郝志軍,王西林,何曉升,單仁亮
(1.山西汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,山西 介休 032000;2.山西大同大學(xué),山西 大同 037000;3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京),北京 100083)
巷道支護(hù)的目的在于維護(hù)開挖空間的穩(wěn)定性,保證巷道功能的實(shí)現(xiàn)。為采區(qū)服務(wù)的準(zhǔn)備巷道一般服務(wù)年限在十年以上,且受到附近工作面回采的采動影響,若巷道圍巖軟弱破碎或原巖應(yīng)力較大,則巷道易發(fā)生流變變形,難以維持巷道的長期穩(wěn)定[1-7]。
汾西礦業(yè)(集團(tuán))公司南關(guān)煤業(yè)三采區(qū)西翼軌道巷、西翼皮帶巷和西翼回風(fēng)巷服務(wù)于三采區(qū)工作面回采以及未來的五采區(qū)工作面回采。巷道服務(wù)年限長,三條大巷圍巖持續(xù)變形始終困擾著該礦的煤炭生產(chǎn)。雖經(jīng)歷多次返修,巷道圍巖流變?nèi)噪y以控制,截至2018年12月,三條大巷因不滿足使用要求而需要刷擴(kuò)返修的巷道總長度約為3000m,巷道維修任務(wù)量很大。
鋼管混凝土支架具有承載能力大,延性好且便于安裝的特點(diǎn)。近年來,在一些軟巖巷道、斷層破碎區(qū)巷道和動壓巷道支護(hù)中發(fā)揮了良好的應(yīng)用效果[8-15]。
在分析巷道圍巖條件、原巖應(yīng)力條件和原有支護(hù)變形特征的基礎(chǔ)上,提出了基于鋼管混凝土支架的復(fù)合支護(hù)方案,并在3209工作面動壓影響區(qū)域進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。本文在理論分析的基礎(chǔ)上,論述了鋼管混凝土支架方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用效果,希望能為地質(zhì)條件相近的巷道支護(hù)提供有益借鑒。
南關(guān)煤業(yè)西翼運(yùn)輸巷、西翼軌道巷和西翼回風(fēng)巷三條下山平行布置,沿2#煤層頂板掘進(jìn),巷道埋深為500~560m。2#煤頂?shù)装鍘r性見表1。
表1 巷道頂?shù)装鍘r性
南關(guān)煤業(yè)井田區(qū)域內(nèi)斷層較多,為了解三采區(qū)原巖應(yīng)力狀況,分別在3201材巷和西翼回風(fēng)巷采用鉆孔套芯應(yīng)力解除法進(jìn)行原巖應(yīng)力測量。地應(yīng)力測試空心包體應(yīng)力計(jì)安裝情況見表2,地應(yīng)力測試結(jié)果見表3。
由空心包體應(yīng)力計(jì)安裝情況可知,3201材料巷31°孔和西翼回風(fēng)巷14°孔所安裝應(yīng)力計(jì)處于泥巖中,泥巖在打鉆過程中易破裂松動,產(chǎn)生較大的應(yīng)力重分布,因此舍棄這兩個(gè)孔的測試結(jié)果。
表2 空心包體應(yīng)力計(jì)安裝情況
原巖應(yīng)力測量結(jié)果表明水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力,最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力,水平應(yīng)力的方向?yàn)?3°~95°,最大水平主應(yīng)力為垂直應(yīng)力的1.90~2.50倍,由于水平地應(yīng)力造成的礦壓顯現(xiàn)向頂?shù)装遛D(zhuǎn)移,巷道頂?shù)装遄冃瘟看笥趦蓭褪湛s量。最大水平應(yīng)力、最小水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力以及三者之間的關(guān)系見表3。
