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        深部高應(yīng)力軟巖條件下底抽巷支護技術(shù)優(yōu)化及應(yīng)用

        2022-06-21 00:36:34孟馮超
        山東煤炭科技 2022年5期
        關(guān)鍵詞:錨桿圍巖變形

        孟馮超

        (河南能源化工集團有限公司河南焦煤能源有限公司科學(xué)技術(shù)研究所,河南 焦作 454150)

        隨著焦作礦區(qū)各礦井開采深度逐步加深,深部高應(yīng)力、軟巖以及強采動影響下的底抽巷支護問題日益突出,原有底抽巷支護設(shè)計不能有效控制圍巖變形,巷道變形量大,局部區(qū)域破壞嚴重,嚴重影響瓦斯抽采作業(yè)、施工進度及礦井整體的采掘接替進度,后期巷道返修和維護工作量大。本文結(jié)合國內(nèi)底抽巷支護技術(shù)研究經(jīng)驗[1-8],以焦作礦區(qū)九里山礦深部地區(qū)底抽巷為研究對象,綜合采用現(xiàn)場調(diào)研、理論分析、數(shù)值模擬和井下試驗等多種方法,對深入高應(yīng)力軟巖條件下底抽巷支護技術(shù)進行深入研究。

        1 工程概況

        九里山礦為焦作礦區(qū)本部主要生產(chǎn)礦井,礦井開采二1 煤層,為煤與瓦斯突出礦井,近年來隨著礦井開采深度逐步加深,深部底抽巷圍巖控制及支護問題日益突出。該礦16071 底抽巷位于16 采區(qū)東翼中部,巷道設(shè)計全長850 m,外段0~630 m 掘進后因生產(chǎn)地區(qū)調(diào)整密閉暫停掘進,一年后開啟密閉恢復(fù)掘進時發(fā)現(xiàn)巷道變形破壞明顯,局部區(qū)段變形失修嚴重甚至出現(xiàn)頂板小范圍冒落,對外段進行近3 個月的修理維護后方才恢復(fù)掘進。

        該巷外段0~630 m 凈寬B=4000 mm,h=1400 mm,凈高H=3400 mm,采用綜掘方式掘進。原支護采用錨網(wǎng)支護,巷道頂部采用錨桿為Φ20 mm×2400 mm 高強樹脂錨桿,兩幫采用錨桿為Φ18 mm×1800 mm 螺紋鋼等強錨桿,錨桿間排距800 mm×800 mm,2.4 m 錨桿扭矩不小于150 N·m,1.8 m 等強錨桿扭矩不小于120 N·m。

        2 巷道變形破壞原因分析

        對九里山礦以及焦作礦區(qū)其他煤與瓦斯突出礦井底抽巷調(diào)研,發(fā)現(xiàn)各礦井深部地區(qū)底抽巷變形失修情況較為普遍,自掘進后直至上部工作面回采結(jié)束,巷道需要進行多次的返修維護。底抽巷圍巖失穩(wěn)變形破壞主要有兩個階段,一是掘進后巷道圍巖失穩(wěn)變形破壞階段;二是工作面采動對底抽巷圍巖變形破壞影響階段。

        (1)深部地應(yīng)力大、圍巖強度低且易風(fēng)化破碎。隨著礦井開采深度的增加,地應(yīng)力逐步增高,圍巖強度降低且易風(fēng)化破碎,巷道圍巖裂隙破碎區(qū)增大,尤其是綜掘未噴漿僅錨網(wǎng)支護巷道風(fēng)化破碎情況更為嚴重。

        (2)巷道整體支護強度低。巷道整體支護強度不夠,甚至錨固范圍小于圍巖破碎松動范圍,導(dǎo)致深部高應(yīng)力條件下支護體不能有效控制圍巖的變形,造成巷道逐步失穩(wěn)變形。

