本发明涉及一种深井大断面巷硐群围岩的“三壳”协同支护方法，基于断面形状、最佳布置轴向、断面尺寸与宽高比、开挖方式、软岩层位因素初步规划深井大断面巷硐群整体布置方案；同时遵循主要巷硐优先布置、主要巷硐之间平行布置、主要巷硐与辅助巷硐相互垂直布置、非等高巷硐渐进式过渡、尖角区域倒角过渡五项原则最终制定深井大断面巷硐群优化布置方案。然后基于制定的深井大断面巷硐群优化布置方案，进一步制定了“三壳”协同支护方法，加固承载壳与被动承载壳共同作用可实现支护结构与围岩的协调变形、统一承载，确保应力壳处于稳态。解决了深井大断面巷硐群围岩变形量大、支护结构易失稳等难题，实现了深井大断面巷硐群围岩的长时稳定控制。
1.一种深井大断面巷硐群围岩的“三壳”协同支护方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.实测深井大断面巷硐群规划布置区域的地质条件，具体包括地质构造、优势节理裂隙走向、围岩岩性、地应力场类型；
b.确定深井大断面巷硐群合理的断面形状、最佳布置轴向、断面尺寸与宽高比、开挖方式、基于软岩层位的优化布置方式，初步规划深井大断面巷硐群整体布置方案；
c.深井大断面巷硐群内部各巷硐布置遵循主要巷硐优先布置、主要巷硐之间平行布置、主要巷硐与辅助巷硐相互垂直布置、非等高巷硐渐进式过渡、尖角区域倒角过渡五项原则，制定深井大断面巷硐群优化布置方案；
d.依据布置方案开掘深井大断面巷硐群，并确保围岩应力壳最大限度靠近大断面巷硐群分布；
e.深井大断面巷硐群开掘期间，及时对自由面围岩初喷混凝土，喷射厚度为40～60mm；
h.打钻孔并安装锚杆、锚索，锚杆、锚索及金属网共同在围岩内构建加固承载壳，该加固承载壳通过对围岩施加径向约束力提高破碎区、塑性区岩体的残余强度，改善围岩受力条件，充分发挥围岩自承载能力；
i.再次喷射混凝土，两次喷射的混凝土喷层的总厚度不超过200mm，混凝土喷层与U型钢拱架共同在围岩外部构建被动承载壳，混凝土喷层可恢复自由面围岩的三向应力状态并且形成封闭保护层，U型钢拱架在围岩变形并与其密切接触后依靠自身强度对围岩进行加固，可快速控制围岩的持续松弛变形；
步骤b中基于软岩层位的优化布置方式具体为：若软弱岩层厚度超过大断面巷硐群净高度的0.5倍，则当径向侧压系数处于0.6～1.0范围内时，沿软弱岩层布置大断面巷硐群底板最有利于围岩稳定，当径向侧压系数小于0.6或大于1.0时，沿软弱岩层布置大断面巷硐群帮部围岩稳定性最佳；若软弱岩层厚度小于大断面巷硐群净高度的0.5倍，则当径向侧压系数处于0.6～1.0范围内时，沿软弱岩层布置大断面巷硐群近底板帮部最有利于围岩稳定，当径向侧压系数小于0.6或大于1.0时，沿软弱岩层布置大断面巷硐群近顶板帮部围岩稳定性最佳。
2.根据权利要求1所述的一种深井大断面巷硐群围岩的“三壳”协同支护方法，其特征在于，步骤b中，深井大断面巷硐群断面形状的最佳选择为直墙半圆拱形、直墙三心拱形或直墙圆弧拱形。
3.根据权利要求1所述的一种深井大断面巷硐群围岩的“三壳”协同支护方法，其特征在于，步骤b中最佳布置轴向的确定方法为：同时考虑优势节理裂隙走向及最大水平主应力方向对深井大断面巷硐群围岩稳定性的影响，深井大断面巷硐群轴向与优势节理裂隙走向垂直时最有利于其围岩控制。
