CN105781572B - 深部矿山硬岩巷道应力吸附层结构化支护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深部矿山硬岩巷道应力吸附层结构化支护方法，深部巷道开挖后初期喷射混凝土形成混凝土柔性支护层，在巷道两帮和拱顶钻凿4.5m～5.0m的炮孔并在孔底2m～2.5m范围内填入炸药实施松散破碎爆破构造拱形破碎岩石应力吸附层，利用炮孔打入注浆导管式锚杆，注浆导管式锚杆注入水泥浆重构结构支护体，炮孔内注浆固定注浆导管式锚杆，实现高应力深部硬岩巷道的拱形破碎岩石应力吸附层、结构支护体、隔离岩体和混凝土柔性支护层与注浆导管式锚杆协同的防岩爆支护结构。该支护技术形成的应力吸附层能有效降低隔离岩体围岩高应力和应力能量的集聚，抑制岩爆发生，有利于实现深部硬岩岩爆型巷道的掘进安全和高效施工。
Description
技术领域
本发明涉及一种深部矿山硬岩巷道支护方法，特别是涉及一种深部矿山硬岩巷道应力吸附层结构化支护方法，主要适用于深部岩爆型硬岩巷道掘进过程中的支护，可推广至深部地下硐室的支护领域，尤其适用于岩爆多发区域的灾害控制。
背景技术
由于深部岩体应力场的复杂性,深部硬岩巷道首先面临的是岩爆灾害，使得巷道掘进施工越发困难。随着开采深度的增加,岩爆发生的频率也明显增加。并且在深部条件下,高应力岩爆型岩体破坏具有剧烈的冲击破坏特征,破坏过程往往是突发的。
深部矿山硬岩处于高应力、高温、高井深的特殊环境,其岩石力学行为与浅部有较大区别。常规的巷道支护原理以及支护技术,均难以适应深部硬岩工程环境。部分深井工程采用卸压爆破的方式来改善巷道围岩应力状态，但其忽略了卸压爆破对巷道围岩形成的二次动力扰动，在药量控制不佳时可能造成巷道围岩二次破坏。为控制深部硬岩巷道掘进岩爆灾害，结合巷道围岩既是施载体又是承载体的特点，在巷道的支护与维护过程中应充分发挥围岩的自稳能力，发明一种深部矿山硬岩巷道应力吸附结构化支护技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种降低高应力对原岩的破坏，加强围岩自稳能力的深部矿山硬岩巷道应力吸附层结构化支护方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供的深部矿山硬岩巷道应力吸附层结构化支护方法，深部巷道开挖后初期喷射混凝土形成混凝土柔性支护层，在巷道两帮和拱顶钻凿4.5m～5.0m的炮孔并在孔底2m～2.5m范围内填入炸药实施松散破碎爆破构造拱形破碎岩石应力吸附层，利用炮孔打入注浆导管式锚杆，注浆导管式锚杆注入水泥浆重构结构支护体，炮孔内注浆固定注浆导管式锚杆，实现高应力深部硬岩巷道的拱形破碎岩石应力吸附层、结构支护体、隔离岩体和混凝土柔性支护层与注浆导管式锚杆协同的防岩爆支护结构。
具体地，其实施步骤是：巷道开挖后先期采用喷射45mm～55mm后混凝土的初期支护，形成混凝土柔性支护层达到自平衡状态；
采用凿岩台车钻凿巷道两帮各上下两个水平孔和拱顶至少三个上向扇形孔，孔深4.5m～5.0m，在孔底2m～2.5m范围内填入炸药实施松散破碎爆破，达到区域内的破碎范围互相贯通，形成一拱形破碎岩石应力吸附层，拱形破碎岩石应力吸附层与混凝土柔性支护层之间为隔离岩体；
