呂兆海趙長紅張藝耘王 震岳曉軍

(1.神華寧夏煤業(yè)集團有限責任公司,寧夏回族自治區(qū)銀川市,750004; 2.西安科技大學能源學院,陜西省西安市,710054)

＋786 m水平車場交岔點支護與施工工藝研究

呂兆海1,2趙長紅1張藝耘1王 震1岳曉軍1

(1.神華寧夏煤業(yè)集團有限責任公司,寧夏回族自治區(qū)銀川市,750004; 2.西安科技大學能源學院,陜西省西安市,710054)

清水營煤礦井田屬弱－中等富水性,二煤頂?shù)装鍘r層導水性好、富水性強,大巷交岔點施工難度較大,易變形破壞失穩(wěn),基于錨網(wǎng)索耦合支護設計思路,在工程地質條件綜合分析和地質力學評估前提下,提出大巷交岔點采用拱形斷面及錨噴＋錨索＋可縮性鋼支架的支護工藝,有效解決了交岔點變形、破壞問題。

巷道交岔點 巷道支護 聯(lián)合支護 施工工藝

針對傳統(tǒng)支護設計方法和施工過程中的不足,從巷道富水頂板變形破壞機理入手,提出錨網(wǎng)索耦合支護＋鋼支架支護設計的思路,采取經濟有效的支護方式解決清水營煤礦大巷交岔點支護難題,降低了支護成本,避免了巷道的返修。

1 概況

清水營煤礦副立井＋786 m水平車場巷道主要布置在二煤頂、底板中,部分巷道穿二煤煤層。二煤頂板巖性總體由粗粒砂巖構成,次為粉砂巖、泥巖。厚度為0.57～71.09 m,平均11.55 m,偽頂主要發(fā)育于井田南部,巖性以泥巖為主,厚度小于0.5 m;底板巖性以粉砂巖為主,次為細粒砂巖及泥巖,厚度0.53～21.14 m,平均5.06 m,一般小于5 m;頂板的侏羅系上統(tǒng)安定組－中統(tǒng)直羅組裂隙孔隙含水層(III)厚度3.4～372.33 m,平均厚度127.12 m,層位較穩(wěn)定、滲透性強及導水性好。該區(qū)域地質構造復雜、煤巖層結構松散、節(jié)理裂隙發(fā)育、抗壓強度低,具有可塑性、膨脹性、崩解性,屬于軟巖范疇。二煤為黑色塊狀,半暗型煤,弱瀝青光澤,節(jié)理及裂隙發(fā)育,平均厚度5.74 m。＋786 m水平車場一號巷道交岔點埋深615 m,巷道斷面最大寬度10.763 m,最大高度7.3 m。二煤頂?shù)装逑锏绹鷰r承載力5～12 MPa,為膨脹粘土巖類。頂?shù)装鍘r層強度及水理性、交岔點巖性分別如表1、圖1所示。

表1 頂?shù)装鍘r層強度及水理性

圖1 交岔點層位柱狀圖

2 交岔點破壞特征及受力分析

2.1 交岔點破壞特征

富水頂板交岔點圍巖變形是圍巖性質、地下水影響、圍巖應力分布、工程體相互擾動等綜合作用下的巖層彎曲、流變的綜合反映。交岔點巖柱作為交岔點區(qū)域應力最集中的部位,反復受主巷及支巷施工擾動、破壞及交接巷道頂板卸壓區(qū)和兩幫的支承壓力區(qū)相互疊加影響,造成巖柱處噴漿層開裂、變形、底臌。

2.2 交岔點受力分析

＋786 m水平井底車場埋藏較深,壓力相對較大;巷道頂板滲透性強、導水性好,為富水性較強含水層,頂板淋水加速圍巖弱化是導致交岔點失穩(wěn)主要誘因。另外大巷交岔點存在跨度大,二次施工擾動、破壞影響。根據(jù)交岔點圍巖應力分布符合多工程體并存特征,將交岔點內的主、支巷近似看作圓形斷面工程體,根據(jù)克斯特納方程,則極限平衡區(qū)的范圍Rp為:

