【正文】 ............................................................................................... 131 頂?shù)装咫x層 ............................................................................................ 133 第四篇 首采工作面煤（巖）巷回 采期間礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 ............... 135 朱集礦首采工作面煤（巖）巷礦壓監(jiān)測(cè)及支護(hù)技術(shù)研究報(bào)告 1 第一篇 深井 巷 巷道圍巖 支護(hù)理論 1 深井巷道 支護(hù) 原理及 理論 基本控制思路 眾所周知，影響巷道圍巖穩(wěn)定性的三要素為巖體應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度、支護(hù)技術(shù)，所以深部高應(yīng)力沿空掘巷圍巖控制基本思路也從三方面展開(kāi)。 1)巷道圍巖應(yīng)力優(yōu)化 在宏觀(guān)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)已確定的情況下，只有從巷道所處的周?chē)鷰r層環(huán)境中去降低其應(yīng)力強(qiáng)度，即從微觀(guān)應(yīng)力場(chǎng)的角度改善巷道周?chē)鷰r層的應(yīng)力強(qiáng)度，使巷道處于相對(duì)有利的維護(hù)環(huán)境。研究和實(shí)踐表明，巷道周?chē)鷰r體相對(duì)破碎，采用超強(qiáng)錨桿通過(guò)施加高預(yù)應(yīng)力及高剛度附件，最大程度的擠壓緊固巷道圍巖，消除圍巖中的弱面和空隙，提高巖層的 整體承載強(qiáng)度，形成具有一定強(qiáng)度和剛度的承載層，并使得上覆巖層的垂直應(yīng)力向巷道兩側(cè)深部巖層轉(zhuǎn)移，同時(shí)有效抵抗和平衡巷道周?chē)礁邞?yīng)力對(duì)圍巖的剪切作用，有效改善巷道周邊微觀(guān)應(yīng)力場(chǎng)，優(yōu)化圍巖淺部應(yīng)力環(huán)境，促使圍巖由兩向應(yīng)力狀態(tài)向三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化，這是巷道周邊圍巖微觀(guān)應(yīng)力場(chǎng)優(yōu)化的最有效手段。 1111(1)工作面軌道順槽底抽巷圍巖賦存穩(wěn)定，在掘進(jìn)期間圍巖松動(dòng)破壞區(qū)雖然較小，但在強(qiáng)動(dòng)壓的作用下，松動(dòng)破壞不斷向深部擴(kuò)展，更多的 圍巖處于低圍壓破裂狀態(tài)，承載能力很低，在根本上決定著巷道圍巖的穩(wěn)定性，只有對(duì)巷道周?chē)蛧鷫浩屏褞r石進(jìn)行有效加固，才能提高巷道圍巖的承載能力和穩(wěn)定性。因此，要有效加固松散破碎圍巖，必須是巷道支護(hù) 圍巖共同承載體厚度大于松散碎裂范圍。實(shí)踐證明，圍巖注漿加固是一種改善圍巖結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性質(zhì)、提高圍巖自撐能力、降低支護(hù)成本、改善巷道支護(hù)效果的有效方法。 3)合理支護(hù)：提高圍巖的強(qiáng)度和支護(hù)構(gòu)件的變形剛度及 U 型鋼壁厚充填，阻止圍巖的變形破裂失穩(wěn) 高強(qiáng)錨桿較大的抗拉強(qiáng)度能夠有效限制圍巖的張裂變形；同時(shí)，高強(qiáng)錨桿具有足夠的抗剪強(qiáng)度與抗剪剛度，能有效阻止圍巖內(nèi)部的剪切變形與剪切滑動(dòng)，提高圍巖體自身的抗剪強(qiáng)度 (提高內(nèi)聚力 C 值和內(nèi)摩擦角 φ 值 )。