通过炮孔打入注浆导管式锚杆，向拱形破碎岩石应力吸附层与隔离岩体交界处注水泥浆，控制拱形破碎岩石应力吸附层注浆厚度达到0.5m～0.8m后和隔离岩体的裂隙注浆胶结重构结构化支护体，强化巷道隔离岩体的完整性与稳定性；
炮孔内注浆导管式锚杆，强化隔离岩体与结构化支护体的锚杆连接协同自稳能力。
具体地，在巷帮两侧和拱顶分别布置2个水平孔和3个扇形孔，孔径为38mm～42mm，沿巷道走向炮孔排距为750mm～850mm，不同断面相同位置炮孔均在同一水平上线性布置；同一炮孔实施一次松散破碎爆破，实现不断面内不同炮孔控制下的破碎范围互相贯通，构造高应力环境的拱形破碎岩石应力吸附层。
具体地，炮孔二次利用，作为结构化支护体的注浆锚杆孔，插入注浆导管式锚杆，注浆导管式锚杆的构成为上部由2m长的尖管与注浆孔的花管组成，下部为1m长切缝摩擦式锚杆段，利用尖管和花管段实现压入松散岩块中，实施水泥浆液胶结松散破碎块石厚度为500mm，隔离岩体裂隙注浆范围1500mm，在拱形破碎岩石应力吸附层与隔离岩体中实现应力的过渡传递，减少高应力对隔离岩体的破坏，加强隔离岩体自稳能力。
采用上述技术方案的深部矿山硬岩巷道应力吸附层结构化支护方法，深部硬岩巷道开挖后形成了裸露自由面，围岩应力状态被改变，为及时控制灾害发生，先期喷射的混凝土形成初期柔性支护层，并充分发挥围岩的自稳能力。
待喷射混凝土柔性支护层实施后，采用凿岩台车在巷帮位置钻凿上下两个水平孔，拱顶位置钻凿至少三个上向扇形孔，不同断面间的炮孔均在同一水平上线性分布。在孔底内填入炸药爆破形成松散破碎体，使得不同炮孔控制下的破碎岩体互相贯通，形成一个拱形破碎岩石应力吸附层。该拱形破碎岩石应力吸附层作用机理为：拱形破碎岩石应力吸附层内均由破碎块石构成，松散破碎体承载外围高围岩应力，内部破碎块石间发生滑移，为围岩应力释放提供了空间，并有效削减了高围岩应力向隔离岩体传递作用。
爆破动力扰动下隔离岩体内原有微裂隙产生扩张，隔离岩体强度发生劣化，且拱形破碎岩石应力吸附层内岩石破碎块度差异使得不同区域应力吸附效果也不尽相同。故采取以下措施改善上述不利工况：将残余钻孔二次利用，作为结构化支护体的注浆锚杆孔，插入注浆导管式锚杆。注浆导管式锚杆上部由尖管与花管构成，下部为切缝摩擦式锚杆段。通过注浆导管式锚杆向隔离岩体与应力吸附层交界处注入水泥浆液，胶结松散破碎块石厚度500mm，隔离岩体裂隙注浆范围1500mm。至此，块石胶结与原岩的裂隙注浆胶结重构结构化支护体形成。该结构化支护体能实现应力在拱形破碎岩石应力吸附层与隔离岩体间的过渡传递，降低高应力对隔离岩体的破坏，加强隔离岩体自稳能力。
隔离岩体与拱形破碎岩石应力吸附层注浆完成后再向炮孔内注入浆液，完成锚杆砂浆固结安置。实现锚杆与注浆导管的协同统一，同时利用锚杆的锚注作用，把结构化支护体、原岩与初期支护统一为一个结构支护整体，实现支撑体系的强化，降低局部效应带来的应力集中破坏，实现了钻孔利用效益最大化。
综上所述，本发明能有效降低隔离岩体围岩高应力和应力能量的集聚，抑制岩爆发生，有利于实现深部硬岩岩爆型巷道的掘进安全和高效施工，是一种降低高应力对原岩的破坏，加强围岩自稳能力的深部矿山硬岩巷道应力吸附层结构化支护方法。
附图说明
图1是喷射混凝土柔性支护示意图。
图2是爆破布孔方式及装药参数示意图。
图3是沿图2中A-A线剖示图。