式中:Rp——交岔點極限平衡區(qū)的范圍,m;

C——內聚力,取4.63 MPa;

φ——內摩擦角,取35.7°;

γ——巖石容重,取24.0 k N/m3;

H——交岔點埋深,取615 m;

R0——主(支)巷周圍劇烈影響半徑,m;

r0——主(支)巷的外接圓半徑,取2.7 m。

將各數(shù)據(jù)代入式(1)、(2),計算得主(支)巷周圍劇烈影響的范圍為7.3 m,交岔點極限平衡區(qū)的范圍為13.14 m。

由于交岔點內主支巷之間最小距離為500 mm,相鄰距離遠遠小于主(支)巷周圍劇烈影響的范圍,因此在主、支巷的相互影響下,造成交岔點周邊極限平衡區(qū)范圍較主(支)巷影響范圍明顯增大,交岔點周邊產生的切向壓力集中系數(shù)明顯集中,交岔點周圍地壓明顯增大,加劇了交岔點變形破壞。

3 交岔點支護對策

巷道開挖后破碎區(qū)范圍內圍巖壓力以松動壓力為主,而彈塑性區(qū)范圍內圍巖壓力以變形壓力為主。交岔點支護不僅要對破碎區(qū)內圍巖進行加固,同時要抑制塑性區(qū)變形發(fā)展。

巖柱作為交岔點支護的關鍵部位,通常采用噴漿封閉已破碎的圍巖而形成,此時巖柱的支撐強度大大降低,嚴重影響交岔點頂板圍巖的整體強度。所以,交岔點巖柱必須采用高強度的混凝進行澆筑,確保自身及圍巖整體強度滿足支護要求。

因此,富水頂板交岔點的支護過程必須依據(jù)分區(qū)支護、剛柔相濟、及時封閉、緩沖讓壓、重點加強的原則選擇支護方案和工藝,提高交岔點的穩(wěn)定性。

3.1 巷道錨網(wǎng)噴支護及可縮性鋼支架支護

采用錨網(wǎng)噴支護及可縮性鋼支架對破碎區(qū)圍巖進行加固。錨桿支護主要承受松動巖體或冒落巖體重量。U29型鋼支架豎向承載能力較大,自穩(wěn)性較高,有利于控制交岔點圍巖松動變形。根據(jù)普氏平衡拱理論,交岔點潛在冒落高度(破碎厚度)為:

式中:b——潛在冒落高度,m;

a——巷道有效高度一半,取1.7 m;

ky——頂板巖層完整性系數(shù),取0.5;

fr——頂板普氏系數(shù),取3.0;

α——巖層傾角,取12°;

c——擠壓破碎深度,取1.47 m。

將各數(shù)據(jù)代入式(3),計算得交岔點潛在冒落高度為2.07 m,因此,錨桿長度定為2500 mm。

交岔點采用錨帶網(wǎng)＋鋼支架聯(lián)合支護,全斷面支護采用?20 mm×2500 mm左旋無縱筋錨桿,間排距800 mm×800 mm,錨桿預緊力矩大于200 N·m,錨固力大于50 k N?？煽s性鋼支架采用U29型鋼,間距800 mm,每架支架由4節(jié)組成,搭接長度0.6 mm,采用卡纜連接,滑動阻力大于230 k N。為提高支架的穩(wěn)定性,每個鋼支架安設7組聯(lián)接板,腿部打設鎖腿錨桿。

錨索錨固可穿過破裂區(qū)、塑性變形區(qū),錨入原巖應力區(qū)堅固巖層,對塑性區(qū)內圍巖進行加固,使塑性區(qū)圍巖釋放彈性變形能,并抑制其圍巖變形破壞。根據(jù)相關條件經相關公式得到錨固長度大于2.5 m,錨索長度大于5.12 m,即選用?17.8 mm ×8300 mm錨索,間排距2000 mm×2000 mm可滿足支護要求。破斷力大于260 k N,預緊力120～230 k N,每根錨索用5節(jié)MSK23/70樹脂藥卷。