4.根据权利要求3所述的一种深井大断面巷硐群围岩的“三壳”协同支护方法，其特征在于，在σv型地应力场中，当σH＝σh时，深井大断面巷硐群的最佳布置轴向为与最大水平主应力呈45°夹角，当σH≠σh时，深井大断面巷硐群最佳布置轴向为与最大水平主应力平行；
在σH型地应力场中，当σH＝σh时，深井大断面巷硐群的最佳布置轴向为与最大水平主应力呈30°夹角，当σH≠σh时，深井大断面巷硐群最佳布置轴向为与最大水平主应力平行；
在σHv型地应力场中，深井大断面巷硐群最佳布置轴向为与最大水平主应力呈0°～15°夹角。
5.根据权利要求1所述的一种深井大断面巷硐群围岩的“三壳”协同支护方法，其特征在于，步骤b中断面尺寸与宽高比的确定方法为：各巷硐的断面尺寸应在满足特定使用要求的前提下尽可能减小，当巷硐的径向侧压系数小于0.6或大于1.4时，采用窄长型断面，当径向侧压系数居于0.6～1.4区间内时，采用宽矮型断面。
6.根据权利要求1或5任意一项所述的一种深井大断面巷硐群围岩的“三壳”协同支护方法，其特征在于，步骤b中深井大断面巷硐群开挖方式为：对于窄长型断面而言，采用先顶后帮的方式开挖，对于宽矮型断面，采用先帮后顶的方式进行开挖。
7.根据权利要求1所述的一种深井大断面巷硐群围岩的“三壳”协同支护方法，其特征在于，在步骤c中,主要巷硐是指实现大断面巷硐群主要功能或断面尺寸在巷硐群内最大的巷道或硐室，相应的其他巷道或硐室则称为辅助巷硐。
8.根据权利要求1或7任意一项所述的一种深井大断面巷硐群围岩的“三壳”协同支护方法，其特征在于，步骤c中，遵循五项原则制定深井大断面巷硐群优化布置方案的具体方法为：根据地应力场类型优先规划主要巷硐的布置轴向，大断面巷硐群内存在多个主要巷硐时，各主要巷硐应同轴线布置或平行布置；当辅助巷硐基于使用要求无法与主要巷硐同轴向布置时，则其与主要巷硐垂直布置；对于深井大断面巷硐群内相互贯通的非等高巷硐而言，对小巷硐的高度进行过渡化处理；大断面巷硐群内邻近巷硐以一定角度交叉时，对尖角区域进行倒角过渡。
一种深井大断面巷硐群围岩的“三壳”协同支护方法
技术领域
[0001] 本发明涉及深部开采技术领域，尤其涉及一种深井大断面巷硐群围岩的支护方法。
背景技术
[0002] 目前，我国矿井的开采强度逐年加大，平均开采深度以每年8～12m的速度增加，可以预见未来深部开采必将成为我国煤炭工业发展和资源开发的新常态。同时，伴随井下采掘、提升、供电、排水、选煤等装备逐步向大型化、集约化、智能化的方向发展，组装、维修、安置这些装备也对井下空间提出了更高需求，出现了众多的深井大断面巷硐群。由于受高地应力、复杂构造应力和深部岩体流变性等因素的共同影响，深井大断面巷硐群普遍面临围岩变形量大、支护结构易失稳等难题，严重制约深部矿井安全高效开采。