图4是爆破后形成的破碎岩体应力吸附层示意图。
图5是注浆导管式锚杆结构主体示意图。
图6是注浆导管式锚杆结构前端示意图。
图7是注浆导管式锚杆结构截面示意图。
图8是隔离岩体安置注浆锚杆示意图。
具体实施方式
本发明提供的深部矿山硬岩巷道应力吸附层结构化支护方法，深部巷道开挖后初期喷射混凝土形成混凝土柔性支护层，在巷道两帮和拱顶钻凿4.5m～5.0m的炮孔并在孔底2m～2.5m范围内填入炸药实施松散破碎爆破构造拱形破碎岩石应力吸附层，利用炮孔打入注浆导管式锚杆，注浆导管式锚杆注入水泥浆重构结构支护体，炮孔内注浆固定注浆导管式锚杆，实现高应力深部硬岩巷道的拱形破碎岩石应力吸附层、结构支护体、隔离岩体和混凝土柔性支护层与注浆导管式锚杆协同的防岩爆支护结构。
具体地，其实施步骤是：巷道开挖后先期采用喷射45mm～55mm后混凝土的初期支护，形成混凝土柔性支护层达到自平衡状态；
采用凿岩台车钻凿巷道两帮各上下两个水平孔和拱顶至少三个上向扇形孔，孔深4.5m～5.0m，在孔底2m～2.5m范围内填入炸药实施松散破碎爆破，达到区域内的破碎范围互相贯通，形成一拱形破碎岩石应力吸附层，拱形破碎岩石应力吸附层与混凝土柔性支护层之间为隔离岩体；
通过炮孔打入注浆导管式锚杆，向拱形破碎岩石应力吸附层与隔离岩体交界处注水泥浆，控制拱形破碎岩石应力吸附层注浆厚度达到0.5m～0.8m后和隔离岩体的裂隙注浆胶结重构结构化支护体，强化巷道隔离岩体的完整性与稳定性；
炮孔内注浆固定注浆导管式锚杆，强化隔离岩体与结构化支护体的锚杆连接协同自稳能力。
具体地，在巷帮两侧和拱顶分别布置2个水平孔和3个扇形孔，孔径为38mm～42mm，沿巷道走向炮孔排距为750mm～850mm，不同断面相同位置炮孔均在同一水平上线性布置；同一炮孔实施一次松散破碎爆破，实现不断面内不同炮孔控制下的破碎范围互相贯通，构造高应力环境的拱形破碎岩石应力吸附层。
炮孔二次利用，作为结构化支护体的注浆锚杆孔，插入注浆导管式锚杆，注浆导管式锚杆的构成为上部由2m长的尖管与注浆孔的花管组成，下部为1m长切缝摩擦式锚杆段，利用尖管和花管段实现压入松散岩块中，实施水泥浆液胶结松散破碎块石厚度为500mm，隔离岩体裂隙注浆范围1500mm，在拱形破碎岩石应力吸附层与隔离岩体中实现应力的过渡传递，减少高应力对隔离岩体的破坏，加强隔离岩体自稳能力。
下面结合实施例和附图对发明内容施工步骤进行进一步说明，以巷道净断面尺寸4500mm×3750mm的大断面巷道为例。
(1)巷道1开挖后撬毛处理壁面松石，确保施工环境安全后及时向壁面喷射厚度50mm的混凝土，形成混凝土柔性支护层2，如图1所示。并养护至混凝土柔性支护层2形成承载拱，围岩9变形与混凝土柔性支护层2变形达到自平衡状态；
(2)巷帮钻凿上下两排水平孔为炮孔3，间距1800mm，拱顶钻凿扇形孔为炮孔3(孔数根据实际工况和爆破参数进行调整)，炮孔3深4500mm，单排炮孔布置方式如图2所示。对不同断面相同位置的炮孔3均布置在同一水平上呈线性分布，沿巷道1走向排距为800mm，如图3所示。在爆破孔孔底控制装长度2000mm的炸药4，采用2号岩石炸药进行松散破碎爆破，形成不同炮孔控制下的破碎范围相互贯通,构成图4所示的拱形破碎岩石应力吸附层6；