過(guò)去單純強(qiáng)調(diào)對(duì)煤巖層進(jìn)行加固，沒(méi)有考慮巷道結(jié)構(gòu)承載協(xié)調(diào)問(wèn)題，更沒(méi)有考慮支護(hù)構(gòu)件的整體剛度問(wèn)題，結(jié)果控制不了巷道的大變形問(wèn)題，也不能解決問(wèn)題。因此，若能在巷道掘進(jìn)及支護(hù)后，及時(shí)用某種具有良好的力學(xué)特性，強(qiáng)度適宜且具有一定可縮性的充填材料將壁后空間充滿(mǎn)，使圍巖 充填體 支護(hù)結(jié)構(gòu)三者形成一個(gè)共同的力學(xué)承載體系，充分發(fā)揮支架及圍巖本身的承載能力，有效控制圍巖松動(dòng)圈的擴(kuò)大和位移，則能提高巷道穩(wěn)定性。 巷道圍巖強(qiáng)化控制理論和支護(hù)技術(shù) 復(fù)雜條件下的軟巖支護(hù)實(shí)踐證明，采用傳統(tǒng)的 U 型鋼可縮支架支護(hù)、普通高強(qiáng)樹(shù)脂錨桿支護(hù)和噴層相結(jié)合的支護(hù)、錨架聯(lián)合支護(hù)等都不能有效控制深井高朱集礦首采工作面煤（巖）巷礦壓監(jiān)測(cè)及支護(hù)技術(shù)研究報(bào)告 3 地 應(yīng)力軟巖巷道圍巖的長(zhǎng)時(shí)變形。巷道圍巖強(qiáng)化控制技術(shù)包括三個(gè)強(qiáng)化：錨桿支護(hù)承載性能強(qiáng)化、巷道破裂圍巖體強(qiáng)度強(qiáng)化和圍巖承載結(jié)構(gòu)強(qiáng)化等三個(gè)方面： 1)錨桿承載性能的強(qiáng)化：包括技術(shù)手段的升級(jí)和創(chuàng)新，高性能預(yù)拉力錨桿向超強(qiáng)錨桿方向發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、高剛度、高預(yù)緊力和高可靠性。 2)圍巖強(qiáng)度的強(qiáng)化 ：錨桿支護(hù)可以提高錨固體破壞前和破壞后的力學(xué)參數(shù)，改善被錨固體的力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同形態(tài)及破裂程度的巖體強(qiáng)度的直接提高；通過(guò)提高徑向應(yīng)力及應(yīng)力在徑向的增加速度，促使圍巖由二向應(yīng)力狀態(tài)向三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化，從而達(dá)到提高圍巖強(qiáng)度的目的；通過(guò)注漿提高破裂巖體的強(qiáng)度和整體力學(xué)性能。 強(qiáng)化支護(hù)是在高阻讓壓的支護(hù)原則下分步實(shí)施，在 分步實(shí)施過(guò)程中讓壓變形。 1. 錨桿承載性能強(qiáng)化 典型的支護(hù)圍巖特性曲線(xiàn)如圖 11 中曲線(xiàn) 1 所示，巷道圍巖壓力隨圍巖變形而急劇衰減，適當(dāng)滯后支護(hù)可以釋放一定的圍巖壓力，但支護(hù)的滯后常常產(chǎn)生松動(dòng)變形。 因此，錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)不再單純強(qiáng)調(diào)錨桿的強(qiáng)度，綜合強(qiáng)化錨桿支護(hù)的承載特性是錨桿支護(hù)的發(fā)展方向，其本質(zhì)是促使其錨桿支護(hù)特性曲線(xiàn)具有及時(shí)早強(qiáng)速增阻的特性，如圖 11 所示，深井高地應(yīng)力軟巖巷道要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期安全維護(hù)和穩(wěn)定，對(duì)掘巷階段變形提出了更高的要求，必須實(shí)現(xiàn)圖中曲線(xiàn) 4 