[0003] 现阶段，针对深井大断面巷硐群围岩控制难题，众多专家学者基于深部岩体的变形破坏机理，已分别从改善应力状态、加固围岩、协调变形控制、建立全断面协同支护等方面提出了一系列围岩支护技术与控制对策，解决了众多的工程难题，但主要是基于给定的地质环境与围岩力学条件。深部大断面巷硐群整体布置时，应当考虑断面形状、最佳布置轴向、断面尺寸、宽高比、开挖方式、基于软岩层位的优化布置方式等因素的影响，同时内部各巷硐的排列布局也应遵循一定的优化布置原则，从而确保围岩应力壳最大限度的靠近大断面巷硐群分布，进而减小大断面巷硐群围岩的塑性破坏范围、降低支护难度，在此基础上再针对具体围岩条件进行有效支护是实现深井大断面巷硐群围岩长时稳定控制的普适方法。因此，提出的“三壳”协同支护方法对于指导深部矿井围岩控制与灾害防控均具有一定的参考意义。
发明内容
[0004] 本发明的目的是针对深井大断面巷硐群围岩控制难题，提供一种有效的围岩长时稳定控制方法。为实现上述目的本发明采用的技术方案如下：
[0005] 一种深井大断面巷硐群围岩的“三壳”协同支护方法，包括如下步骤：
[0006] a.实测深井大断面巷硐群规划布置区域的地质条件，具体包括地质构造、优势节理裂隙走向、围岩岩性、地应力场类型；
[0007] b.确定深井大断面巷硐群合理的断面形状、最佳布置轴向、断面尺寸与宽高比、开挖方式、基于软岩层位的优化布置方式，初步规划深井大断面巷硐群整体布置方案；
[0008] c.深井大断面巷硐群内部各巷硐布置遵循主要巷硐优先布置、主要巷硐之间平行布置、主要巷硐与辅助巷硐相互垂直布置、非等高巷硐渐进式过渡、尖角区域倒角过渡五项原则，制定深井大断面巷硐群优化布置方案；
[0009] d.依据布置方案开掘深井大断面巷硐群，并确保围岩应力壳最大限度靠近大断面巷硐群分布；
[0010] e.深井大断面巷硐群开掘期间，及时对自由面围岩初喷混凝土，喷射厚度为40～60mm；
[0011] f.安装金属网；
[0012] g.架设U型钢拱架；
[0013] h.打钻孔并安装锚杆、锚索，锚杆、锚索及金属网共同在围岩内构建加固承载壳，该加固承载壳通过对围岩施加径向约束力提高破碎区、塑性区岩体的残余强度，改善围岩受力条件，充分发挥围岩自承载能力；
[0014] i.再次喷射混凝土，两次喷射的混凝土喷层的总厚度不超过200mm，混凝土喷层与U型钢拱架共同在围岩外部构建被动承载壳，混凝土喷层可恢复自由面围岩的三向应力状态并且形成封闭保护层，U型钢拱架在围岩变形并与其密切接触后依靠自身强度对围岩进行加固，可快速控制围岩的持续松弛变形。
[0015] 其中，步骤b中，深井大断面巷硐群断面形状的最佳选择为直墙半圆拱形、直墙三心拱形或直墙圆弧拱形。
[0016] 其中，步骤b中最佳布置轴向的确定方法为：同时考虑优势节理裂隙走向及最大水平主应力方向对深井大断面巷硐群围岩稳定性的影响，深井大断面巷硐群轴向与优势节理裂隙走向垂直时最有利于其围岩控制；
[0017] 在σv型地应力场中，当σH＝σh时，深井大断面巷硐群的最佳布置轴向为与最大水平主应力呈45°夹角，当σH≠σh时，深井大断面巷硐群最佳布置轴向为与最大水平主应力平行；
[0018] 在σH型地应力场中，当σH＝σh时，深井大断面巷硐群的最佳布置轴向为与最大水平主应力呈30°夹角，当σH≠σh时，深井大断面巷硐群最佳布置轴向为与最大水平主应力平行；
[0019] 在σHv型地应力场中，深井大断面巷硐群最佳布置轴向为与最大水平主应力呈0°～15°夹角。