        (3)工作面采動影響。當?shù)壮橄锞嚯x上部工作面較近時,工作面回采將對底抽巷造成明顯的采動影響,直至工作面推進過后逐步恢復(fù)穩(wěn)定。

        3 聯(lián)合支護技術(shù)研究

        底抽巷原有錨網(wǎng)支護方式支護強度低、支護設(shè)計不合理是導(dǎo)致深部地區(qū)底抽巷圍巖逐步失穩(wěn)變形破壞的一個重要原因。因此,通過研究相關(guān)錨網(wǎng)索支護理論,針對原有底抽巷支護存在的問題,提出了深部底抽巷“高預(yù)緊力錨網(wǎng)索噴+注漿”聯(lián)合支護技術(shù)。(1)頂板及幫部均使用高強錨桿;(2)幫部打短錨索加強支護;(3)頂板及時打設(shè)點錨索加強支護;(4)增加錨桿、錨索預(yù)緊力;(5)綜掘巷道噴漿封閉巷道;(6)噴漿后進行壁后注漿加固;(7)采用高強錨桿錨索托盤墊板。

        為驗證對比高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索聯(lián)合支護的效果,以九里山礦地質(zhì)和工程技術(shù)條件為背景,分別對底抽巷在無支護、原支護以及優(yōu)化支護三種方案下的破壞變形情況進行數(shù)值模擬研究。如圖1~圖3。

        圖1 無支護圍巖塑性破壞區(qū)域

        圖2 原支護圍巖塑性破壞區(qū)域

        圖3 聯(lián)合支護方案圍巖塑性破壞區(qū)域

        通過數(shù)值模擬結(jié)果表明:巷道掘出后無支護狀態(tài)下圍巖塑性破壞范圍最大,總體呈“蝶形”分布,以剪切破壞為主,破壞最深位置位于頂板兩肩角處,破壞深度達到4~5 m,兩底角處破壞深度達到2~3 m,巷道幫部破壞深度為1~2 m;巷道掘進后按原支護方案進行支護,圍巖塑性破壞范圍較無支護時大幅度減小,破壞最深處仍位于巷道肩角和底角,破壞深度達2~3 m;高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索聯(lián)合支護方案巷道只有在肩角和底板存在塑性破壞,且破壞深度不足1 m。由此表明高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護方案能夠有效降低巷道圍巖的塑性破壞,方案具有較高可行性。

        4 聯(lián)合支護技術(shù)方案

        底抽巷巷道采用直墻半圓拱斷面,斷面規(guī)格為4.4 m(寬)×3.4 m(高),支護斷面圖如圖4。

        圖4 支護設(shè)計斷面圖(mm)

        錨桿選用Ф20 mm×2400 mm 無縱筋左旋螺紋鋼高強錨桿,,除底腳錨桿外,其他錨桿間排距為800 mm×800 mm;頂板打設(shè)Φ17.8 mm×6300 mm點錨索補強支護,間排距1600 mm×1600 mm,一排三根;幫部打設(shè)Φ17.8 mm×4300 mm 短錨索加強支護,間排距1400 mm×1600 mm,一排4 根(每側(cè)幫部2 根);錨桿預(yù)緊扭矩不低于300 N·m,頂板及幫部短錨索預(yù)緊力不小于200 kN。

        2.擴充了會計信息含量及核算范圍。按新的會計準則,在資產(chǎn)與負債項目中增加了許多科目,全面核算醫(yī)院的各類資產(chǎn),反映醫(yī)院承擔(dān)的現(xiàn)實義務(wù)。例如:增加了“研發(fā)支出”科目,專門核算無形資產(chǎn)達到預(yù)定可使用狀態(tài)前的費用,準確反映自行開發(fā)無形資產(chǎn)的成本;按來源將凈資產(chǎn)分為累計盈余和專用基金,對專用基金的管理更加明確與規(guī)范化。與此同時,新會計制度將原來基建會計單獨建賬、核算后再并入財務(wù)大賬的流程簡化成統(tǒng)一進行會計核算取消基建單獨建賬,大大簡化了基建的會計核算,既節(jié)省了醫(yī)院的人力資源又提高了會計信息的完整性。

        巖巷采用綜掘方式施工時,在錨網(wǎng)后噴射一次混凝土封閉巷道,噴射混凝土厚度20~50 mm。

        巖巷采用炮掘方式施工時,按傳統(tǒng)方式進行兩次混凝土噴射,錨網(wǎng)前初噴厚度40 mm,錨網(wǎng)后復(fù)噴厚度20~50 mm。

        壁后注漿加固:采用注漿管進行注漿加固,注漿管為直徑25.4 mm 鋼管,注漿管長度800~2000 mm,注漿孔孔深2400 mm,間距1800~2000 mm,排距2400 mm,每排布置5 個注漿孔(巷道正中頂板一個,兩側(cè)肩窩及兩側(cè)底角各一個)。注漿使用P.O32.5R 普通硅酸鹽水泥,漿液水灰比為1:0.7~1.0,注漿壓力不小于3.0 MPa。注漿斷面圖如圖5。