的工作特性曲線(xiàn)，即以高強(qiáng)錨桿為基礎(chǔ)以高預(yù)緊力為核心的 “三高 ”錨桿支護(hù)才能滿(mǎn)足基本支護(hù)要求： 圖 11 支護(hù)阻力與圍巖變形關(guān)系圖 1典型的支護(hù)圍巖關(guān)系曲線(xiàn)； 2傳統(tǒng)支護(hù)特性曲線(xiàn)； 3高強(qiáng)錨桿支護(hù)特性曲線(xiàn)； 4“三高 ”錨桿支護(hù)特性曲線(xiàn) ① 高預(yù)拉力：錨桿預(yù)拉力 (或稱(chēng)初撐力 )是安裝錨桿之初對(duì)圍巖表層巖體提供的主動(dòng)約束力，其大小對(duì)頂板穩(wěn)定性具有決定性的作用。如果支護(hù)不力巷道就會(huì)產(chǎn)生兩種變形：即巷道圍巖的結(jié)構(gòu)變形和巖層的松動(dòng)擴(kuò)容變形，理論和實(shí)踐觀(guān)測(cè)表明，結(jié)構(gòu)變形通常占整個(gè)變形的 40%，而松動(dòng)擴(kuò)容變形則占到整個(gè)巷道變形的 60%。而巖層的松動(dòng)擴(kuò)容變形主要發(fā)生在巷道淺部圍巖，是由于卸荷作用造成的，如果得不到及時(shí)有效的支護(hù)這種擴(kuò)容變形將很快演變?yōu)閲鷰r的破裂和垮冒，只有通過(guò)提高圍巖的初始支護(hù)強(qiáng)度這種松動(dòng)擴(kuò)容變形才能得到有效控制。同時(shí)被加固的巖體向縱深產(chǎn)生不斷放大的約束作用，改善巷道周邊圍巖應(yīng)力分布，提高其穩(wěn)定性。 有學(xué)者研究指出，當(dāng)錨桿的預(yù)緊力達(dá)到 70~80kN 時(shí)，圍巖的淺部松動(dòng)基本可以消除。因此可見(jiàn)，圍巖的初始支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到，通常只有采用高預(yù)拉力的錨桿支護(hù)才能 實(shí)現(xiàn)。而目前大多數(shù)情況下錨桿僅有 20~30kN 的預(yù)緊力，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。 ② 高剛度：保持初始工作載荷則依賴(lài)于護(hù)表材料的性能，錨桿載荷向圍巖的擴(kuò)散和增荷速度依賴(lài)于增大護(hù)表構(gòu)件的剛度和強(qiáng)度；因此護(hù)網(wǎng)、托盤(pán)和鋼帶的抗變形能力必須進(jìn)一步加強(qiáng)，并適應(yīng)強(qiáng)動(dòng)壓影響，達(dá)到高增阻限制變形的工作狀況。 ③ 高強(qiáng)度：由于強(qiáng)烈地應(yīng)力作用，高預(yù)拉力錨桿荷載增加很大，桿體及配套螺母、托盤(pán)強(qiáng)度必須適應(yīng)大變形的特點(diǎn)；在高預(yù)拉力的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高阻讓壓的工作狀態(tài)，限制圍巖變形。實(shí)踐表明，現(xiàn)有的高強(qiáng)錨桿支護(hù)通常不能 滿(mǎn)足對(duì)初期變形控制的要求。通常采用錨桿和注漿兩種加固方式。圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化原理揭示了錨桿支護(hù)對(duì)錨固范圍巖體峰值強(qiáng)度和殘余峰值強(qiáng)度的強(qiáng)化作用以及對(duì)錨固體峰值強(qiáng)度前后的 δ、 E、 C 等力學(xué)參數(shù)的改善，分析了錨固體強(qiáng)度強(qiáng)化后對(duì)巷道圍巖塑性區(qū)和破碎區(qū)的控制程度 。相對(duì)被動(dòng)作用的 U 型棚支護(hù)，主動(dòng)作用的錨桿支護(hù)就是早期快速增大圍壓的最有效方式。 ② 破裂巖體的注漿加固性能。