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        特殊地質條件下巷道修復加固技術適配性研究與應用

        2021-06-05 07:02:30劉尊杰王義勇
        山東煤炭科技 2021年5期
        關鍵詞:膠帶泥巖錨索

        劉尊杰 王義勇

        (1.山東省能源局,山東 濟南 250000;2.山東方大工程有限責任公司,山東 淄博 255100)

        松軟破碎巷道的修復是煤礦巷道施工與安全生產(chǎn)的一大難題。井下大量巷道處于泥巖、頁巖、粉砂巖、泥質砂巖及煤層等特殊地質條件下,巷道失修嚴重。為解決特殊地質條件下的巷道修復與支護問題,對巷道修復支護進行體系性研究具有重要意義。

        1 概況

        新河礦-980 m 二節(jié)膠帶暗斜井技改延伸工程,設計為直墻半圓拱形巷道,原設計采用錨網(wǎng)索噴支護方式,巷道凈寬4.3 m,凈高3.75 m,坡度為-18°。巷道施工及使用過程中多處巷道頂板有噴漿層開裂、下沉、鼓出、脫落現(xiàn)象,并伴有地板嚴重底鼓。結合井下現(xiàn)場條件,確定對-980 m 二節(jié)膠帶暗斜井進行巷修加固。

        2 巷道圍巖物理力學性能與礦物成分分析

        本次圍巖應力測試鉆孔巖樣送交國土資源部濟南礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心進行巖石力學試驗,檢測項目為天然抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度、彈性模量、泊松比、塊體密度和吸水率,同時現(xiàn)場采取泥巖試樣還進行了礦物成分分析。

        試驗檢測結果見表1、表2。

        表1 巖石物理力學指標測試結果

        表2 巷道圍巖礦物組成試驗結果

        得出結論如下:鉆孔采取的巖樣主要有中砂巖、粉砂巖、細砂巖及砂質泥巖,單軸抗壓強度和抗拉強度的大小符合:中砂巖>粉砂巖>細砂巖>砂質泥巖;單軸抗壓強度和抗拉強度大的中砂巖,彈性模量也比較大,而泊松比相對較??;單軸抗壓強度和抗拉強度小的泥巖彈性模量比較小,而泊松比相對較大;四種巖性粘聚力大小符合:粉砂巖>中砂巖>細砂巖>砂質泥巖;內(nèi)摩擦角大小符合:中砂巖>粉砂巖>細砂巖>砂質泥巖;泥巖由于含較多親水性粘土礦物,吸水率大于2.0%,其他巖性吸水率規(guī)律如下:砂質泥巖>粉砂巖>細砂巖>中砂巖。根據(jù)泥巖試驗結果,可以看出修復巷道所穿越的巖層為多種類巖性疊合巖層,性能指標差異性大,造成修復支護方案必須根據(jù)巖性不同進行及時調(diào)整。

        3 特殊地質條件下巷道巷修支護加固技術

        3.1 圍巖及巷道建模

        建立的模型寬×高×厚40 m×40 m×1.6 m,巷道形狀為直墻半圓形,半徑2.3 m,墻高1.7 m。模型剖分采用六面體單元,劃分完成的網(wǎng)格見圖1(a)。模型圍巖采用SVISIC 蠕變模型進行模擬[1],力學參數(shù)在表3 實測圍巖力學參數(shù)基礎上結合經(jīng)驗和數(shù)值反演最終確定。開挖過程一次完成,開挖完成后即進行錨網(wǎng)噴支護。噴砼層按照摩爾庫倫模型模擬[2],厚度150 mm,緊貼巷道開挖斷面,模型見圖1(b)??紤]本工程地質埋深條件特點,模型受力加載按地應力測試實測荷載,豎向地應力取25.6 MPa,水平地應力取31 MPa 和20 MPa(巷道軸向方向)。噴砼力學參數(shù)見表3,巖性參數(shù)見表4。

        圖1 試驗方案巷道、噴層及錨桿數(shù)值模型

        表3 噴砼力學參數(shù)

        3.2 數(shù)值模擬方案設計

        為了闡明錨注加固支護效果,本次分析選用多方案對比法,共包括5 個方案,分別為原支護方案R1,復修方案R2~R5。通過受力分析和研究,進行復修方案比選。各方案詳見表5。