        圖5 注漿斷面圖(mm)

        5 現(xiàn)場應(yīng)用

        為檢驗高預(yù)應(yīng)力+注漿加固聯(lián)合支護技術(shù)的實際效果,在九里山礦16071 底抽巷里段220 m 巷道進行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗,與外段原支護效果進行對比驗證。

        在16071 底抽巷試驗段共建立5 個測點,分別位于通尺650 m、680 m、710 m、750 m、810 m。其中通尺650 m、680 m 測點為低預(yù)緊力錨網(wǎng)索+噴漿+注漿段;通尺710 m 為高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索+噴漿+注漿段,通尺750 m、810 m 為高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索+幫錨索+噴漿+注漿段。

        通過圖6、圖7 的觀測數(shù)據(jù)及曲線圖可以得出:

        圖6 幫部變形與掘進時間對比曲線

        圖7 幫部日均變形速率與掘進時間對比曲線

        (1)6 個月后,1#~5#測點巷道變形量及變形速率均已基本穩(wěn)定。1#(650 m)、2#(680 m)測點每半個月幫部變形量在2~3 mm,日均變形速率0.13~0.2 mm/d;3#(710 m)、4#(750 m)、5#(810 m)測點每半個月幫部變形量極?。?~1 mm),日均變形速率0~0.07 mm/d。

        (2)1#、2#測點采用錨網(wǎng)索(低預(yù)緊力)+噴漿+注漿支護方式,巷道掘進180 d 后幫部累計變形量在62~72 mm,頂板累計下沉量在18~20 mm,變形量明顯大于采用高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護方式的3#、4#、5#測點,由此說明高預(yù)應(yīng)力支護可以有效提高巷道主動錨網(wǎng)支護的強度,減小巷道變形量。

        (3)采用高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護的3#~5#測點,4#(750 m)、5#(810 m)測點打設(shè)幫部短錨索,巷道掘進180 d 后幫部累計變形量9 mm,明顯小于3#測點(710 m)未打設(shè)幫錨索段(20 mm)。說明增加幫部短錨索能夠增強巷道幫部支護效果,配合壁后注漿加固后巷道變形量控制在了極小范圍。

        (4)1#、2#測點采用低預(yù)緊力支護段巷道掘進180 d 后幫部變形量雖然在62~72 mm,但該段在進行噴漿及注漿后,巷道變形量相比較16071 外段(0~630 m)未噴漿注漿段明顯變?。ㄍ舛挝磭姖{注漿段掘進180 d 幫部變形量在250~350 mm,封閉半年后失修變形嚴重)。說明巷道進行壁后注漿加固后,能夠明顯改善巷道圍巖條件,提高圍巖的整體性,注漿加固效果顯著。

        通過近9 個多月的現(xiàn)場實施及現(xiàn)場觀測,九里山礦16071 底抽巷采用高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索+幫錨索+噴漿+注漿方式支護取得了良好的支護效果。

        6 結(jié)論

        (1)焦作礦區(qū)原有底抽巷變形破壞主要原因有3 個:① 深部地應(yīng)力大、圍巖強度低且易風(fēng)化破碎。② 巷道整體支護強度低。③ 工作面采動影響。

        (2)通過研究錨網(wǎng)索聯(lián)合支護技術(shù)及圍巖注漿加固技術(shù),提出了焦作礦區(qū)深部高應(yīng)力軟巖條件下底抽巷圍巖控制的理念,制定了焦作礦區(qū)深部底抽巷高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索噴+注漿加固聯(lián)合支護技術(shù)方案,有效解決了焦作礦區(qū)深部底抽巷變形破壞嚴重的問題。

        (3)高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索噴+注漿聯(lián)合支護技術(shù)方案通過高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護及增加幫部短錨索提高了巷道主動錨網(wǎng)支護的強度,通過噴漿封閉減小了巷道圍巖風(fēng)化破壞,通過壁后注漿加固提高了巷道圍巖的整體性,現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。

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