3.2 巷道交岔點巖柱支護

交岔點由于受主巷、支巷多次施工擾動,造成交岔點巖柱圍巖破碎,支撐強度大大降低。保持巖柱的穩(wěn)定性對交岔點頂板圍巖整體強度極其重要,在施工過程中對長度2 m范圍內的巖柱采用混凝土進行加固,混凝土強度大于C30,保證巖柱的完整性和支撐強度;2 m范圍外采用錨網(wǎng)噴＋鋼支架支護。

3.3 交岔點施工工藝

交岔點整體采用臺階法工藝施工,即先施工上部臺階,再施工下部臺階。上下臺階的分界線位于拱基線下100～200 mm位置,上下臺階相距3～5 m。交岔點施工工藝見圖2,按圖2中Ⅰ部分、Ⅱ部分、Ⅲ部分的順序首先施工上部臺階,每循環(huán)0.8 m,待拱部爆破后在臨時支護下及時進行錨網(wǎng)支護并噴漿封閉,隨后施工錨索。待臺階長度滿足施工要求后退回,再第二次按Ⅰ部分,Ⅱ部分,Ⅲ部分、Ⅳ部分的順序施工下部臺階并用混凝土澆筑交岔點巖柱,完成交岔點整體施工及初次支護后方可架設可縮性鋼支架、張緊錨索并噴漿成巷。

圖2 交岔點施工工藝

3.4 工程效果評價

該支護方案在＋786 m水平井底車場進行了實施,通過近3個月的礦壓監(jiān)測,交岔點處表面位移和底臌量控制在允許范圍內,未出現(xiàn)開裂及底臌;巷道兩幫的最大位移量30 mm,頂?shù)装遄畲笠平?5 mm。

4 結論

(1)交岔點圍巖變形是圍巖性質、地下水、圍巖應力分布、工程體相互擾動的耦合作用,其應力分布呈多工程體并存特征,交岔點周邊極限平衡區(qū)的范圍明顯增大,切向壓力明顯集中,加劇了交岔點變形破壞。

(2)對巷道交貧點附近采取分區(qū)支護進行加固,即對圍巖松動區(qū)采用 錨網(wǎng)噴支護＋鋼支架,彈(塑)性區(qū)范圍采用預應力錨索,交岔點巖柱采用澆筑混凝土的支護方案是可行的。由支架、錨索、錨網(wǎng)噴支護組成的聯(lián)合支護結構形式具有較好的整體性、穩(wěn)定性,較強的承載力和抗變形能力,能夠滿足交岔點硐室的長期穩(wěn)定需要。

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(責任編輯 張毅玲)

Study on intersection supporting and construction technology ofthe＋786m level shaft station

Lv Zhaohai1,2,Zhao Changhong1,Zhang Yiyun1,Wang Zhen1,Yue Xiaojun1
(1.Shenhua Ningxia Coal Group Co.Ltd.,Yinchuan,Ningxia 750004,China; 2.School of Energy Engineering,Xi＇an University of Science&Technology,Xi＇an,Shaanxi 710054,China)

Qingshuiying Coal Mine has weak-medium water-rich property,the roof and floor rock of 2＃coal has good water conductivity and strong water-rich property,the intersection of main roadway is difficult in construction,unstable easily to deformate and breaking.Based on the ideas of the bolt mesh cable coupling support design and in a comprehensive analysis of the engineering geological conditions and evaluation of geological mechanic premise,the intersection of main roadway using the supporting technique including arched section and bolt spray-anchor-retractable steel stent,which solved the questions of the intersection deformation and breaking.

intersection of roadways,roadway support,combined support,construction technology

TD353

A

呂兆海(1980－),男,寧夏靈武人,工程師,博士,主要從事采礦工程和采空區(qū)衍生災害預報研究。