千米深部岩巷稳定控制理论与支护技术

摘要

我国中东部主要矿区相继进入千米深部开拓延伸阶段,巷道围岩稳定控制面临诸多技术挑战.本文从千米深部巷道围岩变形破坏的内外动因出发,揭示了千米深部巷道围岩变形破坏的机理,系统地提出了千米深部岩巷围岩稳定控制的理论和关键技术.针对煤矿深部软弱围岩地应力难以测量的技术难题,基于深部软弱围岩具有的强流变特性,提出了深部软弱围岩地应力测试的新方法——流变应力恢复法地应力测试技术,通过大量现场测试揭示了千米深部围岩地应力场特征.基于数值流形方法(NMM)和非连续变形分析方法(DDA)的融合,建立了深部围岩扩容碎胀大变形破裂过程分析方法,通过数值仿真和现场试验监测,揭示了千米深部巷道围岩的变形破裂机理.在此基础上,提出了基于"应力状态恢复改善、强度增强、破裂损伤区固结修复、应力峰值转移控制与承载圈扩大"的深部巷道稳定性分步联合控制理论,发展形成了千米深部岩巷分步联合控制成套技术:自主研发了以可控预应力超高强锚杆、高强抗弯抗裂喷层、高强高韧注浆材料和分步注浆技术为核心的可控预应力超高强锚—注支护体系,有效提高了围岩的固有抗剪强度,改善了围岩的应力状态,提高了围岩抵抗"三高"作用下剪切破坏的能力;自主研发了大扭矩气动锚杆预紧安装机,可根据不同级别围岩的稳定控制需要将初始预紧力控制在50～120kN范围;创新发展了深部巷道底鼓控制技术,研制了底板锚索快速成孔钻机和底板注浆锚索,实现了巷道底板支护施工技术的关键性突破,使深部岩巷底鼓大变形破坏失稳得到有效控制.研究揭示了深部巷道膨胀性围岩大变形破坏失稳的机理,创新发展了膨胀岩巷道稳定控制技术,有效地控制了围岩的膨胀变形破坏,确保了巷道的有效使用断面,保障了矿井通风安全.成果在淮南、平顶山、徐州、淮北、新集等矿区得到推广应用.成果应用后,巷道稳定周期延长50倍以上,断面收缩率降低到原来的1/50以下,掘进月进尺提高1倍以上,支护维修综合成本降低30％以上.