張立敏

(河北省保定地質(zhì)工程勘查院)

林南倉(cāng)礦軟巖巷道聯(lián)合支護(hù)技術(shù)實(shí)踐

張立敏

(河北省保定地質(zhì)工程勘查院)

林南倉(cāng)礦-650 m水平石門(mén)巷道變形嚴(yán)重，影響了礦井的安全生產(chǎn)。分析了巷道變形的主要原因，設(shè)計(jì)聯(lián)合支護(hù)治理方案。巷道修復(fù)完成后，通過(guò)工程檢測(cè)，頂?shù)装遄畲笙鄬?duì)位移量為90 mm，兩幫相對(duì)位移量為70 mm左右，收斂速度均低于0.6 mm/d，并很快達(dá)到了穩(wěn)定，從根本上控制了巷道變形。

軟巖巷道 底鼓 錨噴支護(hù) 變形機(jī)理 數(shù)值模擬

在煤礦開(kāi)采中，巷道的強(qiáng)烈變形帶來(lái)了大量的二次返修工作，增加了巷道的維護(hù)費(fèi)用，影響礦井的正常生產(chǎn)。尤其是在軟巖巷道中，由于軟巖的獨(dú)特性質(zhì)，加之開(kāi)采深度的不斷增加，或受到采動(dòng)、淋水等不利因素的影響，巷道的底鼓現(xiàn)象尤為突出。因此，研究軟巖巷道變形機(jī)理與防治措施非常必要。通過(guò)深入分析林南倉(cāng)礦二水平軌道石門(mén)巷道的變形機(jī)理，制定出對(duì)該段巷道有針對(duì)性的錨噴支護(hù)治理方案，通過(guò)工程實(shí)踐，取得了良好的效果，為該礦安全生產(chǎn)提供了技術(shù)保障，也為軟巖巷道支護(hù)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

1 工程背景

林南倉(cāng)礦是開(kāi)灤(集團(tuán))開(kāi)發(fā)薊玉煤田的主力礦井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.2 Mt/a，煤田發(fā)育狀況為南北兩翼翹起的盆底型，目前生產(chǎn)區(qū)域主要集中于 -650 m 水平的北翼。隨著開(kāi)采強(qiáng)度地提高，已有開(kāi)拓和準(zhǔn)備區(qū)域趨緊，該水平南翼資源的銜接提上日程。按照規(guī)劃設(shè)計(jì)，將由現(xiàn)有的-650 m井底車場(chǎng)拔門(mén)施工兩條2 500余m的并行石門(mén)，與南翼回風(fēng)大巷和運(yùn)輸大巷貫通，形成南翼通風(fēng)和運(yùn)輸系統(tǒng)。而兩條石門(mén)作為穿層巷道，需要由北向南兩次穿越煤12至煤4頂?shù)装鍘r層，其中煤12至煤6間巖性多為泥質(zhì)軟弱砂巖，以煤11底的灰白色中砂巖和粉砂巖(俗稱白砂矸)、煤9頂?shù)姆凵皫r段軟巖特征最為典型。通過(guò)4個(gè)多月的觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，巷道底鼓占總巷道的70%～80%，頂?shù)装逑鄬?duì)位移普遍達(dá)到 600 mm 以上，并且保持近6 mm/d的高速收斂狀態(tài)。自巷道開(kāi)挖起，平均返修率達(dá)到120%，個(gè)別地段達(dá)到200%～300%，局部地段的多次套修，費(fèi)用高達(dá)5萬(wàn)～6萬(wàn)元/m，既延誤了接替周期，又增加了工程投資，嚴(yán)重影響了礦井的正常生產(chǎn)。

2 巷道變形機(jī)理分析

在軟巖巷道中，底鼓是圍巖變形和破壞的主要方式之一，與底板巖層的性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)。軟巖的物理力學(xué)性質(zhì)與應(yīng)力狀態(tài)是決定巷道底鼓的兩個(gè)主要因素。歸納起來(lái)，軟巖底鼓主要有以下幾個(gè)方面原因引起：

(1)巷道底板巖石發(fā)生彈性或塑性變形[1]。巷道開(kāi)挖后，底板巖層受力載荷局部卸載，巖石產(chǎn)生彈性恢復(fù)，當(dāng)應(yīng)力足夠大，超過(guò)巖層的彈性屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)使巖層產(chǎn)生塑性變形。

(2)巷道底板巖層的擴(kuò)容現(xiàn)象[2]。由于巷道的開(kāi)挖導(dǎo)致底板巖層局部區(qū)域垂直方向的應(yīng)力降低，水平方向的應(yīng)力增加，增加了應(yīng)力偏量，從而引起巖石的擴(kuò)容變形，這也是引起巷道底鼓的重要原因。