        3.3 復修方案綜合分析比選

        -980 m 二節(jié)膠帶暗斜井在原支護方案下,圍巖變形量較大,尤其拱頂沉降達到800 mm 左右。為解決這一問題,進行了原支護方案以及4 種復修方案數(shù)值模擬,并對其進行分析比選,數(shù)值模擬所得部分結果見表6。

        表4 巖石流變力學參數(shù)

        表5 數(shù)值模擬方案

        表6 數(shù)值模擬部分結果

        (1)在圍巖變形控制方面,復修方案R2~R5均強于原始方案。復修方案R2、R3 將頂板沉降控制在45 mm 左右,遠小于原支護方案的806 mm,且小于其他支護方案;在底鼓量、巷幫內(nèi)移量控制方面,復修方案R1、R2 也明顯優(yōu)于其他方案。

        (2)在控制塑性區(qū)發(fā)展方面,復修方案R2、R3 基本相似,塑性區(qū)體積較原始方案下降142%,塑性區(qū)發(fā)展深度為3~4 m,比原始方案小2 m 左右,比其他復修方案小1 m 左右。

        (3)綜合來看,修復方案R4、R5 頂、幫、地板變形均大于修復方案R2,不予采用;復修方案R3 圍巖控制效果約等于復修方案R2,但復修方案R2 的錨桿錨索間距大于復修方案R3,支護成本及速度高,因此復修方案R2 更為可取。

        4 工程應用及效益說明

        4.1 修復設計參數(shù)

        在-980 m 二節(jié)膠帶暗斜井預注漿短管:采用Ф20 mm×1500 mm,設計注漿孔間距1500 mm,每排3 個孔,孔排距2000 mm。注漿漿液:采用水泥水玻璃雙液漿,漿液凝固時間為20 s。錨桿:Ф22 mm×2400 mm 的全螺紋鋼錨桿,間排距為800 mm×1600 mm,托盤為100 mm×100 mm×10 mm。注漿錨索:頂板錨索長度6200 mm,幫部錨索長度4200 mm,間排距1000 mm×1600 mm,與錨桿隔排布置,托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm,巷修區(qū)域頂板及幫部錨索鋼帶規(guī)格均為1400 mm×140 mm×10 mm(2 孔)的T 型鋼帶,錨索鋼帶沿巷道橫向布置,錨索托盤壓在鋼帶上。錨索注漿采用P042.5 普通硅酸鹽水泥,水灰比0.65,摻加0.8%的高效早強減水劑,注漿壓力2 MPa。

        4.2 巷道礦壓監(jiān)測分析

        巷道按照新的修復方案修復后,對錨桿錨索受力、巷道表面收斂變形進行觀測測量。對本巷道礦壓測試自2019 年4 月14 日開始,測點布置如下:

        (1)2019 年4 月14 日在-980 m 二節(jié)膠帶暗斜井安設兩個巷道表面收斂變形觀測點(兩幫測點)。

        (2)2019 年4 月15 日在-980 m 二節(jié)膠帶暗斜井安裝1 個錨桿測力計觀測測點(5 根錨桿)、1 個錨索測力計觀測測點(2 根錨索)、1 個測力錨桿觀測測點(3 根測力錨桿)。

        通過對-980 m 二節(jié)膠帶暗斜井巷道圍巖變形和錨桿軸力實際量測的數(shù)據(jù)分析,得到以下結論:

        (1)錨索軸力的測試表明,錨索安裝初期,測力計數(shù)值變化較快,隨著巷道的變形錨索所受的拉力不斷增大,軸力呈現(xiàn)不斷上升趨勢。30 d 之后,由于錨索的支護作用,巷道的整體變形趨于穩(wěn)定,所以錨索的軸力也趨于穩(wěn)定且具有一定的安全儲備。

        (2)錨桿軸力的測試表明,錨桿受力幫部大于拱頂,淺部大于深部,錨桿能夠承受圍巖的拉力,且具有較大的安全儲備。

        (3)巷道修復初次錨網(wǎng)支護后,變形增長速度較快也較大,但在錨注支護后,變形穩(wěn)定,說明注漿加固可以增強圍巖自身承載力和穩(wěn)定性。

        同時在730 膠帶集中巷開幫修復中推廣此技術,效果同樣明顯。

        5 結論

        本工程形成的巷道圍巖穩(wěn)定控制技術組合——“三錨一帶”動態(tài)疊加支護技術,減少了圍巖變形終值,但在實際應用中,需根據(jù)圍巖性質不同,準確判定支護參數(shù)疊加時間和空間關系,方可達到較好的預期效果。

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