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        城山煤礦深部軟巖巷道支護(hù)技術(shù)研究

        2018-08-20 19:01:38陳兆玉
        科學(xué)與財富 2018年19期
        關(guān)鍵詞:錨桿支護(hù)

        陳兆玉

        摘 要: 城山礦隨著其開采深度不斷增加,受高應(yīng)力的影響,軟巖問題愈趨嚴(yán)重,36#層運輸巷道支護(hù)的難度和破壞程度不斷增加,底臌現(xiàn)象突顯,圍巖變形量大,影響巷道有效尺寸, 阻礙運輸、通風(fēng)和人員行走,嚴(yán)重威脅了煤礦的安全生產(chǎn)。

        本論文深入分析該礦軟巖變形機(jī)理,提出新的支護(hù)方案并應(yīng)用實踐,在現(xiàn)在礦壓和變形量的監(jiān)測下,驗證了巷道沒有發(fā)生明顯的頂板下沉、噴層開裂及底鼓等現(xiàn)象。提高了生產(chǎn)的安全性,改善了礦井的運輸條件,且為該礦區(qū)及國內(nèi)類似條件下巷道支護(hù)問題提供了一條很好的技術(shù)途徑,因此具有很好的社會效益。

        關(guān)鍵詞: 錨桿支護(hù);深部巷道;軟巖支護(hù)

        1 城山煤礦深部回采巷道狀況分析

        1.1 城山礦井概況

        城山煤礦立井位于雞西市城子河區(qū),距雞西火車站NE3.5公里。有雞密公路在井田內(nèi)通過,礦區(qū)鐵路專用線與哈密國鐵相連,交通十分方便。

        井田東西長10公里,南北寬3.5公里。東部與正陽礦相鄰。西部與沈煤集團(tuán)新城煤礦毗連。地理坐標(biāo)為東經(jīng)130° 33′40″,北緯45°20′40″。

        井田內(nèi)地形大部分為丘陵地形,地形差異不大。北部由于基盤古老變質(zhì)巖系的出露呈現(xiàn)大致平行于煤系地層走向的山脊,略東西方向,山峰圓頂,一般標(biāo)高為+350米。

        1.2 中部區(qū)36#層運輸巷支護(hù)現(xiàn)狀

        1.2.1工程概況

        城山煤礦二水平中部區(qū)36#煤層運輸巷北部為二水平25#運輸巷,該施工區(qū)域上方地表為城子河長青鄉(xiāng)新興村、新城村,雞城公路在其上方經(jīng)過,公路兩側(cè)有樓房,地面有河渠及高壓線,原穆棱河道在其上方經(jīng)過。根據(jù)已施工巷道分析該施工區(qū)域附近暫無斷層經(jīng)過。該施工工程在36#煤層中進(jìn)行。36#煤由煤、煤頁巖組成,厚度1.8-2.11m左右,該區(qū)域煤層走向近似于東西走向,由北向南傾斜,煤層傾角在12-30°之間。頂?shù)装鍨樯百|(zhì)泥巖、泥巖或炭質(zhì)泥巖。預(yù)計該區(qū)域36#瓦斯含量在2.8-4.0m3/t左右,絕對瓦斯涌出量在35-55m3/min之間,瓦斯壓力在0.3-0.42MPa左右,礦井涌水量大,最大涌水量10m3/h,施工時,嚴(yán)格執(zhí)行“逢掘必探”規(guī)定。

        2 城山礦深部36#層運輸巷軟巖變形機(jī)理分析

        通過對城山煤礦36#層運輸巷支護(hù)失穩(wěn)破壞表現(xiàn)出的底鼓、兩幫嚴(yán)重內(nèi)擠和拱頂離層現(xiàn)象等現(xiàn)場調(diào)研及初步理論分析,認(rèn)為,軟巖巷道發(fā)生嚴(yán)重變形和破壞的原因主要是由以下幾方面因素綜合作用的結(jié)果:

        1、圍巖承載能力低

        軟巖大致可分為三類基本巖性:砂巖、泥巖、煤。另外也有具有臨近兩巖層某些共性的過渡巖層,如泥砂巖互層、泥質(zhì)粉砂巖,這種過渡巖層的巖石物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)介于兩種巖性之間,加上各巖層連續(xù)性較差,RQD 質(zhì)量指標(biāo)較低,圍巖整體承載能力將受到極大影響。因此圍巖承載能力較低是軟巖巷道失穩(wěn)的主要原因。

        2、水的影響

        根據(jù)礦井工程地質(zhì)資料和實際情況,侏羅系含水層組的孔隙裂隙水是影響巷道掘進(jìn)與支護(hù)的主要影響因素。由于巷道所處位置圍巖大部分為泥質(zhì)膠結(jié),對水非常敏感,巖體遇水泥化現(xiàn)象十分明顯。

