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        塔山煤礦四盤區(qū)軌道大巷圍巖破壞特征及控制技術(shù)研究

        2023-08-24 08:16:50李金峰
        山東煤炭科技 2023年7期
        關(guān)鍵詞:大巷錨索錨桿

        李金峰

        (中鼎國(guó)際工程有限責(zé)任公司,江西 南昌 330000)

        1 工程概況

        塔山煤礦石炭二疊系煤層四盤區(qū)軌道大巷布置在5#煤層,井口相對(duì)標(biāo)高1591 m,軌道大巷起點(diǎn)底板標(biāo)高+908.334 m,自四盤區(qū)回風(fēng)大巷H4 點(diǎn)前78 m 處至1070 西翼軌道大巷貫通點(diǎn)沿5#煤層頂板掘進(jìn)。四盤區(qū)軌道大巷為直墻半圓拱斷面,掘?qū)挕辆蚋?4700 mm×4150 mm,凈寬×凈高=5200 mm×4000 mm。掘巷階段臨時(shí)支護(hù)采用機(jī)載前探支護(hù),永久支護(hù)頂、幫采用Ф22 mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿,長(zhǎng)度2600 mm,錨固力為190 kN,錨索Ф21.8 mm、長(zhǎng)度6200 mm,錨固力為470 kN,預(yù)緊力為290 kN。如圖1。

        圖1 四盤區(qū)軌道大巷掘進(jìn)支護(hù)詳情(mm)

        2 四盤區(qū)軌道大巷礦壓特征

        2.1 圍巖典型破壞特征

        通過多次對(duì)四盤區(qū)軌道大巷進(jìn)行實(shí)地調(diào)查測(cè)量,得到巷道表面變形量變化情況。在成巷約60 d后,底板多處出現(xiàn)明顯的底鼓破壞,底鼓500~700 mm,兩幫出現(xiàn)明顯的內(nèi)移變形,變形量400~550 mm,頂板下沉量相對(duì)較小,多為150~250 mm,表面變形量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而緩慢增大。在成巷約100 d 后,底板底鼓量增大為700~900 mm,兩幫內(nèi)移量增大為500~650 mm,頂板下沉量增大為200~300 mm,巷道底板和兩幫表現(xiàn)為蠕變特征,導(dǎo)致斷面收縮的主要破壞形式為底鼓大變形和幫部?jī)?nèi)擠。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果,對(duì)變形較嚴(yán)重的斷面進(jìn)行素描,得到巷道表面典型的破壞特征如圖2。成巷約一年后,巷道側(cè)幫擠壓內(nèi)移量最大可達(dá)到1.3 m,底鼓變形最大值可達(dá)到1.2 m,表面大變形已嚴(yán)重影響巷道的正常運(yùn)輸功能。四盤區(qū)軌道大巷不僅表現(xiàn)為表面的變形破壞,同樣出現(xiàn)多處的錨桿、錨索、表面噴層支護(hù)體破壞。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)收集的破斷錨索樣品,錨索及構(gòu)件的破壞形式主要可分為錨索托盤的卷曲、扭轉(zhuǎn)、破斷變形和錨索索體在距孔口1~1.5 m 處破斷。

        圖2 四盤區(qū)軌道大巷典型破壞特征(m)

        2.2 圍巖裂隙發(fā)育特征

        為掌握四盤區(qū)軌道大巷圍巖內(nèi)部破壞情況,在巷道頂板設(shè)置一個(gè)觀測(cè)孔,采用鉆孔窺視儀得到圖3 所示結(jié)果。由圖可以清晰地看出頂板巖層的完整性和破碎情況。頂板巖層深度0~5 m 范圍內(nèi)存在多處裂隙發(fā)育帶,厚度多為0.2~0.5 m,巖石破碎較嚴(yán)重,局部存在明顯的大裂縫;在深度5~8 m 范圍內(nèi),巖石破碎帶數(shù)量和厚度減小,存在一條破碎帶,厚度約0.2 m。軌道大巷圍巖松動(dòng)破壞屬于典型的大松動(dòng)圈[1],頂板深度3.3~3.8 m 處厚度達(dá)到0.5 m 的破碎帶,對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定造成較大危害。

        圖3 頂板窺視結(jié)果

        在四盤區(qū)軌道大巷兩幫施工鉆孔,采用超聲波探測(cè)法探測(cè)圍巖內(nèi)裂隙發(fā)育情況。結(jié)果表明,深度1 m 范圍內(nèi)超聲波的傳播時(shí)間差異較大,一些區(qū)域傳播時(shí)間達(dá)到125 ms,有的區(qū)域僅為104 ms,說明局部圍巖破碎嚴(yán)重,內(nèi)部存在較多的裂縫、孔隙,導(dǎo)致超聲波傳播時(shí)間延長(zhǎng)[2-3];而在深度大于2.3 m后,4 個(gè)鉆孔的超聲波傳播時(shí)間均明顯增大,說明兩幫深度大于2.3 m 處的圍巖破碎嚴(yán)重。

