一种高应力巷道围岩卸压控制大变形的方法.pdf

本发明属于矿山高应力巷道围岩大变形控制的一种方法，该方法主要包括：判断围岩压力是否为高应力，卸压时机的确定，卸压方式确定，钻孔或预裂切割爆破卸压，缷压区域充填，围岩压力监测和变形监测。发明的特征在于：通过巷道围岩岩石样品的强度测试和成分分析判断高应力围岩的性质，通过变形监测和实验研究确定卸压时机和方式，在巷道围岩内采用钻孔或预裂爆破技术缷压，并在缷压槽内充填围岩变形缓冲材料，同时在缷压槽内埋设压力传感器和布设围岩变形监测断面以监测缷压效果。本发明能有效控制矿山大埋深或者非冲击地压的高地应力地质条件下巷道围岩变形，保证矿山高地应力环境中的巷道能在生产期间正常使用。

权利要求书
1.  一种高应力巷道围岩变形控制方法的其特征在于：
①判断巷道围岩内的应力是否为高应力，对硬质岩体采用应力解除法、应力恢复法或水压致裂法测试得到初始应力大于20MPa或者当Rc/σmax＝4～7时，即为高应力硬质岩体；对软质岩体采用岩石试件单轴抗压(抗拉)强度和电镜扫描岩石细微裂隙及矿物，当巷道围岩应力接近或已达到其极限承载强度，同时岩石成分中含有遇水显著膨胀类物质和片架状粘土矿物，即为高应力软质岩体；
②开槽时机，对于硬岩体内的巷道，当监测围岩的位移变化速率降低到50％时认为施工开挖引起的变形量完成，围岩内部高应力开始释放，即为开挖卸压槽的最佳时机。对于软岩体内的巷道由工程类比法加以选定；
③开槽方式，沿巷帮平行于巷道轴向方向开槽，即沿着巷道轴向方向距离底板1000mm开槽水平卸压槽；垂直于巷道轴向局部开槽，即垂直于巷道轴向帮部、底板或者顶板开槽，卸压槽的间距在10m～15m，降低巷道围岩浅部应力，将围岩内的高应力转移至深部围岩；垂直于巷道四周开槽，即垂直于巷道轴向方向在巷道四周开槽，卸压槽的间距在20m～30m；
④高应力巷道围岩卸压措施，对于硬质围岩采用预裂爆破技术(钻孔之间采用间隔装药，利用未装药的钻孔作为爆破导向孔)在巷道围岩内形成卸压槽，卸压槽的规格：宽度100mm～200mm，深度1000mm～1500mm；对于软质围岩采用风镐施工大直径钻孔在巷道围岩内形成卸压槽，卸压槽的规格：宽度200mm～300mm，深度500mm～1000mm；
⑤卸压区域的充填措施，对硬质岩体巷道围岩卸压槽内回填锯末、生石灰等；对软质岩体巷道围岩卸压槽后及时处理，卸压槽上下用木板护槽壁，中间打木撑固定，槽口用钢筋网封闭；
⑥卸压效果检验，每个100m在缷压槽内采用水泥砂浆埋设液压型或光电型压力传感器监测卸压槽内的压力；在巷道表面采用三角法布置位移监测点测试卸压效果。

说明书一种高应力巷道围岩卸压控制大变形的方法
技术领域
本发明属于矿山高应力围岩巷道卸压施工的一种方法，适用于矿山大埋深或高地应力的地质条件下的巷道工程。
背景技术
随着矿山开采深度越来越大，地质环境更加复杂，导致地应力增加、破碎岩体增加、涌水量加大、地温升高、突发性灾害事故增加、作业环境恶化等一系列问题。对矿山巷道围岩变形更加严重，如何有效控制矿山深部巷道围岩变形的问题受到国内外专家学者关注。
巷道围岩的高应力表现为两种形式：①冲击地压类型高应力围岩和②大变形类型高应力围岩，对于①冲击地压类型高应力围岩，当巷道围岩的内应力超过一定的应力值并且应力瞬间释放，才会发生冲击地压，造成灾害，通常称为冲击地压。专利(CN102425416A)公开了一种煤矿高应力区域巷道掘进工作面冲击地压防治方法和专利(CN101936162A)公开了一种煤矿构造应力区层状巷道底板冲击地压防治方法，这两个专利主要是一种消除冲击地压的方法，《防治煤与瓦斯突出规程》中的第八条～第十三条提出了突出煤层和突出矿井鉴定要求，当矿井或者煤层经过被专业机构鉴定认为是具有突出，那么开采设计、巷道施工、安全检测和防护措施均要符合《防治煤与瓦斯突出规程》的规定。对于②大变形类型高应力围岩，当巷道围岩内高应力缓慢释放则表现为巷道围岩变形量大，这种围岩的高应力通过变形缓慢释放，不会造成灾害，随着巷道围岩变形量增大，严重影响巷道的正常使用，如陈启永在《煤炭科学技术》公开发表了“高应力大变形巷道锚注支护技术实践”认为高应力围岩巷道并非全部为冲击地压，分析了巷道的变形破坏是多种因素综合作用的结果，影响该巷道稳定的原因主要包括构造应力、岩性、支护形式及参数等；庞建勇在《建井技术》发表的“新型钢筋网壳锚喷支架的试验研究与应用”论文中认为高应力软岩巷道地压大，表现为变形强烈，支护困难。
