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        軟巖巷道改善反底拱錨桿支護(hù)效果的途徑

        2021-03-02 06:13:06孔凡軍王維王永寶管彥太劉漢慈趙寶相李杰
        采礦技術(shù) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:錨桿變形施工

        孔凡軍,王維,王永寶,管彥太,劉漢慈,趙寶相,李杰

        (內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責(zé)任公司, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯市 016299)

        0 引言

        隨著煤炭工業(yè)的快速發(fā)展,全國煤炭賦存條件較好的礦井儲量越來越少,開采條件也越來越復(fù)雜。而軟巖礦井煤炭資源由于開采技術(shù)不夠成熟,存在大量資源等待開發(fā)的問題。軟巖地質(zhì)條件礦井錨桿支護(hù)體系應(yīng)采用全長錨固技術(shù),在傳統(tǒng)的錨桿支護(hù)設(shè)計過程中沒有對底板錨桿技術(shù)參數(shù)進(jìn)行計算和驗(yàn)算,現(xiàn)有的參數(shù)設(shè)計主要以計算圍巖松動圈深度為主。

        上海廟礦區(qū)巖層主要以泥巖及砂質(zhì)泥巖等軟巖地層為主,開拓、采準(zhǔn)及回采巷道支護(hù)的對象都是抗壓強(qiáng)度低的軟巖,而軟巖地層巷道支護(hù)的重點(diǎn)是底板治理,反底拱錨桿的錨固力是底板治理的最關(guān)鍵因素,需要進(jìn)一步提高軟巖巷道錨桿(索)錨固質(zhì)量,從而達(dá)到保證巷道成型、減少巷道維護(hù)成本的要求。

        1 軟巖巷道變形破壞特征及原因分析

        巷道底板首先變形(底鼓)。通過十字布點(diǎn)觀測巷道變形量,通常情況下底板變形值大于頂幫收斂變形值。主要原因是在施工過程中頂幫錨桿支護(hù)較為及時,施工方便、孔內(nèi)巖粉容易清掃、頂幫巖層含水容易排出等,錨桿錨固力容易滿足要求。而多數(shù)礦井巷道底板不支護(hù),且容易積水,造成底板巖石更加容易弱化。由于受施工條件、工序、設(shè)備的影響,底板支護(hù)嚴(yán)重拖后于頂幫支護(hù)。

        底板變形表現(xiàn)為整體底鼓,底板錨桿與巖體整體鼓起,一般很難發(fā)現(xiàn)拔出的錨桿有整體斷裂的現(xiàn)象。其根本原因歸結(jié)于底板錨桿桿體抗拉強(qiáng)度沒有充分發(fā)揮,造成支護(hù)強(qiáng)度浪費(fèi)。近年來,軟巖礦井巷道支護(hù)錨桿多采用屈服強(qiáng)度為 400 MPa~600 MPa的高強(qiáng)桿體錨桿。由于軟巖地層施工的錨桿孔內(nèi)壁存在泥、水,造成錨固劑錨固力迅速下降。隨著時間的推移,水的弱化效應(yīng)逐漸加強(qiáng),導(dǎo)致錨桿支護(hù)的失效。當(dāng)軟巖巷道底板采用錨桿支護(hù)時,底板巖石更容易被施工水、頂板淋水、巖層富水等因素弱化底板錨桿支護(hù)效果。底板施工錨桿孔更加困難,容易造成孔內(nèi)積水、孔內(nèi)巖粉清掃不干凈、巖粉泥化等,進(jìn)一步降低錨固劑與孔壁的粘結(jié)強(qiáng)度。為此軟巖巷道首先應(yīng)該解決錨桿錨固端錨固力不足的問題。只有在錨固端錨固力大于錨桿破斷力的時候,才能充分發(fā)揮錨桿桿體的抗拉強(qiáng)度。