        3 軌道大巷分時(shí)分段雙殼注漿加固技術(shù)方案

        根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研測(cè)量及分析結(jié)果可知,巷道圍巖屬于大松動(dòng)圈破壞特征,表面變形量出現(xiàn)蠕變特性,因此設(shè)計(jì)通過淺部注漿+深部注漿提高圍巖的完整性和強(qiáng)度。將松散破碎的淺部煤巖體膠結(jié)為一個(gè)整體,漿液以滲透充填方式為主,提高淺部圍巖的自穩(wěn)能力和抵御深部巖層荷載的能力;深部圍巖采用注漿錨索進(jìn)行高壓劈裂注漿,起到改善圍巖受力狀態(tài)、提升支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的效果。其控制機(jī)理如圖4(a)所示。注漿壓力是圍巖注漿加固的重要指標(biāo),根據(jù)四盤區(qū)軌道大巷埋深、圍巖破碎情況,結(jié)合類似巷道圍巖注漿加固的經(jīng)驗(yàn)[4],設(shè)計(jì)淺部注漿壓力3 MPa,深部5 MPa。注漿錨桿規(guī)格為Φ22 mm×L2500 mm,注漿錨索規(guī)格為Φ21.8 mm×L6200 mm,錨桿注漿孔深2.55 m,錨索注漿孔深6.25 m,注漿材料采用P.C32.5復(fù)合硅酸鹽水泥,水灰比為5:2。根據(jù)以往注漿經(jīng)驗(yàn)確定錨桿擴(kuò)散半徑約為1500 mm,錨索注漿半徑約為2500 mm。為使?jié){液擴(kuò)散區(qū)域能夠連接為一個(gè)整體,設(shè)計(jì)頂板及兩幫注漿錨桿間排距為1000 mm×1000 mm,錨索間排距為1200 mm×1000 mm,底板注漿錨桿和錨索間排距為1800 mm×2000 mm。注漿錨桿錨索的具體布置形式如圖4。返修加固段工序流程:1)擴(kuò)修斷面至原尺寸;2)幫頂注漿錨桿、錨索安裝施工;3)底板注漿錨桿、錨索安裝施工;4)全斷面淺孔注漿;5)全斷面深孔注漿。

        圖4 軌道大巷返修支護(hù)方案(mm)

        4 應(yīng)用效果

        4.1 表面變形特征

        四盤區(qū)軌道大巷采用分時(shí)分段雙殼注漿加固技術(shù)返修施工后,在多處采用十字形布置表面位移觀測(cè)點(diǎn),通過約100 d 的監(jiān)測(cè)得到頂板與底板、兩幫的絕對(duì)移近量變化規(guī)律如圖5。巷道圍巖變形量在成巷50 d 內(nèi)增大較快,在成巷50~80 d 內(nèi),開始緩慢的增大,成巷約80~100 d 后,表面變形量幾乎無(wú)明顯變化,頂?shù)装逑鄬?duì)移近量最終穩(wěn)定在4~9 cm,兩幫相對(duì)移近量最終穩(wěn)定在3~8 cm,相對(duì)于返修前成巷100 d 時(shí),頂?shù)装濉蓭妥冃瘟糠謩e減小了88.5%、91.4%,表面變形量維持在較低水平,說明設(shè)計(jì)的加固方案能夠有效抑制巷道表面的過度變形。

        圖5 巷道表面變形量變化曲線

        4.2 軌道大巷礦壓特征

        四盤區(qū)軌道大巷采用分時(shí)分段雙殼注漿加固技術(shù)返修施工后,采用鉆孔窺視法及超聲波探測(cè)法再次進(jìn)行探測(cè),整理得到圖6 所示結(jié)果。圖6(a)、(b)分別為返修前后頂板圍巖窺視結(jié)果,注漿加固前圍巖內(nèi)存在明顯的大裂隙,孔壁凹凸不平;而注漿后孔壁可以看到漿液的滲透、填充效果,孔壁光滑,圍巖完整,表面頂板巖層整體性增強(qiáng),穩(wěn)定性提高。根據(jù)幫部超聲波探測(cè)結(jié)果可知,兩幫超聲波的傳播時(shí)間平均值約為60 ms,較返修前減小45.5%,深部大于1.5 m 后,超聲波傳播時(shí)間整體呈現(xiàn)減小趨勢(shì),表面深度大于1.5 m 后,圍巖內(nèi)裂隙數(shù)量顯著減少,圍巖穩(wěn)定性、整體性提高。綜上可得,通過深部、淺部注漿,有效降低了圍巖內(nèi)裂隙發(fā)育程度,松動(dòng)破壞范圍減小,圍巖整體性、穩(wěn)定性得到改善。

        圖6 圍巖裂隙鉆孔窺視結(jié)果

        5 結(jié)論

        塔山煤礦5#煤四盤區(qū)軌道大巷現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明,大巷表面變形特征為底鼓大變形和巷幫嚴(yán)重內(nèi)擠,頂板和兩幫松動(dòng)破壞范圍較大,屬于大松動(dòng)圈破壞特征,提出采用分時(shí)分段雙殼注漿加固技術(shù)進(jìn)行返修。設(shè)計(jì)具體的加固工序及措施,應(yīng)用后通過表面位移、鉆孔窺視等手段,表明軌道大巷表面變形量維持在較低水平,注漿錨桿、錨索無(wú)破斷失效現(xiàn)象,頂板巖層完整性、穩(wěn)定性顯著提升,巷道淺部圍巖裂隙發(fā)育程度顯著降低,松動(dòng)圈發(fā)育范圍顯著縮小,所設(shè)計(jì)的返修加固方案能夠有效控制圍巖的蠕變破壞,滿足礦井安全生產(chǎn)的要求。

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