在高地應(yīng)力作用下，開(kāi)掘?qū)е碌膽?yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化過(guò)程 (由三維向二維轉(zhuǎn)化 )中巷道巖體大范圍破壞，同時(shí)巷道軸向約束并未因開(kāi)挖而產(chǎn)生較大改變，這就導(dǎo)致了破裂巖體向巷內(nèi)自由面變形，破裂后圍巖主要受結(jié)構(gòu)面控制，表現(xiàn)為沿結(jié)構(gòu)面向低約束方向的滑移，因此巷道易發(fā)生頂幫 冒落和底鼓。 注漿固結(jié)體較破裂巖體強(qiáng)度和抗變形性能明顯提高，因此在掘巷導(dǎo)致的圍巖破裂圈基本形成后，對(duì)其進(jìn)行注漿加固，可以大大提高圍巖承載力，改善圍巖穩(wěn)定性，同時(shí)注漿固結(jié)體良好的適應(yīng)變形的能力，使其在相當(dāng)大的變形范圍內(nèi)保持承載能力。固結(jié)體強(qiáng)度較完整巖石仍相差較大，掘巷后即開(kāi)展注漿不僅由于圍巖破裂不充分，滲透性差而導(dǎo)致注漿困難，同時(shí)高地應(yīng)力場(chǎng)中強(qiáng)烈的圍巖應(yīng)力調(diào)整也會(huì)將固結(jié)巖體破壞而失去加固作用，即注漿固結(jié)體的承載和變形能力仍是有限的，常由于采動(dòng)影響和工程擾動(dòng)而遭到破壞。 1. 巷道圍巖結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化 ① 頂板的安全控制：通過(guò)高性能預(yù)拉力錨桿的高張拉 力支護(hù)，完全克服松動(dòng)巖體的自重，阻止了圍巖的進(jìn)一步松動(dòng)，消除巖體松散變形，改善錨桿增阻性能，提高錨桿的支護(hù)能效；小孔徑預(yù)拉力錨索則可以充分利用深部圍巖的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，增大錨固范圍，消弱層狀頂板的剪切破壞作用，消除頂板的漸次離層和垮冒；利用巷道的特殊圍巖結(jié)構(gòu)和幫角穩(wěn)定圍巖區(qū)，采用小孔徑預(yù)拉力鋼絞線(xiàn)桁架系統(tǒng)強(qiáng)化頂板承載結(jié)構(gòu)，確保頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。 ③ 關(guān)鍵承載區(qū)的加強(qiáng)：在深井高地應(yīng)力區(qū)開(kāi)挖巷道，在采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)、濕度應(yīng)力場(chǎng)和巖體結(jié)構(gòu)的共同作用下，圍巖由整體性壓縮向局部性擴(kuò)張轉(zhuǎn)化，直到新的動(dòng)態(tài)平衡，這些局部性擴(kuò)張轉(zhuǎn)化的區(qū)域就是關(guān)鍵承載區(qū)，比如頂板的中部、不規(guī)則斷面的高幫中上部位等等。必須強(qiáng)化關(guān)鍵承載區(qū)的支護(hù)強(qiáng)度，促成支護(hù)圍巖整體承載結(jié)構(gòu)的形成或強(qiáng)化，以多層次的聯(lián)合支護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)支護(hù)體和圍巖間的主動(dòng)和動(dòng)態(tài)的相互作用?，F(xiàn)代支護(hù)理論很強(qiáng)調(diào)在巷道圍巖變形與穩(wěn)定過(guò)程中，通過(guò)支護(hù)的作用改善圍巖的力學(xué)性能，強(qiáng)化支護(hù)圍巖結(jié)構(gòu)，達(dá)到穩(wěn)定圍巖限制變形的目的，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支護(hù)，以最經(jīng)濟(jì)的方式滿(mǎn)足工程要求。