劉永輝

(山西焦煤汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 賀西煤礦,山西 柳林 033300)

破碎頂板巷道支護(hù)是煤礦井下巷道掘進(jìn)面臨的問(wèn)題之一,若采用的支護(hù)方式不合理或支護(hù)強(qiáng)度不足,容易出現(xiàn)頂板下沉量大、冒頂、網(wǎng)兜等問(wèn)題,制約巷道正常掘進(jìn)并影響后續(xù)正常使用[1-3]。眾多的學(xué)者及技術(shù)人員對(duì)破碎頂板巷道圍巖控制技術(shù)展開(kāi)研究,并提出通過(guò)注漿錨索、短錨+輕架、錨桿+金屬支架+雙抗布、錨護(hù)噴注(超前注漿+噴漿+滯后注漿+加長(zhǎng)錨索)、可伸縮支架+錨索、錨噴+化學(xué)注漿等多種支護(hù)方式,現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用也取得了較好的圍巖控制效果[4-8]。山西某礦1512膠帶巷掘進(jìn)期間面臨頂板破碎問(wèn)題,文中就以該巷道掘進(jìn)期間圍巖支護(hù)為工程背景,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件提出采用高預(yù)緊力錨桿(索)+噴漿方式控制圍巖,現(xiàn)場(chǎng)取得了較好的圍巖支護(hù)效果。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

1512膠帶巷設(shè)計(jì)為矩形斷面,沿回采的5號(hào)煤層底板掘進(jìn),設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 205 m,具體位置見(jiàn)圖1.5號(hào)煤層為礦井主采煤層,煤厚為4.0～5.1 m,傾角2°～8°,埋深均值為380 m.5號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性以砂質(zhì)泥巖、粉砂巖以及石英砂巖為主,其中直接頂板為粉砂巖、細(xì)砂巖互層,厚度均值為6.5 m,裂隙較為發(fā)育,巖體較為破碎;基本頂為泥質(zhì)膠結(jié)的細(xì)砂巖,厚度均值為6.2 m;直接底為石英砂巖,厚度均值為3.5 m.從5號(hào)煤層頂?shù)装鍘r層取樣分析,發(fā)現(xiàn)5號(hào)煤層頂板中高嶺石、伊利石、伊蒙混成等含量均值分別為43.67%、23.3%、24%,底板中高嶺石、伊利石、伊蒙混成等含量均值分別為41.3%、29.3%、21.67%,頂?shù)装鍘r層中含有較多的黏土成分,容易導(dǎo)致頂?shù)装鍘r層膨脹變形。

圖1 膠帶巷位置示意

1.2 巷道原支護(hù)參數(shù)

1512膠帶巷原設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)索支護(hù)方案,具體支護(hù)參數(shù)為:頂板用規(guī)格為D20 mm×2 500 mm的螺紋鋼錨桿+D18.9 mm×8 300 mm的鋼絞線錨索支護(hù),錨桿配套用拱形托盤(300 mm×300 mm×8 mm),間排距為700 mm×700 mm,施加150 N·m扭矩;錨索配套用長(zhǎng)800 mm的型鋼(29U),間排距為1 400 mm×1 400 mm,預(yù)先施加200 kN預(yù)緊力。巷幫用與頂板規(guī)格一致的錨桿及托盤,巷幫錨索布置間排距為700 mm×800 mm,每排安排4根,預(yù)先施加150 N·m以上的扭矩。頂板及巷幫均鋪設(shè)菱形金屬網(wǎng)。

1512膠帶巷在現(xiàn)有支護(hù)條件下,巷道頂板、巷幫最大變形量分別達(dá)到320 mm、760 mm,圍巖變形量整體較大。結(jié)合巷道地質(zhì)條件及支護(hù)方式分析發(fā)現(xiàn)有頂板破碎、巷幫煤體強(qiáng)度低、圍巖遇水(空氣)膨脹變形等問(wèn)題,圍巖支護(hù)用錨桿索預(yù)緊力偏低、護(hù)表結(jié)構(gòu)面積偏小以及預(yù)緊力無(wú)法有效擴(kuò)展等是導(dǎo)致巷道圍巖變形量偏大的主要原因,為此采用高預(yù)緊力錨桿(索)+噴漿方式控制圍巖,以期提高破碎頂板巷道圍巖控制效果。

2 圍巖支護(hù)技術(shù)

2.1 圍巖支護(hù)技術(shù)要點(diǎn)

結(jié)合1512膠帶巷圍巖變形特征,在巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下方面:

1) 提高錨桿(索)預(yù)緊力,以便充分發(fā)揮錨桿(索)主動(dòng)支護(hù)性能,確保圍巖完整,充分發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力;

2) 優(yōu)化錨桿(索)托盤結(jié)構(gòu),提高錨桿及錨索主動(dòng)支護(hù)能力;

3) 增大錨桿(索)組合構(gòu)件表面積,使得施加的預(yù)緊力可擴(kuò)散至距錨桿(索)較遠(yuǎn)的巖層中,以便提升錨桿(索)與圍巖組合結(jié)構(gòu)的承載能力,便于減少圍巖變形量;

4) 通過(guò)噴漿及時(shí)封閉巷道頂板,避免頂板巖層遇水或者空氣膨脹變形,達(dá)到減少頂板下沉量的目的。

2.2 支護(hù)技術(shù)方案

1512膠帶巷為矩形斷面,巷道寬×高=4.7 m×3.85 m,采用高預(yù)緊力錨桿(索)+噴漿方式控制破碎頂板巷道圍巖變形。具體支護(hù)設(shè)計(jì)方案為:

