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        高應(yīng)力軟巖大巷高強(qiáng)穩(wěn)定性支護(hù)研究

        2021-07-07 01:37:08牛永剛
        山西焦煤科技 2021年5期
        關(guān)鍵詞:錨桿圍巖變形

        牛永剛

        (中煤科工集團(tuán) 重慶研究院有限公司, 重慶 400037)

        淮北某礦南一采區(qū)先期采用條帶式開采,南翼主要開拓和準(zhǔn)備巷道布置在主采煤層10煤的頂板巖層中。南翼軌道巷在掘進(jìn)過程中及10煤開采前,巷道支護(hù)狀況較好。10煤回采后,南翼軌道巷受10煤多個(gè)工作面的采動(dòng)影響,巷道變形嚴(yán)重,因巷道布置和煤柱留設(shè)等因素,南翼軌道巷仍將長期承受護(hù)巷煤柱引起的支承壓力影響,巷道變形會(huì)持續(xù)擴(kuò)大。因此,有必要分析南翼軌道巷變形破壞機(jī)理,針對性開展高應(yīng)力軟巖巷道圍巖控制的試驗(yàn)研究,以改善軌道大巷的維護(hù)狀況,減少巷道失修率,為礦井的安全高效生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

        1 試驗(yàn)巷道地質(zhì)條件

        南翼軌道大巷是南翼采區(qū)通風(fēng)、運(yùn)輸和行人的咽喉通道,試驗(yàn)段巷道位于兩個(gè)工作面之間,采用錨網(wǎng)索噴支護(hù),由于受兩次工作面回采引起的采動(dòng)影響,該段巷道變形嚴(yán)重。

        南翼軌道巷布置在10煤頂板巖層中,試驗(yàn)段巷道在G28—G31測點(diǎn)之間,巷道地質(zhì)素描見圖1. 通過G28測點(diǎn)后巷道圍巖巖性由黑色泥巖逐漸過渡到巖漿巖,而通過G29測點(diǎn)后巷道圍巖巖性又由巖漿巖逐漸過渡至泥巖,通過G30測點(diǎn)后巷道全斷面處于泥巖中。從其物理力學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果看,巷道圍巖強(qiáng)度較低,圍巖性質(zhì)軟弱;從巷道圍巖的組分分析上看,圍巖具有一定的膨脹性。

        圖1 南翼軌道巷試驗(yàn)段地質(zhì)素描圖

        2 巷道變形破壞原因分析

        根據(jù)南翼采區(qū)實(shí)際地質(zhì)采礦條件、巷道圍巖變形破壞特征及現(xiàn)有開拓巷道錨網(wǎng)支護(hù)失效形式,結(jié)合理論分析結(jié)果可知,高應(yīng)力軟巖巷道圍巖強(qiáng)烈變形的主要原因有以下幾個(gè)方面:

        1) 巷道圍巖體強(qiáng)度較低。

        南翼軌道大巷布置在10煤頂板巖層中,巷道所處巖性大多以泥巖或巖漿巖為主,由于圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)較差,且?guī)r體中節(jié)理裂隙較為發(fā)育,圍巖強(qiáng)度不足以支撐較強(qiáng)的應(yīng)力變化。

        2) 工作面回采造成應(yīng)力集中。

        軌道大巷經(jīng)受兩次動(dòng)壓影響,圍巖應(yīng)力增幅較大,且長期承受護(hù)巷煤柱引起的支承壓力影響,圍巖發(fā)生應(yīng)變軟化,相應(yīng)的圍巖松動(dòng)圈范圍較大,極易失穩(wěn)破壞[1-2].