[0020] 其中，步骤b中断面尺寸与宽高比的确定方法为：各巷硐的断面尺寸应在满足特定使用要求的前提下尽可能减小，当巷硐的径向侧压系数小于0.6或大于1.4时，采用窄长型断面，当径向侧压系数居于0.6～1.4区间内时，采用宽矮型断面。
[0021] 其中，步骤b中深井大断面巷硐群开挖方式为：对于窄长型断面而言，采用先顶后帮的方式开挖，对于宽矮型断面，采用先帮后顶的方式进行开挖。
[0022] 其中，步骤b中基于软岩层位的优化布置方式具体为：若软弱岩层厚度超过大断面巷硐群净高度的0.5倍，则当径向侧压系数处于0.6～1.0范围内时，沿软弱岩层布置大断面巷硐群底板最有利于围岩稳定，当径向侧压系数小于0.6或大于1.0时，沿软弱岩层布置大断面巷硐群帮部围岩稳定性最佳；若软弱岩层厚度小于大断面巷硐群净高度的0.5倍，则当径向侧压系数处于0.6～1.0范围内时，沿软弱岩层布置大断面巷硐群近底板帮部最有利于围岩稳定，当径向侧压系数小于0.6或大于1.0时，沿软弱岩层布置大断面巷硐群近顶板帮部围岩稳定性最佳。
[0023] 在步骤c中,主要巷硐是指实现大断面巷硐群主要功能或断面尺寸在巷硐群内最大的巷道或硐室，相应的其他巷道或硐室则称为辅助巷硐。
[0024] 其中，步骤c中，遵循五项原则制定深井大断面巷硐群优化布置方案的具体方法为：根据地应力场类型优先规划主要巷硐的布置轴向，大断面巷硐群内存在多个主要巷硐时，各主要巷硐应同轴线布置或平行布置；当辅助巷硐基于使用要求无法与主要巷硐同轴向布置时，则其与主要巷硐垂直布置；对于深井大断面巷硐群内相互贯通的非等高巷硐而言，对小巷硐的高度进行过渡化处理；大断面巷硐群内邻近巷硐以一定角度交叉时，对尖角区域进行倒角过渡。
[0025] 本发明的有益技术效果为：
[0026] 1、本发明基于断面形状、最佳布置轴向、断面尺寸与宽高比、开挖方式、软岩层位因素初步规划深井大断面巷硐群整体布置方案；同时遵循主要巷硐优先布置、主要巷硐之间平行布置、主要巷硐与辅助巷硐相互垂直布置、非等高巷硐渐进式过渡、尖角区域倒角过渡五项原则最终制定深井大断面巷硐群优化布置方案。
[0027] 2、基于制定的深井大断面巷硐群优化布置方案，进一步提出了基于深井大断面巷硐群优化布置的“三壳”协同支护方法，加固承载壳与被动承载壳共同作用可实现支护结构与围岩的协调变形、统一承载，确保应力壳处于稳态，避免应力壳因深部岩体的流变性而持续向远场移动，从而导致围岩的变形破坏范围逐步增大、控制难度逐步增加。解决了深井大断面巷硐群围岩变形量大、支护结构易失稳等难题，实现了深井大断面巷硐群围岩的长时稳定控制。
[0028] 巷硐群围岩最大主应力场内存在的高应力束形成的宏观应力壳，其外侧岩体逐步趋于原岩应力状态，内侧岩体及巷硐则处于应力降低区，围岩剧烈位移和破坏均发生于该区域，围岩塑性区始终处于应力壳的包裹中，塑性区发育与应力壳运移存在一致性，即随围岩塑性破坏范围增大，应力壳逐步向远场移动。因此，基于断面形状、断面尺寸、宽高比、开挖方式、软岩层位、地应力场具体类型合理布置深井大断面巷硐群，可最大限度利用应力壳来控制围岩稳定、降低围岩支护难度。
附图说明
[0029] 图1是深井大断面巷硐群围岩“三壳”协同支护方法的流程示意图。
[0030] 图2是应力壳控制深井大断面巷硐群围岩变形破坏范围示意图；
[0031] 图3是围岩加固承载壳构成示意图；