        施加預(yù)緊力端(錨桿盤)容易下陷,導(dǎo)致整個錨桿支護(hù)體系失效。錨桿預(yù)緊力通過錨桿帽施加在錨桿盤上,而錨桿盤直接與軟巖接觸。當(dāng)軟巖表面遇水、風(fēng)化、自身抗壓強(qiáng)度低、錨桿盤受較大預(yù)緊力、后期抵抗巷道變形產(chǎn)生更大作用力時,容易造成錨桿盤下陷。當(dāng)錨桿發(fā)生下陷時,其抵抗巷道變形能力逐步喪失,進(jìn)一步使得巷道圍巖松動圈繼續(xù)向深部轉(zhuǎn)移,當(dāng)松動圈波及錨固端時,則整個錨桿支護(hù)失效。

        2 改善底板錨桿支護(hù)效果途徑

        2.1 提高錨桿錨固端錨固力

        在底板采用錨固劑及弱膨脹水泥漿配合全長錨固方法,增強(qiáng)隔水及錨固效果。底板有水時,眼孔內(nèi)含水形成黏泥影響錨固劑與孔壁的錨固。采用傳統(tǒng)做法只能滿足預(yù)緊力要求,當(dāng)巷道來壓時不能保證錨固端滿足錨桿屈服及破斷力的要求,造成錨桿與錨固劑整體拔出,使得整體支護(hù)失效。

        采用全長錨固后能起到封閉巖石隔水、增加錨固長度、提高錨固力作用。具體做法是底板先找出反底拱弧形底,施工完錨桿眼,在錨桿孔內(nèi)放入錨固劑,然后注水泥漿,最后施工錨桿。

        改變工藝施工順序,使錨固端形成足夠的錨固力后再施加預(yù)緊力。采用傳統(tǒng)做法先施工錨桿眼,然后掛網(wǎng)支護(hù),支護(hù)完成后再噴漿。由于錨固劑攪拌后凝固時間短,再加上沒有進(jìn)行注漿或是注漿后水泥漿沒有足夠的時間初凝,容易造成錨固端錨固力沒有達(dá)到最佳狀態(tài)。

        經(jīng)過優(yōu)化施工順序,先施工錨固劑配合水泥灌漿錨桿全長錨固錨桿,且不進(jìn)行掛網(wǎng)支護(hù),而進(jìn)行初噴漿作業(yè),使得錨固劑和水泥漿有足夠的初凝時間,2道工序的時間間隔大約5 h,有足夠的初凝時間,使得錨固力達(dá)到最大值,然后掛網(wǎng)、增加錨桿盤支護(hù),掛網(wǎng)支護(hù)后進(jìn)行二次反底拱噴漿封閉。

        2.2 增加預(yù)緊力端抗剪切強(qiáng)度及受力面積

        當(dāng)錨固端錨固力足夠大時,施加預(yù)緊力的錨桿盤端巖石沒有足夠的抗壓抗剪強(qiáng)度時,容易造成錨桿盤下陷,隨著時間推移,錨桿預(yù)緊力失效以至于不能滿足設(shè)計要求,導(dǎo)致反底拱支護(hù)失效。通過初噴后上錨桿盤,錨桿盤壓在網(wǎng)片及噴漿層上,使得錨桿盤有穩(wěn)定的著力點(diǎn),錨桿容易達(dá)到設(shè)計預(yù)緊力。

        反底拱初噴100 mm,初噴后掛網(wǎng)并上錨桿盤,錨桿盤施加在網(wǎng)片及噴漿層上面,解決了錨桿盤作用力在底板軟巖上,造成下陷、錨桿預(yù)緊力不夠。

        掛網(wǎng)支護(hù)后進(jìn)行二次噴漿,2次噴漿與錨桿盤、帽、網(wǎng)片形成整體,有效增加了施壓端的受力面積和抗剪切強(qiáng)度。錨桿錨固端與施壓端同時作用形成擠壓拱,反底拱錨桿與幫部錨桿同時作用保證了巷道的完整。

        2.3 增加底板弧度、降低巷道寬度(跨度)

        在不增加錨桿長度的情況下,通過增加護(hù)表面積、大托盤、W型護(hù)板、高強(qiáng)金屬網(wǎng)等方式,增加了壓縮拱的厚度,使得頂?shù)装宄休d能力更強(qiáng)。