        3) 支護(hù)措施不合理。

        南翼軌道巷為直墻半圓拱形巷道,巷道設(shè)計(jì)凈斷面尺寸為4.0 m×3.6 m,巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù),局部破碎區(qū)域采用注漿加固。在松軟破碎圍巖中,圍巖本身的可錨性差,高強(qiáng)樹脂錨桿的錨固性能難以發(fā)揮,特別是在圍巖松動(dòng)范圍大、頂板圍巖松散破碎的情況下,圍巖本身的自穩(wěn)能力較差,允許空頂時(shí)間較短,完全使用錨桿支護(hù)的效果并不好。

        4) 底板無控底措施。

        作為一個(gè)支護(hù)承載體,由于巷道未采取控底措施,高應(yīng)力作用下底板先成為巷道變形、破壞的突破口,進(jìn)一步加劇巷道頂板和兩幫的變形。

        因此,有必要針對南翼軌道大巷的支護(hù)工藝開展系統(tǒng)研究。根據(jù)巷道形態(tài),針對性制定聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì),從根本上改變巷道支護(hù)狀況,改善圍巖應(yīng)力環(huán)境,保障軌道大巷的圍巖穩(wěn)定性,為巷道的長期使用營造良好條件。

        3 南翼軌道巷支護(hù)設(shè)計(jì)思路

        針對南翼軌道巷圍巖體強(qiáng)度較低,長期受護(hù)巷煤柱引起的支承壓力影響的特點(diǎn),采用二次錨網(wǎng)索支護(hù),在一次錨網(wǎng)索支護(hù)后,允許巷道有一定的讓壓空間,然后再實(shí)施高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)穩(wěn)定型二次錨網(wǎng)索支護(hù),利用較高的錨網(wǎng)支護(hù)強(qiáng)度控制圍巖的塑性變形[3-4]. 同時(shí)施工底板錨網(wǎng)索控制底鼓,達(dá)到幫底互控的巷道圍巖控制效果[5].

        根據(jù)南翼軌道巷多次修復(fù),巷道圍巖松散破碎的特點(diǎn),在錨網(wǎng)索支護(hù)的同時(shí)對圍巖實(shí)施注漿加固,對松散破碎巖體實(shí)施膠結(jié),以提高巷道圍巖體的完整性及強(qiáng)度,有效控制此類巷道圍巖的強(qiáng)烈變形。

        4 南翼軌道大巷支護(hù)方案

        針對原有錨網(wǎng)整體支護(hù)強(qiáng)度偏低的特點(diǎn),為滿足巷道使用斷面要求,按要求擴(kuò)巷后,采用錨網(wǎng)索二次支護(hù)技術(shù)進(jìn)行施工,具體技術(shù)參數(shù)如下:

        一次錨網(wǎng)索支護(hù):選用d20 mm×3 000 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,所有錨桿尾部螺紋應(yīng)使用滾絲機(jī)加工,減小錨桿強(qiáng)度損失。每個(gè)錨桿孔錨固長度1.5 m以上;采用電阻焊技術(shù)加工的自連網(wǎng);沿巷道徑向布置鋼筋梯子梁,進(jìn)一步提高護(hù)表效果和發(fā)揮錨網(wǎng)支護(hù)中錨桿的整體支護(hù)效果;為提高錨網(wǎng)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,采用小孔徑高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索實(shí)施結(jié)構(gòu)補(bǔ)償,不僅提高錨網(wǎng)基本支護(hù)形成組合拱結(jié)構(gòu)的抗變形能力,提高淺部圍巖的穩(wěn)定性,而且能夠有效發(fā)揮深部穩(wěn)定巖體的承載能力;錨索選用d17.8 mm×6 500 mm 1860鋼絞線,每個(gè)錨索孔錨固長度不小于2 m.