(3)軟巖巷道底板巖石遇水后發(fā)生膨脹[3]。對(duì)于蒙脫石等黏土礦物含量較高的軟巖巷道，遇水后會(huì)發(fā)生劇烈的膨脹，巖石的體積變大，引起巷道底鼓。

(4)巷道兩幫底角擠壓底板[4]。巷道兩幫圍巖變形后從巷道的兩個(gè)底角擠壓底板圍巖，下部巖層向上移動(dòng)，引起巷道底板巖層的失穩(wěn)，在一些層狀的巖層巷道中，是巷道底板底鼓變形的主要方式。

巷道變形不是單一因素起作用，而是相互聯(lián)系、相互影響的結(jié)果[5]。林南倉(cāng)礦軌道石門(mén)巷道變形破壞表現(xiàn)為巖石遇水膨脹碎裂，底板巖層遇水膨脹、彎曲斷裂；巷道底鼓引起巷道兩幫持續(xù)變形加劇，進(jìn)而造成兩幫底角對(duì)巷道底板巖層的擠壓，如此惡性循環(huán)增加巷道底鼓。

3 聯(lián)合支護(hù)

在含有大量蒙脫石等黏土礦物的軟巖巷道中，圍巖遇水膨脹后強(qiáng)度迅速降低、體積大幅度增加，為控制圍巖變形，采取聯(lián)合支護(hù)技術(shù)：①架設(shè)U型鋼，對(duì)巖層的膨脹起到一定的約束，減小圍巖強(qiáng)度的降低程度，對(duì)底板的穩(wěn)定也能起到有利的作用；②采用規(guī)格φ22 mm×2 000 mm右旋螺紋鋼HR335等強(qiáng)錨桿，間排距為 800 mm ×800 mm，采用3卷K2333樹(shù)脂藥卷，半錨，錨固長(zhǎng)度不小于1 000 mm，設(shè)計(jì)錨固力頂錨桿為80kN，錨桿螺絲預(yù)緊扭矩不低于 150 N·m，幫錨桿錨固力為60 kN；③鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，規(guī)格為(長(zhǎng)×寬)2 000 mm×900 mm，采用直徑6 mm 盤(pán)條焊接而成，網(wǎng)格100 mm×100 mm；④噴射混凝土，強(qiáng)度為C25，材料配比為m(水泥)∶m(紅矸石粉)=1∶2，水灰比0.4～0.5，加入1%～3%速凝劑，采用普通425硅酸鹽水泥，噴漿厚度100 mm；⑤為加強(qiáng)頂部巷道錨固強(qiáng)度，在巷道偏頂處，距巷正中各1 m處，設(shè)置1根φ15.25 mm×6 300 mm、6股鋼絞線錨索，錨索底盤(pán)采用長(zhǎng)300 mm的20#槽鋼作為托梁，槽鋼平面朝上緊挨巷頂。

4 支護(hù)效果分析

采用“十字”布線法對(duì)巷道的收斂情況進(jìn)行觀測(cè)。分析觀測(cè)數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖1)可知，采用聯(lián)合控底支護(hù)措施后，巷道圍巖變形得到根本控制，頂?shù)装遄畲笪灰屏繛?0 mm，3個(gè)月后巷道變形基本達(dá)到穩(wěn)定，移近速度穩(wěn)定在0.8 mm/d左右，巷道兩幫的最大位移量為70 mm左右，移近速度穩(wěn)定在0.6 mm/d，較好地控制了巷道圍巖的變形。

5 結(jié) 論

林南倉(cāng)礦-650 m水平軌道石門(mén)巷道底鼓破壞的主要原因是底板巖層遇水膨脹、彎曲斷裂以及較大的圍巖壓力。采用U型鋼與錨噴聯(lián)合支護(hù)，能夠大大優(yōu)化支架承載性能，巷道變形得到了有效控制，為類似巷道支護(hù)提供了借鑒。

圖1 U型鋼反底拱梁支護(hù)后巷道表面收斂觀測(cè)

[1] 康紅普.軟巖巷道底鼓的機(jī)理及防治[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1993.

[2] 陳慶敏,張玉祥,陸士良.U型鋼支架壁后充填支護(hù)技術(shù)及其工程實(shí)踐[J].煤炭科學(xué)技術(shù),1994,22(10):9-12.

[3] 王元仁.深井困難條件下的巷道支護(hù)技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2003,31(2):9-11.

[4] 蔣斌松.U型鋼可縮性支架的預(yù)應(yīng)力分析[J].中國(guó)礦業(yè),1998(2):43-46.

[5] 尤春安.U型鋼可縮性支架的縮動(dòng)分析[J].煤炭學(xué)報(bào),1994(3):270-277.

2014-07-17)

張立敏(1980—)，男，工程師，注冊(cè)安全工程師，071051 河北省保定市百花路156號(hào)。