[0032] 图4是围岩被动承载壳构成示意图；
[0033] 图2‑4中①破碎区、②塑性区、③弹性区、④塑性硬化区、⑤塑性软化区。
[0034] 图5是深井大断面巷硐群围岩“三壳”协同支护力学模型示意图；
[0035] 图6是不同类型地应力场中巷硐群轴向最佳布置方式示意图；
[0036] 图中，(a)σv型应力场；(b)σH型应力场；(c)σHv型应力场；
[0037] 图7是不同类型深井大断面巷硐群合理开挖方式示意图；
[0038] 图中，(a)“窄长”型巷硐开挖方式；(b)“宽矮”型开挖方式；
[0039] 图8是深井大断面巷硐群基于软岩层位优化布置方式示意图；
[0040] 图中，(a)径向侧压系数小于0.6或大于1；(b)径向侧压系数居于0.6～1区间内；
[0041] 图9是非等高巷硐渐进式过渡示意图；
[0042] 图中，(a)非等高巷硐同轴线；(b)非等高巷硐垂直
[0043] 图10是尖角区域倒角过渡示意图。
具体实施方式
[0044] 如图1所示，一种深井大断面巷硐群围岩的“三壳”协同支护方法，包括如下步骤：
[0045] a.实测深井大断面巷硐群规划布置区域的地质条件，具体包括地质构造、优势节理裂隙走向、围岩岩性、地应力场类型等；
[0046] b.确定深井大断面巷硐群合理的断面形状、最佳布置轴向、断面尺寸与宽高比、开挖方式、基于软岩层位的优化布置方式，初步规划深井大断面巷硐群整体布置方案；
[0047] c.深井大断面巷硐群内部各巷硐布置遵循主要巷硐优先布置、主要巷硐之间平行布置、主要巷硐与辅助巷硐相互垂直布置、非等高巷硐渐进式过渡、尖角区域倒角过渡五项原则，制定深井大断面巷硐群优化布置方案；
[0048] 如图2所示，d.依据布置方案开掘深井大断面巷硐群，并确保围岩最大主应力场的高应力束，即应力壳，最大限度靠近大断面巷硐群分布，从而减小围岩的变形破坏范围，降低围岩支护难度；
[0049] 如图3‑5所示，e.深井大断面巷硐群开掘期间，及时对自由面围岩初喷混凝土，喷射厚度为40～60mm；
[0050] f.安装金属网，比如钢筋网；
[0051] g.架设U型钢拱架；
[0052] h.打钻孔并安装锚杆、锚索，锚杆、锚索及金属网共同在围岩内构建加固承载壳，该加固承载壳通过对围岩施加径向约束力提高破碎区、塑性区岩体的残余强度，改善围岩受力条件，充分发挥围岩自承载能力；
[0053] i.再次喷射混凝土，两次喷射的混凝土喷层的总厚度不超过200mm，混凝土喷层与U型钢拱架共同在围岩外部构建被动承载壳，混凝土喷层可恢复自由面围岩的三向应力状态并且形成封闭保护层，避免空气、水等对自由面围岩产生侵蚀作用，抑制自由面围岩风化剥落，U型钢拱架在围岩变形并与其密切接触后依靠自身强度对围岩进行加固，可快速控制围岩的持续松弛变形。
[0054] 其中，步骤b中断面形状的确定方法为：选取矩形、梯形、折线拱形、直墙半圆拱形、直墙圆弧拱形、直墙三心拱形、半椭圆形、椭圆形、圆形共9种井下常用的断面形状，综合分析各断面形状的围岩控制效果、施工难度以及断面利用率，最终确定深井大断面巷硐群断面形状的最佳选择为折线‑曲线形，即直墙半圆拱形、直墙三心拱形、直墙圆弧拱形。