表3 地應(yīng)力測試結(jié)果
以南關(guān)煤業(yè)具有代表性的西翼軌道(巷道里程1320~1414m段)為例,分析巷道原有支護(hù)條件下的變形情況。該段巷道使用“36U型鋼支架+錨網(wǎng)噴”聯(lián)合支護(hù),支護(hù)強(qiáng)度較高,巷道受工作面回采動壓影響,與回采工作面停采線平距為133.5m,巷道流變變形量較大。三條大巷保護(hù)煤柱寬度為80m,與工作面臨近的大巷受采動影響最大,支護(hù)難度最大。
西翼軌道巷里程1320~1414m段于2014年10月進(jìn)行返修,支護(hù)采取錨網(wǎng)噴+馬蹄形36U型鋼支架聯(lián)合支護(hù)。巷道支護(hù)斷面如圖1所示。
具體參數(shù)如下:
錨桿選取型號為?20mm×2400mm的螺紋鋼錨桿,間排距為800mm×800mm。
錨索選用規(guī)格為?17.8mm×6000mm鋼鉸線,頂錨索布置3根,間排距為1600mm×1600mm。
巷道全斷面掛鋼筋網(wǎng),采用直徑6.5mm圓鋼加工,網(wǎng)格為100mm×100mm,搭接長度為100mm。
錨筋網(wǎng)支護(hù)后,進(jìn)行全斷面初噴,初噴厚度為30~50mm,復(fù)噴70~50mm,噴射混凝土厚度為100mm,噴射混凝土強(qiáng)度等級為C20。復(fù)噴后架設(shè)36U型鋼支架,支架安裝滯后復(fù)噴10m以內(nèi) 。
36U型鋼支架間距為1m,支架結(jié)構(gòu)為6段式,相鄰各節(jié)以卡蘭搭接,每處搭接長度為0.5m。
圖1 西翼軌道巷支護(hù)斷面圖(mm)
截至2018年10月,巷道寬度收縮0.4m,高度收縮1.2m,U型棚扭曲變形。
巷道變形原因分析如下:①高構(gòu)造地應(yīng)力。區(qū)域內(nèi)構(gòu)造較多,根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果,水平應(yīng)力約為自重應(yīng)力的兩倍,巷道頂?shù)装逡平扛哂趦蓭鸵平浚虎诿簩訌?qiáng)度低。煤層單軸抗壓強(qiáng)度僅為10MPa,約為原巖最打應(yīng)力的2/3,約為巷道開挖后應(yīng)力重分布區(qū)域內(nèi)理論應(yīng)力峰值的1/3,在高應(yīng)力環(huán)境下,巷道兩幫煤壁極易發(fā)生破壞;③巷道未受采動影響期間,巷道圍巖呈緩慢流變狀態(tài),累計(jì)頂?shù)滓平考s為660mm,說明巷道支護(hù)強(qiáng)度不足,難以維持巷道圍巖的長期穩(wěn)定;④巷道受到3211工作面回采動壓影響,3211工作面終采線與該段巷道平距為133.5m,2017年8月3211工作面回采完畢。工作面回采過程中,圍巖變形速度較快,回采動壓影響期間累計(jì)頂?shù)装逡平考s為540mm。
巷道開挖后,未支護(hù)情況下,圍巖壓力大于巖石的極限強(qiáng)度,圍巖變形速度快,巷道圍巖切向應(yīng)力峰值向圍巖內(nèi)部轉(zhuǎn)移,巷道壁處圍巖壓力降低,有利于巷道穩(wěn)定。隨著塑性變形的繼續(xù)發(fā)展,開挖空間內(nèi)的圍巖塌落,形成松散巖體,對支護(hù)體產(chǎn)生松動壓力,松動壓力的升高不利于巷道穩(wěn)定。因此,巷道支護(hù)過程中,應(yīng)當(dāng)使支護(hù)體具有一定的讓壓變形能力,同時(shí)還應(yīng)提供較大支護(hù)反力。南關(guān)煤業(yè)西翼三條大巷已經(jīng)歷多次返修,圍巖破碎松散,巷道變形以“有害變形”為主。