        而巷道在掘進(jìn)過程中,掘進(jìn)頭的水非常豐富,圍巖遇水即破碎成泥,錨桿無法錨固;地下水的存在,一方面使已松散破碎的巖體泥化,而出現(xiàn)流變現(xiàn)象,另一方面使得較大塊度的巖石出現(xiàn)軟化,大大降低了巖塊的強(qiáng)度和承載力,從而使得巖塊更易于破壞,加劇了圍巖裂隙的發(fā)育程度,從而形成惡性循環(huán),使得巖體特性顯著劣化,無法滿足巷道支護(hù)的要求。

        3、巷道原支護(hù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)不合理

        受巷道工程地質(zhì)條件的限制,巷道成型效果較差、支架與圍巖接觸不良、無控底措施、噴射混凝土封閉效果不明顯,整體支護(hù)強(qiáng)度不夠。

        4、底板和底角未采取有效的控制措施

        煤頂?shù)装鍘r層均為巖性較差的砂質(zhì)泥巖、泥巖或炭質(zhì)泥巖,而對巷道的底角和底板并沒有采取有效的支護(hù)措施,因此當(dāng)巷道的頂幫壓力較大時,巷道底板中的圍巖就會出現(xiàn)應(yīng)力集中,產(chǎn)生顯著的塑性變形和剪切破壞,表現(xiàn)出顯著的底鼓現(xiàn)象,進(jìn)而影響巷道頂幫的穩(wěn)定,產(chǎn)生拱頂下沉,兩幫內(nèi)擠,從而造成巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的全面失穩(wěn)破壞。

        5、大松動圈不穩(wěn)定圍巖

        測得的松動圈范圍約1.1~2.84 m,根據(jù)圍巖松動圈支護(hù)理論,該段巷道屬于Ⅴ類大松動圈較軟軟巖或極軟軟巖巷道,一般支護(hù)形式無法滿足維護(hù)其穩(wěn)定的要求。先前采用U形鋼棚支護(hù)屬于被動低強(qiáng)度支護(hù),一方面圍巖強(qiáng)度得不到加固提高,圍巖自身承載能力在變形過程中逐漸降低;另一方面在高圍巖壓力下,支架受力不均出現(xiàn)集中高應(yīng)力,使支護(hù)機(jī)構(gòu)的承載能力大打折扣,一旦某一個部位首先破壞就會導(dǎo)致全斷面的整體失穩(wěn),同時圍巖松動圈進(jìn)一步擴(kuò)大,使支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖狀況進(jìn)一步惡化,出現(xiàn)大變形和垮落。

        3.36#層運輸巷軟巖支護(hù)技術(shù)方案

        3.1 巷道圍巖支護(hù)技術(shù)方案

        針對巷道變形破壞的特點及失穩(wěn)機(jī)理,研究確定的支護(hù)技術(shù)方案為:初次錨網(wǎng)噴與錨索支護(hù)+二次錨注加固+底板反底拱與錨注加固,結(jié)合分層和超前導(dǎo)硐掘進(jìn)技術(shù),以保證巷道的長期穩(wěn)定。

        3.2 巷道圍巖控制技術(shù)參數(shù)

        (1)分層與超前中央導(dǎo)硐掘進(jìn)

        考慮到巷道底板圍巖長期受地下水和施工用水的作用,造成較大范圍的底板圍巖嚴(yán)重弱化,并造成嚴(yán)重底鼓現(xiàn)象,因此,確定采用分層施工方法。即將巷道全斷面分2 層施工,上分層為巷道的主體,超前掘進(jìn)與支護(hù),滯后再進(jìn)行下分層掘進(jìn)及臥底和底板反底拱施工,以減少對巷道底板巖層的擾動。

        同時在上分層超前掘進(jìn)過程中,由于巷道斷面仍較大,一次形成掘進(jìn)斷面后難以實施及時支護(hù),因此,首先采用中央導(dǎo)硐超前掘進(jìn),及時對頂板實施強(qiáng)力錨網(wǎng)噴支護(hù),并采用小孔徑低預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),然后再對中央導(dǎo)硐兩側(cè)圍巖進(jìn)行掘進(jìn)和支護(hù)。

        下分層的高度控制在1.0 m 左右,滯后20~40d(綜掘機(jī)后)進(jìn)行下分層的掘進(jìn)與支護(hù);上分層中央導(dǎo)硐寬度控制在3.0~3.5 m(盡量與綜掘機(jī)寬度匹配),超前距離控制在3.0~5.0m。

        (2)頂幫錨網(wǎng)噴與低預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)

        形成掘進(jìn)斷面后,及時實施全斷面錨網(wǎng)噴支護(hù)與低預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù),組成復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)。

        高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿規(guī)格為Φ22 mm×4000 mm,錨桿為單向左旋無縱筋螺紋鋼制作,孔徑為φ28 mm,采用1 卷中速2360 型和1 卷快速2335 型樹脂藥卷加長錨固,錨固力大于150 kN,預(yù)緊力力矩不小于200N·m,間排距為800 mm×800 mm。金屬網(wǎng)采用φ6.5 的圓鋼焊接,網(wǎng)格為100 mm×100 mm。噴射混凝土強(qiáng)度等級C20,配合比1:2:2,摻3~5%速凝劑,噴厚30~40 mm。