[0055] 其中，步骤b中最佳布置轴向的确定方法为：同时考虑优势节理裂隙走向及最大水平主应力方向对深井大断面巷硐群围岩稳定性的影响，深井大断面巷硐群轴向与优势节理裂隙走向垂直时最有利于其围岩控制；
[0056] 如图6所示，在σv型(垂直主应力σv﹥最大水平主应力σH≥最小水平主应力σh)地应力场中，当σH＝σh时，深井大断面巷硐群的最佳布置轴向为与最大水平主应力呈45°夹角，当σH≠σh时，深井大断面巷硐群最佳布置轴向为与最大水平主应力平行；
[0057] 在σH型(最大水平主应力σH≥最小水平主应力σh﹥垂直主应力σv)地应力场中，当σH＝σh时，深井大断面巷硐群的最佳布置轴向为与最大水平主应力呈30°夹角，当σH≠σh时，深井大断面巷硐群最佳布置轴向为与最大水平主应力平行；
[0058] 在σHv型(最大水平主应力σ﹥H 垂直主应力σv﹥最小水平主应力σh)地应力场中，深井大断面巷硐群最佳布置轴向为与最大水平主应力呈0°～15°夹角。
[0059] 其中，步骤b中断面尺寸与宽高比的确定方法为：各巷硐的断面尺寸应在满足特定使用要求的前提下尽可能减小，当巷硐的径向侧压系数小于0.6或大于1.4时，较小宽高比(宽度与高度之比小于1，即“窄长”型断面)有利于大断面巷硐群围岩稳定，当径向侧压系数居于0.6～1.4区间内时，宽高比较大(宽度与高度之比大于1，即“宽矮”型断面)有利于围岩控制。
[0060] 如图7所示，其中，步骤b中深井大断面巷硐群开挖方式为：对于小宽高比即“窄长”型断面而言，采用先顶后帮的方式开挖有利于围岩稳定，而对于大宽高比即“宽矮”型断面，则应采用先帮后顶的方式进行开挖。
[0061] 如图8所示，其中，步骤b中基于软岩层位的优化布置方式具体为：若软弱岩层厚度超过大断面巷硐群净高度的0.5倍，则当径向侧压系数处于0.6～1.0范围内时，沿软弱岩层布置大断面巷硐群底板最有利于围岩稳定，当径向侧压系数小于0.6或大于1.0时，沿软弱岩层布置大断面巷硐群帮部围岩稳定性最佳；若软弱岩层厚度小于大断面巷硐群净高度的0.5倍，则当径向侧压系数处于0.6～1.0范围内时，沿软弱岩层布置大断面巷硐群近底板帮部最有利于围岩稳定，当径向侧压系数小于0.6或大于1.0时，沿软弱岩层布置大断面巷硐群近顶板帮部围岩稳定性最佳。
[0062] 在步骤c中,主要巷硐是指实现大断面巷硐群主要功能或断面尺寸在巷硐群内最大的巷道或硐室，相应的其他巷道或硐室则称为辅助巷硐。
[0063] 其中，步骤c中，遵循五项原则制定深井大断面巷硐群优化布置方案的具体方法为：主要巷硐由于同时具备功能上的重要性和围岩控制难度上的突出性，因此大断面巷硐群布置时应根据地应力场类型优先规划主要巷硐的布置轴向；大断面巷硐群内存在多个主要巷硐时，各主要巷硐应同轴线布置或平行布置；当辅助巷硐基于使用要求无法与主要巷硐同轴向布置时，则其与主要巷硐垂直布置时最有利于交叉点区域围岩稳定；如图9所示，对于深井大断面巷硐群内相互贯通的非等高巷硐而言，对小巷硐的高度进行过渡化处理，有利于减小衔接区域围岩的塑性破坏范围；如图10所示，大断面巷硐群内邻近巷硐以一定角度交叉时，夹角区域易于发生塑性破坏，增加围岩控制难度，通过对尖角区域倒角过渡有利于减小无效支护区范围，降低围岩控制难度。