南關(guān)煤業(yè)西翼三條大巷圍巖變形以長期流變變形為主,動壓影響期間巷道變形速度較大,無回采擾動影響時(shí),圍巖變形速度較小。巷道變形速率特征表明,巖石處于強(qiáng)度極限鄰域內(nèi)。
所謂巖石強(qiáng)度極限鄰域,是對巖石應(yīng)力狀態(tài)而言的,在簡單的壓(拉、剪)應(yīng)力狀態(tài)下,巖石具有一個(gè)強(qiáng)度極限值σ0,依據(jù)一定條件給定一個(gè)Δσ,如果巖石的應(yīng)力σ滿足于:
|σ0-σ|≤Δσ
則稱巖石處于強(qiáng)度極限鄰域內(nèi),Δσ稱之應(yīng)力強(qiáng)度極限鄰域的寬度,簡稱為鄰域?qū)挾?,Δσ代表了巖石強(qiáng)度極限鄰域的范圍。
使圍巖脫離強(qiáng)度極限鄰域的方法是增強(qiáng)圍巖強(qiáng)度極限值,增大圍巖強(qiáng)度和巖石應(yīng)力的差值,支護(hù)體的支護(hù)力對巷道圍巖產(chǎn)生徑向約束,在徑向約束狀態(tài)下,提高了處于三軸應(yīng)力狀態(tài)下圍巖的σ3,提高巖體的長期強(qiáng)度σS和巖石極限強(qiáng)度σ1。支護(hù)力越大,對巖體的長期強(qiáng)度和極限強(qiáng)度提高就越大。當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度提高到一定值以后,圍巖便能夠脫離強(qiáng)度極限鄰域,巷道流變便得到了控制。
提高圍巖強(qiáng)度的主要技術(shù)方法:根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果可知,相同斷面的?194mm×8mm(支架主體線密度36kg/m)鋼管混凝土支架承載力是36U型鋼支架承載力的2.65倍[16]。因此,采用鋼管混凝土支架支護(hù)可有效提高大變形巷道支護(hù)體支護(hù)強(qiáng)度。建議采用基于鋼管混凝土支架的復(fù)合支護(hù)進(jìn)行巷道返修。
由于西翼三條大巷需要刷擴(kuò)返修的巷道總長度約為3000m,巷道返修人力物力投入大,南關(guān)煤業(yè)急需尋求一種能夠維持西翼三條大巷巷道動壓影響區(qū)域圍巖穩(wěn)定的支護(hù)形式。
為驗(yàn)證各種支護(hù)對策支護(hù)效果,選取3209工作面附近的西翼回風(fēng)巷為試驗(yàn)段。選取該段作為試驗(yàn)段的原因如下:①3209工作面于2019年9月17日進(jìn)行回采,預(yù)計(jì)2020年6月末結(jié)束,可在動壓影響前完成試驗(yàn)段返修加固,監(jiān)測回采動壓試驗(yàn)段巷道的圍巖變形情況;②該試驗(yàn)段與工作面平距最近,受動壓影響最大,若能夠保持該段巷道圍巖在回采動壓期間的圍巖穩(wěn)定,則可判定這種支護(hù)形式滿足使用要求,可推廣至三條大巷返修支護(hù)中;③該段巷道足夠長,礦方?jīng)Q定分別采用3種巷道返修加固方式(基于鋼管混凝土支架的復(fù)合支護(hù)段;全斷面錨索支護(hù)段;全斷面錨索+注漿加固支護(hù)段),進(jìn)行現(xiàn)場對比實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)段位置如圖3所示。
圖2 巷道位置