復(fù)雜巖體的施工與維護(hù)是一個(gè)非線(xiàn)性的力學(xué)過(guò)程，其穩(wěn)定性與支護(hù)路徑有關(guān)，有必要運(yùn)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃原理進(jìn)行科學(xué)的分析，根據(jù)巖體及工程特點(diǎn)合理運(yùn)用支護(hù)技術(shù)和施工方法。 (4)不同支護(hù)技術(shù)的組合，同一支護(hù)的不同加固時(shí)機(jī)對(duì)巷道圍巖的變形和穩(wěn)定有不同的影響，應(yīng)當(dāng)優(yōu)化組合；開(kāi)挖與支護(hù)方式、支護(hù)時(shí)機(jī)的不同組合導(dǎo)致的圍巖變形和破壞應(yīng)該是不同的。巷 道圍巖滯后注漿是滯后參與巷道穩(wěn)定過(guò)程的一種支護(hù)方法，注漿前一階段的圍巖穩(wěn)定性完全取決于其它支護(hù)手段，因而注漿必須與其它常規(guī)支護(hù)相結(jié)合，研究它們之間的合理匹朱集礦首采工作面煤（巖）巷礦壓監(jiān)測(cè)及支護(hù)技術(shù)研究報(bào)告 9 配。 圖 21 典型巷道變形曲線(xiàn)圖 T1 是掘進(jìn)影響期間圍巖移近速度趨緩的拐點(diǎn)， T2 是掘進(jìn)影響結(jié)束，巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定的時(shí)間點(diǎn)， T3 是采取進(jìn)一步加強(qiáng)支護(hù)措施后，圍巖移近速度進(jìn)一步降低的時(shí)間點(diǎn)， T4 是加強(qiáng)支護(hù)后巷道圍巖變形在更低的水平趨于穩(wěn)定的時(shí)間點(diǎn)。當(dāng)巷道工程服務(wù)期長(zhǎng)，需要更低的變形速度(標(biāo)準(zhǔn) 2)，則必須進(jìn)一步實(shí)施分步加固技術(shù)。因而優(yōu)良的巷道支護(hù)應(yīng)針對(duì)圍巖破壞和強(qiáng)度弱化原因分階段加固： (1)隨掘巷及時(shí)封閉圍巖并補(bǔ)償徑向阻力。 (3)破裂圈形成以后，圍巖處于低側(cè)限約束下的破裂狀態(tài)，宏觀(guān)裂隙大量產(chǎn)生，幫角等剪切破壞區(qū)裂隙發(fā)育，承載結(jié)構(gòu)大大弱化，巖塊多為點(diǎn)線(xiàn)接觸，強(qiáng)度全面降低，此階段需全面提高圍巖強(qiáng)度，主要是削弱宏觀(guān)裂隙的不利影響，改善結(jié)構(gòu)面 (主要是破裂面 )的力學(xué)性能，對(duì)關(guān)鍵破壞部位補(bǔ)強(qiáng)，使其整體承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能大幅度提高，并實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定。 (2)在巷道圍巖的變形過(guò)程中維護(hù)，在不同階段分別采取 “護(hù) ”、 “讓 ”、 “支 ”、“限 ”技術(shù)，以適應(yīng)圍巖的變形特征，并最大限度地利用圍巖的自承能力，實(shí)現(xiàn)圍巖穩(wěn)定。 (4)由于構(gòu)造應(yīng)力的方向性、巖體賦存的不均勻性和分層性，巷道周?chē)鷷?huì)出現(xiàn)一些薄弱部位，應(yīng)及時(shí)采取主動(dòng)支護(hù)手段，有效地強(qiáng)化這些關(guān)鍵部位。 2)大托盤(pán)：錨桿采用新型大托盤(pán) (尺寸為 200200mm)、錨索采用 400400mm的大托盤(pán)，增大護(hù)表面積，減輕目前所用的普通小托盤(pán)與圍巖局部小面積接觸而產(chǎn)生的點(diǎn)載荷作用，防止圍巖擠壓破損，將對(duì)松散層裂破碎巖體起到較好的維護(hù)效果。 4)高預(yù)緊力：采用 MOS90J2 型氣扳機(jī)可以實(shí)現(xiàn)錨桿 8~10t 的高預(yù)緊力，有效增加錨桿對(duì)巷道圍巖支護(hù)初期的控制作用，提升錨桿支護(hù)的作用級(jí)別。