深部复杂的地质条件和力学环境，造成巷道围岩稳定性难以控制，支护困难，使用期变形破坏严重，迫使矿山企业陷入多次修复与严重影响正常生产的困境，同时多次修护更易造成矿山深部巷道围岩的多次扰动更不利于巷道的变形控制。目前对于矿山深部巷道围岩变形控制主要采用柔性支护结构，如锚索网梁联合支护、可缩性金属支架、开挖卸压巷道等方法。这些方法都存在成本高，支护效果不理想等问题。
对于大埋深或高地应力地质条件下的巷道工程如何降低深部围岩对支护结构和浅部围岩 的作用力，同时由深部围岩承担一部分高地应力的问题，这将是解决矿山深部巷道围岩变形一种有效方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于矿山大埋深或高地应力的地质条件下的矿山巷道围岩变形控制的方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：通过巷道围岩岩石样品的强度测试和成分分析判断高应力围岩的性质，通过变形监测和实验研究确定卸压时机和方式，在巷道围岩内采用钻孔或预裂爆破技术缷压，并在缷压槽内充填围岩变形缓冲材料，同时在缷压槽内埋设压力传感器和布设围岩变形监测断面以监测缷压效果。
(1)判断巷道围岩内的应力是否为高应力，对硬质岩体采用应力解除法、应力恢复法或水压致裂法测试得到初始应力大于20MPa或者当Rc/σmax＝4～7时，即为高应力硬质岩体；对软质岩体采用岩石试件单轴抗压(抗拉)强度和电镜扫描岩石细微裂隙及矿物，当巷道围岩应力接近或已达到其极限承载强度，同时岩石成分中含有遇水显著膨胀类物质和片架状粘土矿物，即为高应力软质岩体。
(2)开槽时机，对于硬岩体内的巷道，当监测围岩的位移变化速率降低到50％时认为施工开挖引起的变形量完成，围岩内部高应力开始释放，即为开挖卸压槽的最佳时机。对于软岩体内的巷道由工程类比法加以选定。
(3)开槽方式，沿巷帮平行于巷道轴向方向开槽，即沿着巷道轴向方向距离底板1000mm开槽水平卸压槽；垂直于巷道轴向局部开槽，即垂直于巷道轴向帮部、底板或者顶板开槽，卸压槽的间距在10m～15m，降低巷道围岩浅部应力，将围岩内的高应力转移至深部围岩；垂直于巷道四周开槽，即垂直于巷道轴向方向在巷道四周开槽，卸压槽的间距在20m～30m。
(4)高应力巷道围岩卸压措施，对于硬质围岩采用预裂爆破技术(钻孔之间采用间隔装药，利用未装药的钻孔作为爆破导向孔)在巷道围岩内形成卸压槽，卸压槽的规格：宽度100mm～200mm，深度1000mm～1500mm；对于软质围岩采用风镐施工大直径钻孔在巷道围岩内形成卸压槽，卸压槽的规格：宽度200mm～300mm，深度500mm～1000mm。
(5)卸压区域的充填措施，对硬质岩体巷道围岩卸压槽内回填锯末、生石灰等；对软质岩体巷道围岩卸压槽后及时处理，卸压槽上下用木板护槽壁，中间打木撑固定，槽口用钢筋网封闭。
(6)卸压效果检验，每个100m在缷压槽内采用水泥砂浆埋设液压型或光电型压力传感器监测卸压槽内的压力；在巷道表面采用三角法布置位移监测点测试卸压效果。
本发明的有益技术效果在于：能有效控制矿山大埋深或高地应力的地质条件下的矿山巷道围岩变形；降低深部围岩对支护结构和浅部围岩的作用力；由深部围岩承担一部分高地应力；改变矿山大埋深或高地应力的地质条件下的巷道多次修复困境。
本发明使用于以下类型采煤工作面的回采巷道：①高地应力地质环境，②矿山埋深大的地质环境，③存在底臌的巷道，④存在有岩爆的巷道工程。
附图说明
图1为本发明的巷道卸压槽充填示意图。
图2为本发明的巷道卸压槽埋设的压力传感器示意图。
图3巷道围岩开挖卸压槽爆破钻孔布置示意图。
图4沿巷道轴向围岩卸压槽布置示意图。