        通過減少巷道寬度,使得擠壓拱厚度不變的情況下,承載能力進(jìn)一步加強(qiáng)。類似于相同管壁厚度的鋼管,其直徑越小,則其抗徑向壓力越強(qiáng)。通過現(xiàn)場實(shí)踐的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明:其他參數(shù)不變的情況下,當(dāng)巷道跨度增加,巷道變形量成指數(shù)特征變化。因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)盡量降低巷道寬度,以減少巷道變形。

        軟巖巷道底板弧度增加不僅對減少巷道底鼓有效果,也適用于巷道頂板。當(dāng)頂板增加頂板弧度時,也有利于減少頂板的下沉量。

        2.4 其他方面

        反底拱需要及時支護(hù),滯后掘進(jìn)迎頭不超過50 m,減少巷道圍巖塑性破壞變形,甚至在彈性變形區(qū)域內(nèi)對底板進(jìn)行有效支護(hù),使巷道形成完整的擠壓拱,對抗巷道壓力變形。

        做好水的控制,底板巖石遇水變軟,容易崩解、強(qiáng)度大大降低。底板支護(hù)應(yīng)考慮盡量減少底板暴露和泡水的時間,隨著時間的延長,底板弱化愈加嚴(yán)重,一旦底板長時間未得到有效支護(hù)就會造成底鼓,反復(fù)起底后就容易造成巷道的整體失穩(wěn),一旦失穩(wěn)后再進(jìn)行維修就很難保證成型。在巷道內(nèi)低洼點(diǎn)每隔一段距離挖深度超過2 m的沉淀池,將巷道內(nèi)由于施工及頂板淋水引入水窩,減少底板巖石含水量,提高抗壓及抗應(yīng)變能力。

        施工完錨桿眼,馬上進(jìn)行注錨桿,減少底板滲水造成孔內(nèi)巖石被水浸泡而軟化的時間。

        3 實(shí)施效果分析

        礦井地質(zhì)條件中等,某工作面順槽沿煤層、留部分頂煤掘進(jìn)。巷道寬4.0 m,高3.2 m,馬蹄形斷面。輔運(yùn)順槽頂?shù)装鍘r性見表1。

        按照上述技術(shù)方案,在某礦某工作面輔運(yùn)順槽進(jìn)行試驗(yàn)。巷道反底拱錨桿支護(hù)效果明顯提高,確保了巷道穩(wěn)定性。

        現(xiàn)場對輔運(yùn)順槽成巷(底板支護(hù)形成)后位移進(jìn)行監(jiān)測,采用十字測點(diǎn)法對巷道的掘進(jìn)期間以及回采期間超前200 m以外的地段進(jìn)行觀測。巷道位移監(jiān)測曲線見圖1。

        由圖1的觀測曲線可知,輔運(yùn)順槽巷道成型后18個月內(nèi)頂?shù)装蹇傄平啃∮?50 mm,兩幫總移近量小于120 mm。巷道成巷之后3~5個月變形量接近最大值,5個月以后巷道變形量趨于穩(wěn)定。

        表1 運(yùn)輸順槽頂?shù)装鍘r性

        圖1 巷道位移量監(jiān)測曲線

        4 結(jié)論

        采用錨固端提高錨固力,施加預(yù)緊力端提高抗剪、抗壓強(qiáng)度的方式使反底拱錨桿完全滿足設(shè)計錨固力、預(yù)緊力的要求。施工完成后,反底拱錨桿與幫部的支護(hù)錨桿配合形成圍繞巷道輪廓的完整擠壓拱。利用施工工序的變化,使得施加預(yù)緊力的錨桿盤端抗剪切、抗壓強(qiáng)度增加,從而保證了錨桿錨固力以及后期由于巷道變形產(chǎn)生的承載壓力,直至錨桿破斷力,錨桿的桿體強(qiáng)度得到最大利用。

        通過現(xiàn)場實(shí)測,巷道成型后 18個月內(nèi)頂?shù)装蹇傄平啃∮?50 mm,兩幫總移近量小于120 mm,使巷道變形得到了有效控制。巷道維修量減少85%,成巷整體復(fù)修率為1%以下。工作面順槽支護(hù)每年減少巷道維修量600 m,減少維修人工費(fèi)及材料費(fèi)180萬元,為回采工作面提供快速推采創(chuàng)造了有利條件。

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