        為提高巷道破碎圍巖體的完整性及強(qiáng)度,同時(shí)為二次高強(qiáng)錨網(wǎng)支護(hù)順利實(shí)施提供保障,一次錨網(wǎng)支護(hù)后,對圍巖實(shí)施注漿加固。注漿錨桿間排距1.5 m×1.5 m,注漿材料水灰比以0.7左右為宜。

        在一次錨網(wǎng)索支護(hù)基礎(chǔ)上,根據(jù)巷道支護(hù)情況和現(xiàn)場施工條件,適時(shí)進(jìn)行二次支護(hù)。如巷道出現(xiàn)片頂、片幫、漿皮炸開、網(wǎng)拉開、鋼筋梯子梁內(nèi)凸等礦壓顯現(xiàn)時(shí),應(yīng)及時(shí)進(jìn)行二次支護(hù),保證巷道的長期穩(wěn)定,依據(jù)經(jīng)驗(yàn),可在擴(kuò)巷迎頭30 m后直接進(jìn)行二次支護(hù)[6].

        二次支護(hù)錨桿規(guī)格與一次支護(hù)錨桿相同;二次支護(hù)用鋼帶替換鋼筋梯子梁,沿巷道軸向布置;二次支護(hù)斷面和一次支護(hù)斷面應(yīng)錯(cuò)開半個(gè)排距。南翼軌道大巷錨網(wǎng)索支護(hù)布置圖見圖2.

        圖2 二次錨網(wǎng)索支護(hù)布置圖

        采用底板錨網(wǎng)索支護(hù)不僅能夠有效控制層狀巖體的強(qiáng)烈底鼓,而且減小臥底工程量??紤]到底板錨網(wǎng)索支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,采用兩種支護(hù)斷面,即斷面A和斷面B相間布置。在底板錨網(wǎng)索支護(hù)方案中根據(jù)南翼軌道巷的跨度,在兩排枕木之間布置底板錨桿(圖3斷面A),同時(shí)采用底板錨索(圖3斷面B)進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)償。

        圖3 南翼軌道巷底板錨網(wǎng)索支護(hù)方案圖

        5 支護(hù)效果考察

        為檢驗(yàn)支護(hù)效果,試驗(yàn)巷道內(nèi)建立了多個(gè)觀測站,對不同位置巷道圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)承載性能進(jìn)行了跟蹤觀測,1#測站表面位移與巷道修護(hù)時(shí)間的關(guān)系見圖4.

        由圖4可以看出,在巷道二次加固結(jié)束后的50 d內(nèi),巷道表面位移逐步增加。此后隨著修護(hù)影響的減弱,巷道兩幫移近量增幅逐漸減小,然后趨于穩(wěn)定。在巷道二次加固施工結(jié)束后50~140 d內(nèi)對該段內(nèi)約60 m巷道底板進(jìn)行了治理,巷道底板加固結(jié)束前底鼓量仍然有較大幅度增加,但隨著巷道底板加固結(jié)束,巷道底鼓量增幅明顯降低,并逐步趨于穩(wěn)定。

        圖4 1號(hào)測站表面位移變化圖

        巷道二次加固結(jié)束后67 d內(nèi),兩幫移近量為109 mm,底鼓量為203 mm;隨后對巷道底板進(jìn)行了治理,至底板治理結(jié)束75 d,巷道兩幫移近量增加73 mm,底鼓量增大109 mm. 后續(xù)觀測結(jié)果表明,隨著臥底影響的結(jié)束,巷道兩幫位移量和底鼓量增幅均逐漸減緩,巷道兩幫和底板逐步趨于穩(wěn)定,采用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定型底板錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)后,底鼓和兩幫內(nèi)移均得到了有效控制。

        6 結(jié) 論

        現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明,采用高強(qiáng)穩(wěn)定型支護(hù)方案修護(hù)后,隨著時(shí)間的推移,頂?shù)装搴蛢蓭蛧鷰r變形逐漸減小并趨于穩(wěn)定,圍巖移動(dòng)變形得到有效控制。采用新型支護(hù)技術(shù),有效保障了巷道使用斷面,避免巷道進(jìn)行多次擴(kuò)修,實(shí)現(xiàn)礦井正常的采掘接替平衡,社會(huì)效益顯著。

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