(3)制备注浆导管式的注浆导管式锚杆7，用3m长的注浆小导管作为锚杆，插入端轧制成锥形，并在插入前端2m范围内钻凿有规则的注浆孔，后1m端开缝，形成切缝式锚杆，如图5、图6和图7所示；
(4)采用纯水泥制备注浆材料，进一步利用钻凿的炮孔3压入安装注浆导管式锚杆7，向拱形破碎岩石应力吸附层6与隔离岩体5交界处注浆，形成拱形破碎岩石应力吸附层6的松散破碎的块石胶结有效范围约500mm，隔离岩体5注浆深度约1500mm，利用水泥浆胶结重构松散块石和在隔离岩体5中爆破扰动形成的次生扩张裂隙形成结构支护体8，提高巷道结构化支护体8的强度，注浆后的效果如图8所示；
(5)注浆完毕后，注浆导管式锚杆7成为巷道1的锚杆支护结构，实现混凝土柔性支护层2、隔离岩体5和重构的结构支护体8的统一支撑作用，强化隔离岩体5结构强度，最终形成图8所示深部矿山硬岩巷道应力吸附层结构化支护体系。
Claims (3)
1.一种深部矿山硬岩巷道应力吸附层结构化支护方法，深部巷道开挖后初期喷射混凝土形成混凝土柔性支护层，在巷道两帮和拱顶钻凿4.5m～5.0m的炮孔并在孔底2m～2.5m范围内填入炸药实施松散破碎爆破构造拱形破碎岩石应力吸附层，利用炮孔打入注浆导管式锚杆，注浆导管式锚杆注入水泥浆重构结构支护体，炮孔内注浆固定注浆导管式锚杆，实现高应力深部硬岩巷道的拱形破碎岩石应力吸附层、结构支护体、隔离岩体和混凝土柔性支护层与注浆导管式锚杆协同的防岩爆支护结构；其特征是：其实施步骤是：巷道开挖后先期采用喷射45mm～55mm后混凝土的初期支护，形成混凝土柔性支护层达到自平衡状态；
采用凿岩台车钻凿巷道两帮各上下两个水平孔和拱顶至少三个上向扇形孔，孔深4.5m～5.0m，在孔底2m～2.5m范围内填入炸药实施松散破碎爆破，达到区域内的破碎范围互相贯通，形成一拱形破碎岩石应力吸附层，拱形破碎岩石应力吸附层与混凝土柔性支护层之间为隔离岩体；
通过炮孔打入注浆导管式锚杆，向拱形破碎岩石应力吸附层与隔离岩体交界处注水泥浆，控制拱形破碎岩石应力吸附层注浆厚度达到0.5m～0.8m后和隔离岩体的裂隙注浆胶结重构结构化支护体，强化巷道隔离岩体的完整性与稳定性；
炮孔内注浆固定注浆导管式锚杆，强化隔离岩体与结构化支护体的锚杆连接协同自稳能力。
2.根据权利要求1的深部矿山硬岩巷道应力吸附层结构化支护方法，其特征是：在巷帮两侧分别布置2个水平孔，在拱顶布置3个扇形孔，水平孔和扇形孔的孔径均为38mm～42mm，沿巷道走向炮孔排距为750mm～850mm，不同断面相同位置炮孔均在同一水平上线性布置；同一炮孔实施一次松散破碎爆破，实现不断面内不同炮孔控制下的破碎范围互相贯通，构造高应力环境的拱形破碎岩石应力吸附层。
3.根据权利要求1的深部矿山硬岩巷道应力吸附层结构化支护方法，其特征是：炮孔二次利用，作为结构化支护体的注浆锚杆孔，插入注浆导管式锚杆，注浆导管式锚杆的构成为上部由2m长的尖管与注浆孔的花管组成，下部为1m长切缝摩擦式锚杆段，利用尖管和花管段实现压入松散岩块中，实施水泥浆液胶结松散破碎块石厚度为500mm，隔离岩体裂隙注浆范围1500mm，在拱形破碎岩石应力吸附层与隔离岩体中实现应力的过渡传递，减少高应力对隔离岩体的破坏，加强隔离岩体自稳能力。
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