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        巷道過(guò)斷層破碎帶掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)研究

        2019-12-27 06:10:20
        山東煤炭科技 2019年12期
        關(guān)鍵詞:錨網(wǎng)管棚型鋼

        張 勇

        (山西潞安工程有限公司,山西 長(zhǎng)治 046100)

        1 工程概況

        郭莊礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,3#煤層煤質(zhì)松軟,頂板含厚度不穩(wěn)定的泥巖層。2112工作面北部坡度變化較大,根據(jù)三維地震資料,2112工作面內(nèi)底板起伏變化較大,多形成褶曲結(jié)構(gòu),褶曲結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)頂板裂隙發(fā)育,巷道煤巖體松軟破碎,極易出現(xiàn)片幫、冒頂現(xiàn)象。2112工作面共存在7個(gè)小型斷層,各斷層發(fā)育情況如表1所示。工作面在揭露斷層位置,煤體破碎,掘進(jìn)工作面通過(guò)斷層構(gòu)造區(qū)域時(shí),支護(hù)困難,需進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

        2 巷道過(guò)斷層破碎帶掘進(jìn)技術(shù)方案

        2.1 巷道斷面設(shè)計(jì)

        2112工作面回采巷道在掘進(jìn)過(guò)程中遇夾矸,由于夾矸賦存區(qū)域破碎嚴(yán)重,若巷道采用矩形斷面,隨著工作面的推進(jìn),巷道頂板極易垮落。因此,為提高巷道圍巖的穩(wěn)定性,可將巷道易冒段設(shè)計(jì)為直墻拱形斷面。直墻拱形斷面的拱頂能夠在巷道頂部預(yù)留一定的“讓”壓空間,當(dāng)頂板沿垂直方向產(chǎn)生形變時(shí),各巖層之間可形成一定范圍的擠壓拱,并與頂板錨桿所形成的壓縮拱形成組合拱結(jié)構(gòu),增強(qiáng)巷道圍巖的承載能力,降低頂板冒落范圍。

        表1 斷層發(fā)育一覽表

        在圍巖破碎區(qū)域,為降低應(yīng)力疊加效應(yīng),促使圍巖中的高應(yīng)力得到有效釋放,需適當(dāng)加大巷道斷面的寬度。設(shè)計(jì)巷道頂板與兩幫的預(yù)留變形量均為150mm,考慮到巷道頂板與兩幫注漿支護(hù)厚度為150mm,底板混凝土厚度為300mm,可設(shè)計(jì)巷道斷面開(kāi)挖規(guī)格為6200mm×5600mm。

        2.2 分層臺(tái)階掘進(jìn)技術(shù)

        對(duì)于直墻拱形巷道的開(kāi)挖,常用的施工工藝為全斷面掘進(jìn)一次成巷,通過(guò)綜掘機(jī)或鉆眼爆破掘進(jìn)施工,切割形成直墻拱形巷道。該工藝能夠大大提高掘進(jìn)效率,但針對(duì)圍巖破碎區(qū)域極易引起頂板大面積冒落。因此,可采用分層臺(tái)階掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行直墻拱形的巷道開(kāi)挖,沿巷道斷面分步開(kāi)挖,使其逐步成形。施工時(shí),依次對(duì)巷道上分層與下分層開(kāi)挖、支護(hù),通過(guò)降低掘進(jìn)擾動(dòng)的強(qiáng)度和影響,保證巷道圍巖的穩(wěn)定性。

        3 巷道過(guò)斷層破碎帶支護(hù)技術(shù)方案

        3.1 超前管棚預(yù)加固技術(shù)

        沿巷道開(kāi)挖輪廓線布置超前鉆孔,在超前鉆孔內(nèi)安裝超前管棚。噴漿封閉后,再利用超前管棚進(jìn)行注漿加固。在形成的超前管棚結(jié)構(gòu)維護(hù)作用下進(jìn)行巷道的掘進(jìn)和支護(hù)施工,可有效防止可能出現(xiàn)的頂板垮落問(wèn)題[1]。

        超前管棚施工采用規(guī)格為Φ60mm的鋼管制作,管棚長(zhǎng)度與搭接長(zhǎng)度分別為30m、3.0m,各管棚間距為500mm。超前管棚布置示意圖如圖1所示。管棚管身設(shè)若干規(guī)格為Φ8~12mm的溢漿孔,各漿孔按梅花形排列,將管棚加工成錐形并封焊嚴(yán)實(shí)[2]。管棚加工示意圖如圖2所示。

        圖2 超前管棚加工示意圖

        在圍巖破碎嚴(yán)重的區(qū)域內(nèi),在完成超前管棚的加固后,還需通過(guò)超前小導(dǎo)管進(jìn)行預(yù)加固,增強(qiáng)圍巖的承載能力。施工過(guò)程中,當(dāng)鉆孔中有水流滲出時(shí),選用單液水泥進(jìn)行注漿加固,鉆孔中無(wú)水流滲出或者滲出水流極其微弱時(shí),可選用雙液水泥進(jìn)行注漿加固處理[3]。