西翼回風(fēng)巷鋼管混凝土支架支護(hù)段支護(hù)參數(shù)如下:①錨桿選取型號為?20mm×2400mm的螺紋鋼錨桿,間排距為800mm×800mm;②錨索選用規(guī)格為?17.8mm×6000mm鋼鉸線,頂錨索布置5根,間排距為1600mm×1600mm;③錨網(wǎng)支護(hù)后,進(jìn)行全斷面初噴,初噴厚度為30~50mm,復(fù)噴70~50mm,噴漿厚度為100mm,噴射混凝土強(qiáng)度等級為C20;④鋼管混凝土支架主體鋼管型號為 ?194mm×8mm,支架間距0.8m。支架壁后鋪?3賓格網(wǎng),以水泥背板接頂密實(shí)。
試驗(yàn)段鋼管混凝土支架支護(hù)斷面如圖3所示。試驗(yàn)段于2020年4月20日施工完畢,此時(shí)3209回采工作面距離西翼回風(fēng)巷平距200m。
圖3 試驗(yàn)段鋼管混凝土支架支護(hù)斷面(mm)
由于巷道圍巖破碎,自穩(wěn)能力差,為提高圍巖的自穩(wěn)能力和錨索支護(hù)效果,圍巖注漿加固段擬采用圍巖注漿加固和錨網(wǎng)索加強(qiáng)護(hù)巖的手段加固該段巷道。
圍巖注漿加固段支護(hù)參數(shù)如下:①錨索選用規(guī)格為?17.8mm×6000mm鋼鉸線,全斷面錨索支護(hù),間排距為800mm×800mm;②錨索配300mm×300mm×16mm托板,沿垂直于巷道軸線的斷面方向,錨索間以W鋼帶相連,W鋼帶內(nèi)鋪賓格網(wǎng),增強(qiáng)支護(hù)體的整體性。③使用注漿錨索對該段巷道進(jìn)行圍巖注漿加固,采用水泥基注漿材料,水灰比為1∶2,中空注漿錨索注漿壓力不低于7MPa。
圍巖注漿加固2020年4月26日施工完畢。全斷面錨索支護(hù)試驗(yàn)段相比而言只是不進(jìn)行注漿加固。
自2020年5月2日(回采工作面與試驗(yàn)段平距150m),對實(shí)驗(yàn)段采用“十字布點(diǎn)法”監(jiān)測西翼回風(fēng)巷試驗(yàn)段巷道變形量。巷道變形監(jiān)測情況如圖4所示。
圖4 巷道寬度方向收斂量曲線
圖5 巷道高度方向收斂量曲線
其他情況說明:3209工作面5月15日(回采工作面與試驗(yàn)段平距103m)工作面終采,6月1日復(fù)采開始工作面末采,6月20日末采完畢。
支護(hù)效果分析:①總體而言,鋼管混凝土支架支護(hù)段巷道收斂量<注漿加固巷道收斂量<未注漿加固段巷道收斂量;②截止工作面末采完成20d后,鋼管混凝土支架支護(hù)段巷道最大收斂量在100mm以內(nèi),且巷道圍巖變形已趨于穩(wěn)定;③沒有進(jìn)行鋼管混凝土支架支護(hù)段巷道,巷道最大收斂量大于460mm,且巷道流變變形還在持續(xù)。
綜上所述,所設(shè)計(jì)的鋼管混凝土支架支護(hù)能夠維持動壓影響下的南關(guān)煤業(yè)西翼回風(fēng)巷長期穩(wěn)定。
1)為解決南關(guān)煤業(yè)西翼三條大巷的支護(hù)問題,分析了巷道圍巖條件、原巖應(yīng)力條件和原有支護(hù)變形特征。
2)提出了基于鋼管混凝土支架的復(fù)合支護(hù)方案,并在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)中與其他返修加固形式相對比。
3)根據(jù)“十字布點(diǎn)”監(jiān)測法監(jiān)測試驗(yàn)段巷道變形,工作面末采完成20d后,鋼管混凝土支架支護(hù)段巷道最大收斂量在100mm以內(nèi),巷道圍巖變形已趨于穩(wěn)定。這種支護(hù)形式適用于南關(guān)煤業(yè)西翼三條動壓大巷支護(hù)。