方便，同时还具有锚索补强作用，同时将第一次注浆加固时间巷道开掘后1015天后，即巷道开掘后巷道压力初次释放（巷道变形速度最快的时期）后。（3）高强锚杆安装塑料弹垫作为缓压装置：巷道开掘后原岩应力平衡状态被破坏，在开掘巷道以后的1015天这一段时间内巷道，地应力重新分布，相当大的压力

24、要得到释放，在高强锚杆上安装塑料弹垫作为缓压装置，一部分压力通过塑料弹垫得到释放，从而减小巷道变形。六、技术成熟程度：该支护技术已经在鑫安煤矿-600m水平南北翼大巷高地压散碎结构围岩巷道中应用。通过对-600m水平南北翼大巷采用该项技术前一年和采用该项技术修复加固后长达八个月的变形观测，可以证明该支护技术可以很好的解决高地压散碎结构围岩巷道的支护问题，该项技术从根本上防止了高地压散碎结构围岩巷道大变形情况的发生。采用该项加固技术前的巷道两帮及顶底板时间-位移量图采用该项加固技术后的巷道两帮及顶底板时间-位移量图七、对社会经济的发展和科技进步的意义：该技术解决了开拓巷道在高埋深、地质条件复杂、

25、围岩破碎等条件下施工时巷道变形难以控制，巷道施工后难以维护，巷道复修率高，施工进度难以提高，直接影响矿井接续的难题，虽然其工程规模较小，但其带来的借鉴意义和该项技术推广后带来的经济效益还是非常可观的。八、推广应用条件和前景：该成果在山东华宁矿业集团有限公司得到了有效的应用，经济和社会效益显著，在同等或相似条件的矿井的大断面重要硐室及掘进工程中可推广应用。鉴定材料之四高地压散碎结构围岩耦合技术的设计与应用社会、经济效益分析山东华宁矿业集团有限公司高地压散碎结构围岩耦合技术的设计与应用社会、经济效益分析一、经济效益分析：结合鑫安矿实际的地质条件，不照搬传统经验，提出了适应复杂地质条件的支护方案，巷

26、道能够正常使用，延长了巷道的使用寿命，避免了巷道的反复修复，根据以掘出的巷道情况来看平均每年需维修一次，每次维修需2天，本着时间就是金钱，考虑矿井逐步达产，按年产45万吨算缩短工期带来的经济效益巨大：工期效益=产煤量利润 =0.25万t200=50万元因此每年光维修该段巷道需花50万元，鑫安煤矿矿井服务年限为52年，给鑫安煤矿节约巷道维修所花费的资金为5051.8=2590万元。由此可以看出该项技术成果给山东华宁矿业集团有限公司鑫安煤矿节约的资金是巨大的。二、社会效益分析：该支护方案使巷道变形得到彻底遏制，大大减少巷道的复修，巷道施工进尺由每月30m提高到60m，大大提高了生产效率和生产进度，

27、加快鑫安矿开拓巷道施工进度，缓解了鑫安矿接续紧张的压力。鉴定材料之六高地压散碎结构围岩耦合技术的设计与应用工业性试验报告山东华宁矿业集团有限公司高地压散碎结构围岩耦合技术的设计与应用工业性试验报告采用高地压散碎结构围岩耦合技术后，对所施工巷道进行布点观测，经过8个月实践验证，巷道两帮近，顶底板近量均10-20cm左右，此变形量只相当于围岩初始阶段变形量巷道变形得到彻底遏制，大大减少巷道的复修，巷道施工进尺由每月30m提高到60m，大大提高了生产效率和生产进度，加快鑫安矿开拓巷道施工进度，缓解了鑫安矿接续紧张的压力。山东华宁矿业集团有限公司鑫安煤矿 二O一一年一月鉴定材料之七高地压散碎结构围岩耦

28、合技术的设计与应用应用证明山东华宁矿业集团有限公司应 用 证 明项目名称高地压散碎结构围岩耦合技术应用单位山东华宁矿业集团有限公司通讯地址山东华宁矿业集团有限公司鑫安煤矿应用成果起止时间2009年8月2010年12月经济效益（万元）年 度2010新增产值（产量）150万元新增利税（纯收入）50万元新增收节支总额2590万元-600m水平南北翼大巷采用耦合支护设计方案后，避免了复杂地质条件造成巷道被破坏而引起的-600m水平大巷无法正常使用，并引起的全矿停产，造成具大的经济损失，延长了巷道的使用寿命，保证了我矿矿井开拓、延深的顺利进行，该成果在华宁矿业集团有限公司得到了有效的应用，经济和社会效益显著，为同等或相似条件的矿井的巷道设计施工提供了新思路。 应用单位（盖章） 年 月 日