        3.2 架設(shè)U型鋼臨時(shí)支架

        巷道在通過(guò)斷層破碎區(qū)域時(shí),巖層松軟分散,常用的主動(dòng)支護(hù)形式如打設(shè)錨桿、錨索等難以起到有效的支護(hù)作用。對(duì)于直墻拱形巷道而言,U型鋼支架結(jié)構(gòu)能夠有效適應(yīng)巷道圍巖變形,為圍巖提供良好的支撐力。根據(jù)2112工作面回采巷道推進(jìn)情況,需在巷道開(kāi)挖后架設(shè)3~5排U29型鋼支架作為臨時(shí)支撐。為提高支架的穩(wěn)定性,鋼架間采用拉桿連接,各鋼架排距為800mm。U29型鋼支架臨時(shí)支護(hù)示意如圖3所示。在錨網(wǎng)噴初次支護(hù)后,可將U29型鋼支架撤出,依次沿著巷道軸向往前移,直至將超前管棚加固范圍內(nèi)的巷道掘進(jìn)完畢。

        3.3 錨網(wǎng)噴初次支護(hù)

        錨網(wǎng)噴進(jìn)行初次支護(hù)時(shí),錨桿選用規(guī)格為Φ22mm×2400mm的高性能螺紋鋼錨桿,錨桿間排距為800mm×800mm,桿體采用規(guī)格為Φ22mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋,保證錨固長(zhǎng)度≥800mm,錨固力≥150kN,預(yù)緊力矩≥400N·m。托盤選用規(guī)格為150mm×150mm×8mm的拱型高強(qiáng)度托盤。錨網(wǎng)噴初次支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

        金屬網(wǎng)選用規(guī)格為Φ6.5mm鋼筋焊接,網(wǎng)片與網(wǎng)孔的規(guī)格分別為4300mm×1100mm、100mm×100mm。網(wǎng)片之間通過(guò)勾接連接,勾接長(zhǎng)度為100mm。

        混凝土噴射強(qiáng)度等級(jí)為C30,配合比1:2:2,摻3%~5 %速凝劑,厚度100mm左右,保證內(nèi)注漿錨桿孔口外露長(zhǎng)度不少于30mm,以便于后期復(fù)注加固。錨網(wǎng)噴支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示。

        圖3 U29型鋼支架臨時(shí)支護(hù)

        圖4 錨網(wǎng)噴初次支護(hù)結(jié)構(gòu)

        3.4 二次注漿加固

        為保證巷道圍巖結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性,在進(jìn)行單一的錨網(wǎng)噴支護(hù)后,還需進(jìn)行二次注漿加固。二次注漿加固采用低壓淺孔充填注漿,低壓淺孔注漿管選用規(guī)格為Φ38mm×1000mm的結(jié)構(gòu)鋼注漿管,風(fēng)鉆打眼的孔徑、孔深與間排距分別為Φ45mm、2500mm和1600mm×1200mm。低壓淺孔注漿管的布置如圖5所示。

        圖5 低壓淺孔注漿管布置示意圖

        現(xiàn)場(chǎng)施工中,采用單液水泥-水玻璃漿液進(jìn)行注漿,水玻璃與水泥用量配比為1:20,注漿壓力控制在1.5~2.0MPa之間。為保證噴層能夠形成有效的固結(jié)[4-5],要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),保證漿液結(jié)石率≥92%。

        4 監(jiān)測(cè)效果分析

        在巷道的頂板、巷幫等部位布置多點(diǎn)位移計(jì),進(jìn)行圍巖松動(dòng)圈的連續(xù)監(jiān)測(cè)。在2112工作面支護(hù)完成后,布置了1組表面變形測(cè)點(diǎn),監(jiān)控圍巖變形情況。通過(guò)為期15d的觀測(cè),繪制出巷道圍巖變形量隨天數(shù)的變化情況如圖6所示。

        圖6 巷道圍巖變形量

        通過(guò)測(cè)站數(shù)據(jù)可以看出,在對(duì)2112工作面回采巷道支護(hù)完成后,頂板下沉量與兩幫移近量大大減小,圍巖穩(wěn)定性得到了有效的控制。其中巷道頂板累計(jì)下沉量為17.5mm,在12d后逐漸趨于穩(wěn)定,巷幫累計(jì)向內(nèi)收斂量為6.2mm,在8d后逐漸趨于穩(wěn)定。巷道頂板與兩幫位移變化均穩(wěn)定在一定范圍內(nèi),巷道圍巖變形情況得到了有效的控制。該工藝保證了巷道頂板和煤幫在回采期間的穩(wěn)定性,控制效果良好,達(dá)到了設(shè)計(jì)施工要求。

        5 結(jié)語(yǔ)

        郭莊礦2112工作面回采巷道在通過(guò)斷層破碎帶時(shí),頂板破碎嚴(yán)重,影響到工作面正常施工。為控制圍巖變形情況,保證巷道穩(wěn)定性,針對(duì)該掘進(jìn)破碎區(qū)域,對(duì)巷道斷面形狀進(jìn)行了調(diào)整設(shè)計(jì),在掘進(jìn)前期對(duì)巷道進(jìn)行超前加固,適時(shí)實(shí)施錨網(wǎng)噴和注漿加固,構(gòu)成錨固與注漿加固的動(dòng)態(tài)迭加耦合支護(hù)結(jié)構(gòu),有效地控制了巷道圍巖變形情況。

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