1) 頂板支護(hù)參數(shù)。頂板支護(hù)用錨桿規(guī)格為D20 mm×2 500 mm的螺紋鋼錨桿,采用1支MKS2335+1支MSZ2360樹(shù)脂錨固劑錨固,配套調(diào)心托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm,使用長(zhǎng)×寬×厚=450 mm×280 mm×5 mm的W型鋼帶護(hù)頂,錨桿布置間排距為800 mm×800 mm,錨桿預(yù)先施加350 N·m扭矩;采用8號(hào)鐵絲編制50 mm×50 mm網(wǎng)格的金屬網(wǎng)護(hù)表。支護(hù)用錨索規(guī)格為D18.9 mm×6 300 mm的鋼絞線,配合300 mm×300 mm×14 mm拱形調(diào)心托盤,錨索布置間排距為1 400 mm×1 600 mm,預(yù)先施加200 kN以上預(yù)緊力。

2) 巷幫支護(hù)參數(shù)。巷幫支護(hù)用錨桿材質(zhì)、規(guī)格與頂板一致,錨桿錨固用1支MKS2335+1支MSZ2360樹(shù)脂錨固劑,使用托盤及W型鋼帶與頂板一致,錨桿布置間距及排距均為800 mm,巷幫每排布置5根錨桿,預(yù)先施加350 N·m以上扭矩。使用規(guī)格為3 950 mm×900 mm的金屬網(wǎng)護(hù)表。

3) 表面噴漿。膠帶巷掘進(jìn)后及時(shí)進(jìn)行噴漿,以便封堵巷道表面巖體裂隙,采用的噴漿材料強(qiáng)度均為C25,噴漿厚度為100 mm.具體1512膠帶巷支護(hù)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2.

圖2 1512膠帶巷支護(hù)示意(單位:mm)

2.3 模擬分析

依據(jù)1512膠帶巷現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件,采用FLAC3D軟件對(duì)上述支護(hù)方案下巷道圍巖變形情況進(jìn)行分析。構(gòu)建的模擬模型中,上部為自由邊界,其余均為固定邊界,模擬結(jié)果見(jiàn)圖3.從圖3中看出,1512膠帶巷采用高預(yù)緊力錨桿(索)及噴漿支護(hù)后,巷道圍巖變形問(wèn)題得以較好解決,其中監(jiān)測(cè)到巷道頂板、底板最大變形量分別為28 mm、10 mm,頂板下沉面明顯高于底鼓量且最大變形位置位于巷道頂板中部。巷道左右兩幫變形量最大均為30 mm,變形量最大位置位于巷幫中部。從模擬結(jié)果看出,1512膠帶巷采用的支護(hù)方案可滿足破碎頂板巷道圍巖控制要求,實(shí)現(xiàn)巷道圍巖變形有效控制。

圖3 圍巖變形模擬結(jié)果

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

1512膠帶巷采用上述支護(hù)方案后,在巷道掘進(jìn)迎頭位置布置測(cè)站對(duì)錨桿(索)受力、圍巖變形情況等進(jìn)行監(jiān)測(cè),具體監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4.

圖4 巷道圍巖支護(hù)效果

從圖4(a)看出,圍巖支護(hù)用錨桿(索)受力較為穩(wěn)定,其中錨桿受力為30～80 kN、錨索受力為110 kN,巷道圍巖受到的變形壓力較小;從圖4(b)看出,巷道圍巖變形量整體較小,其中頂板、巷幫累積變形量分別控制在70 mm、60 mm以內(nèi),支護(hù)體系取得了較好的圍巖控制效果。

1512膠帶巷錨桿(索)受力及圍巖變形監(jiān)測(cè)顯示,巷道采用高預(yù)緊力錨桿(索)+噴漿協(xié)同支護(hù)方式,同時(shí)通過(guò)強(qiáng)化護(hù)表結(jié)構(gòu)剛度及強(qiáng)度,可有效提升巷道支護(hù)強(qiáng)度,確保頂板、巷幫穩(wěn)定;噴漿后可及時(shí)封堵頂板裂隙,避免頂板中黏土等軟巖與水、空氣等接觸。采用的支護(hù)方案對(duì)破碎頂板巷道圍巖變形有較好的控制效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 結(jié)合1512膠帶巷現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、圍巖巖性及原支護(hù)方案等分析,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致巷道圍巖變形量大、需頻繁修整的主要原因是巷道頂板破碎、巖體承載能力差、頂?shù)装鍘r層中黏土等含量高、錨桿(索)預(yù)緊力低且護(hù)表結(jié)構(gòu)面積小、巷道原支護(hù)強(qiáng)度低等。針對(duì)原支護(hù)存在的問(wèn)題及現(xiàn)場(chǎng)條件,提出采用高預(yù)緊力錨桿(索)并增加護(hù)表結(jié)構(gòu)面積、巷道表面噴漿等方式支護(hù)圍巖,對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。采用的支護(hù)方案可提高巷道支護(hù)強(qiáng)度,避免頂?shù)装鍘r層中黏土等礦物與水、空氣接觸,有助于減少圍巖變形量。

2) 通過(guò)數(shù)值模擬方式分析提出支護(hù)方案,應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)巷道頂板、底板及巷幫變形量均較小,采用的支護(hù)方案可明顯改善1512膠帶巷圍巖變形量大的問(wèn)題。

3) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后,對(duì)錨桿(索)受力、圍巖變形情況等進(jìn)行監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)錨桿(索)受力均衡,支護(hù)體系運(yùn)行平穩(wěn);巷道頂板、巷幫累積變形量分別控制在70 mm、60 mm以內(nèi),支護(hù)體系取得了較好的圍巖控制效果。