在圍巖變形速度趨于穩(wěn)定巷幫下部靠底板施工錨桿和錨索有力調(diào)動(dòng)了底板深部巖層的承載性能，同時(shí)使得幫、底圍巖相互聯(lián)系起來(lái)有效控制底臌。 7)U 型鋼封閉支架結(jié)合壁后充填技術(shù)：在巷道施工及變形調(diào)整過(guò)程中，底板是最大的自由面，起到釋放壓力、調(diào)節(jié)變形的作用，當(dāng)幫頂支護(hù)圍巖結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定后，處于自由狀態(tài)的底板將會(huì)出現(xiàn)失控的變形，并影響到幫部的穩(wěn)定，巷道無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期維護(hù)。具有較高承載能力的反拱結(jié)構(gòu)無(wú)疑是最好的形式，通常采用錨注加固底板 巖體形成拱形圈、人工預(yù)制拱形梁或 U 型鋼封閉支架結(jié)合壁后充填技術(shù)。 3 地應(yīng)力實(shí)測(cè)技術(shù) 原巖應(yīng)力測(cè)量是目前取得各種工程需要不同深度原巖應(yīng)力可靠資料的唯一方法。例如，澳大利亞一些主要煤礦在進(jìn)行大量地應(yīng)力測(cè)量的基礎(chǔ)上，繪制了礦區(qū)地應(yīng)力分布圖，用于指導(dǎo)井下巷道的支護(hù)，有利于對(duì)礦區(qū)的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃和生產(chǎn)布置。地應(yīng)力測(cè)量的準(zhǔn)確性與采用的測(cè)量方法和儀器、設(shè)備密切相關(guān)。 朱集礦首采工作面煤（巖）巷礦壓監(jiān)測(cè)及支護(hù)技術(shù)研究報(bào)告 12 對(duì)測(cè)量方法的分類(lèi)并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)測(cè)量原理的不同分為應(yīng)力恢復(fù)法、應(yīng)力解除法、應(yīng)變恢復(fù)法、應(yīng)變解除法、水壓致裂法、聲發(fā)射法、 X 射線(xiàn)法以及重力法共 8 類(lèi)。在間接測(cè)量方法中，使用較為普遍的有套孔應(yīng)力解除法和其他的應(yīng)力或 應(yīng)變解除方法以及地球物理方法等，其中套孔應(yīng)力解除法是目前國(guó)內(nèi)外最普遍采用的、發(fā)展較為成熟的一種地應(yīng)力測(cè)量方法。特別對(duì)于礦山而言，由于有一系列開(kāi)拓和采準(zhǔn)巷道、硐室可以利用，能夠非常方便地接近地下所需測(cè)定的各點(diǎn)。 隨著鉆孔應(yīng)力解除法在世界范圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用，開(kāi)發(fā)出的應(yīng)變傳感器也隨之增多，常見(jiàn)的應(yīng)變傳感器有 CSIRO， ANZI， USBM 以及 KX81 型。 地應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介 本項(xiàng)目將使用的地應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)為中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所于 80 年代研制和開(kāi)發(fā)，并在國(guó)內(nèi)許多重大工程項(xiàng)目中得到應(yīng)用。其中現(xiàn)場(chǎng)輔助設(shè)備包括圍壓率定儀、水平定向儀、扶正器和洗孔器、安裝桿、鉆頭（ Φ130mm和 Φ36mm）。下圖 31 所示為測(cè)試系統(tǒng)的組件圖片。 （ 1）空芯包體應(yīng)變傳感