        低預(yù)應(yīng)力錨索采用φ17.8 mm 低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線制作,錨索長度為8.5 m,孔徑為φ30mm,采用樹脂藥卷錨固,錨固長度大于1.5 m;預(yù)應(yīng)力不低于200 kN,排距為1.6 m,間距為2.0~3.0 m,全斷面布置5~6 根。

        (3)下分層掘進(jìn)與底角和底板加固

        滯后一定距離或時間進(jìn)行下分層的掘進(jìn)與底板反底拱支護(hù)。一般在綜掘機(jī)后或滯后20~40 d 進(jìn)行下分層的掘進(jìn),及時采用錨網(wǎng)噴對巷道兩幫及底角進(jìn)行支護(hù),然后再臥底砌筑鋼筋混凝土反底拱,形成全斷面支護(hù)。

        兩幫和底角支護(hù):采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)與金屬網(wǎng)支護(hù),間排距等支護(hù)參數(shù)與上述相同,底角錨桿向下傾斜30。。

        底板反底拱:矢跨比為1:6,拱厚為350 mm,配雙層金屬網(wǎng),底層金屬網(wǎng)與幫角金屬網(wǎng)相連,上層金屬網(wǎng)可在后期與二次支護(hù)金屬網(wǎng)相連,然后再用混凝土澆灌,面層留40~50 mm 作為后期注漿加固的封孔層。

        (4)全斷面錨注二次支護(hù)與加固

        完成底板反底拱施工后,利用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿和內(nèi)注漿錨桿進(jìn)行頂幫二次錨網(wǎng)噴支護(hù),并在底板反底拱基礎(chǔ)上,采用內(nèi)注漿錨桿進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),然后利用頂幫和底板布置的內(nèi)注漿錨桿進(jìn)行全斷面注漿加固。

        頂幫二次錨網(wǎng)噴支護(hù),采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿和內(nèi)注漿錨桿間隔布置方式,間排距為800mm×800 mm,高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿和金屬網(wǎng)的規(guī)格和支護(hù)要求與初次支護(hù)相同;內(nèi)注漿錨桿采用無縫鋼管制作,規(guī)格為φ22 mm×2400 mm,端頭錨固,錨固力不低于100 kN。兩幫金屬網(wǎng)要與底板反底拱中上層金屬網(wǎng)相連,形成一體,然后噴漿封閉,噴厚30~40 mm,保證內(nèi)注漿錨桿的孔口外露20~30 mm。

        底板內(nèi)注漿錨桿規(guī)格為φ22 mm×500 mm,間排距800 mm×800 mm,如底板成孔困難,則采用自鉆式內(nèi)注漿錨桿,錨桿規(guī)格為φ28 mm×500mm,間排距為1000 mm×1000 mm,每個斷面布置5~6 根內(nèi)注漿錨桿。采用砂漿抹面封孔(或利用噴漿回彈料和噴漿料封孔),保證內(nèi)注漿錨桿孔口外露20~30 mm。

        利用頂、幫、底中布置的內(nèi)注漿錨桿進(jìn)行全斷面注漿加固。注漿材料主要采用單液水泥-水玻璃漿液,水灰比控制在0.8~1.0,水玻璃的摻量為水泥用量的3~5%,注漿壓力控制在1.5~3.0MPa。如圍巖嚴(yán)重風(fēng)化,注漿可導(dǎo)致圍巖發(fā)生膨脹變形,或圍巖裂隙細(xì)小,水泥漿液無法注入時,可采用超細(xì)水泥漿液或化學(xué)漿液(如馬麗散)進(jìn)行全斷面注漿加固。

        完成全斷面注漿加固后,再對頂幫噴漿以覆蓋外露的錨桿尾端,總噴厚100 mm 左右。

        4 總結(jié)

        在對上述巷道實施上述加固支護(hù)后,通過近四個月的位移監(jiān)測表明:巷道頂板、底板和兩幫的收斂變形與原支護(hù)方案相比有了明顯的減小,頂板最大移進(jìn)量為73mm,兩幫的最大移進(jìn)量為68\mm;監(jiān)測期間,變形速度由3mm/d 逐漸減至0.02mm/d,趨于穩(wěn)定;巷道沒有發(fā)生明顯的頂板下沉、噴層開裂及底鼓等現(xiàn)象,為礦井的高產(chǎn)高效及加快巷道的開拓與修復(fù)速度提供了保證。

        新的支護(hù)方案,減輕了工人的勞動強(qiáng)度,提高了生產(chǎn)的安全性,改善了礦井的運輸條件,且為該礦區(qū)及國內(nèi)類似條件下巷道支護(hù)問題提供了一條很好的技術(shù)途徑,因此具有很好的社會效益。

        參考文獻(xiàn)

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