图中：1-巷道  2-卸压槽  3-充填材料  4-压力表  5-压力传感器  6-爆破钻孔  7-支护结构
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。巷道高应力围岩的两种形式①冲击地压类型高应力围岩和②大变形类型高应力围岩的区别：
(1)判断标准
冲击地压类型围岩高应力的表现形式为冲击地压，冲击地压是世界范围内煤矿矿井中最严重的自然灾害之一。灾害是以突然、急剧、猛烈的形式释放煤岩体变形能，煤岩体被抛出，造成支架损坏、片帮冒顶、巷道堵塞、伤及人员，并产生巨大的响声和岩体震动，震动时间从几秒到几十秒。
大变形类型高应力围岩的表现形式为变形量大，围岩内应力缓慢释放，该类型的巷道围岩在其服务期间围岩塑性区大，变形十分严重，少则几百毫米，多则1.0～2.0m。巷道在服务期间需要进行不断的维护与返修。
(2)处理方法
冲击地压类型高应力围岩主要通过：①煤层高压注水，②深孔控制爆破，③深孔控制爆破与高压注水结合。《防治煤与瓦斯突出规程》中的第八条～第十三条提出了突出煤层和突出矿井鉴定要求。当矿井或者煤层经过被专业机构鉴定认为是具有突出，那么开采设计、巷道施工、安全检测和防护措施均要符合《防治煤与瓦斯突出规程》的规定。以一种高应力巷道围岩变形控制方法为例，在《防治煤与瓦斯突出规程》中的第九十条煤巷掘进工作面采用松动爆破防突措施，如下所述：①松动爆破钻孔的孔径一般为42mm，孔深不得小于8m。松动 爆破应至少控制到巷道轮廓线外3m的范围。孔数根据松动爆破的有效影响半径确定。松动爆破的有效影响半径通过实测确定；②松动爆破孔的装药长度为孔长减去5.5～6m；③松动爆破按远距离爆破的要求执行。
大变形类型高应力围岩主要通过：①应力释放法，如柔性支护结构(锚网支护、可缩性U型支架等)，②应力转移理论与技术(预裂爆破、水力冲孔、钻孔卸压等)。
(3)监测方法
冲击地压类型高应力围岩主要通过：①地球物理监测手段(地音监测法、电磁辐射检测法、微震监测系统等)。②地质勘探法，如钻屑法、压力测试法等。
大变形类型高应力围岩主要通过：①支护结构受力监测，如锚杆测力，液压枕等；②巷道表面变形监测，如顶底板位移量监测，两帮的位移量监测；③围岩松动圈测试，如钻孔窥视、多点位移计监测等。
大变形类型高应力围岩卸压机理、方法、施工和卸压效果分析如下所述：
围岩卸压机理：采用人为的措施改变巷道围岩的应力状态，使巷道的浅部围岩处于应力降低区，使巷道的浅部围岩与深部岩体脱离，原来处于高应力状态的岩层卸载，将应力转移到围岩深部。从而减缓、降低巷道浅部围岩所受到的应力作用水平。
围岩卸压的方法：按照采用卸压方法的不同分为爆破卸压、钻孔卸压和切割槽卸压等形式；按照卸压位置的不同可分为底板卸压、侧帮卸压及全断面卸压及附近开挖工程卸压等形式。
围岩卸压适用条件：主要有高地应力地质环境、矿山埋深大的地质环境、存在底臌的巷道、存在有岩爆的巷道工程等。
围岩卸压施工方法：首先，通过巷道围岩应力计算确定是否属于高应力巷道，该应力计算需要结合围岩强度，巷道埋深、地质构造，是否存在应力集中区域等条件综合考虑。其次，确定卸压钻孔间距、卸压钻孔直径、卸压孔排数及排距、卸压钻孔深度、卸压钻孔的位置等相关参数。第三，埋设压力传感器(5)，根据卸压孔位置的不同合理布置压力传感器(5)的位置。以监测钻孔卸压的效果。第四，根据压力传感器(5)的监测数据分析确定钻孔卸压是否能达到预期效果。第五，如果没有达到预期卸压效果，采用预裂爆破充填卸压方法，即在原有卸压钻孔中采用爆破方法开挖卸压槽(2)，并对其进行充填，以达到卸压的目的。
围岩卸压效果分析：巷道围岩卸压的最终效果要通过卸压前后巷道围岩变形和卸压范围应力监测数据的比较来确定是否达到了巷道围岩卸压。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工程技术人员在本发明的技术范围内，可做一些变换，如钻孔位置、钻孔排数、 卸压槽位置等，都应该作为侵犯本发明的保护范围。因此本发明的保护范围应该以权力要求书的保护范围为准。