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        深部大斷面巖巷過圍巖破碎帶支護設(shè)計優(yōu)化的研究與應(yīng)用

        2023-11-15 08:31:32郭貢獻
        山東煤炭科技 2023年10期
        關(guān)鍵詞:鋼棚鋼絞線型鋼

        郭貢獻

        (河南能源集團陳四樓煤礦,河南 永城 476600)

        深部大斷面巖巷在掘進期間通常面臨著頂板壓力大、現(xiàn)有支護強度不足等問題,特別是在圍巖破碎帶,巖石破碎,頂板淋水,局部巷道頂板掉落,嚴重影響施工安全,亟須進行支護優(yōu)化。通過縮小永久支護排距、增加頂板錨索錨固深度、架設(shè)36U型鋼棚、壁后充填注漿等“主動+被動”聯(lián)合支護,對圍巖破碎帶巷道進行支護優(yōu)化,提高了巷道整體支護強度,保證了施工安全,取得較好的效果。

        1 工程概況

        2903 工作面位于九采區(qū),該工作面對應(yīng)地面標高為+33.80~ +32.81 m,工作面標高為-723.9~-874.3 m,工作面走向長1199~1216 m,傾斜長190 m,總面積222 566 m2。2903 工作面巷道平面布置示意圖如圖1。

        圖1 2903 工作面巷道平面布置示意圖

        2903 下順槽井下標高-726.4~-874.3 m,地面標高+33.80~+32.81 m,設(shè)計長度為1170 m。巷道開口處位于二2 煤層上方28 m 粉砂巖層位,按358°方位角施工163.2 m 后進入二2 煤層,然后沿二2 煤層掘進。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

        表1 煤層頂?shù)装迩闆r

        2903 下順槽巖巷段斷面設(shè)計凈寬× 凈高=5.2 m×3.8 m, 采 用“Φ22 mm×2500 mm 高 強錨桿+金屬網(wǎng)”進行支護,錨桿間距和排距均為800 mm;頂板施工四排單錨索加強支護,間排距為1600 mm×1600 mm,頂板錨索中間兩排使用Φ21.6 mm×10 200 mm 的鋼絞線,其余兩排使用Φ21.6 mm×8200 mm 的鋼絞線。2903 下順槽斷面支護示意圖如圖2。

        圖2 2903 下順槽斷面支護示意圖(mm)

        巷道自903X6 點前18.5 m(358°方位角)開始進入圍巖破碎帶,預(yù)計圍巖破碎帶長度24 m,破碎帶范圍內(nèi)巷道巖石破碎,頂板淋水,局部巷道頂板出現(xiàn)掉落,影響施工安全,亟須進行支護優(yōu)化。2903 下順槽過圍巖破碎帶平、剖面示意圖如圖3。

        圖3 2903 下順槽過圍巖破碎帶平、剖面示意圖

        2 支護設(shè)計優(yōu)化

        2.1 臨時支護

        巷道頂板破碎,無法正常使用前探梁式臨時支護,采用施工管縫錨桿作為臨時支護。巷道開挖后在巷道拱部施工Φ43 mm×1800 mm 的管縫錨桿進行超前支護,間距為300~500 mm,角度(沿掘進方向)上挑3°~5°,外露不超過200 mm。如圖4。

        圖4 2903 下順槽管縫錨桿臨時支護三視圖(mm)

        2.2 支護參數(shù)設(shè)計

        1)頂板錨桿支護參數(shù)計算(根據(jù)懸吊理論)

        ① 頂板錨桿長度:

        式中:La為頂板錨桿長度,m;H為巷道冒落拱的高度,m;K為安全系數(shù),一般取K=2;Lb為錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度,取0.4 m;Lc為錨桿的外露長度,取0.05 m。

        其中:B為掘進巷道的寬度,取5.4 m;f為巖石堅固性系數(shù),泥巖取3.5。

        則H=5.4 m÷(2×3.5)=0.77 m,La=2×0.77 m+0.4 m+0.05 m=1.99 m。施工時取La=2.2 m,可以滿足要求。

        ② 錨桿間排距計算:

        式中:α為錨桿間排距,m;Q為錨桿設(shè)計錨固力,150 kN;H為冒落拱高度,0.77 m;K為安全系數(shù),一般取k=2;γ為支撐巖石的體積力,泥巖為20 kN/m3。

        錨桿間排距α=800 mm、α=600 mm 均滿足要求。

        2)錨索支護參數(shù)驗算

        ① 鋼絞線長度計算:

        式中:Ld為鋼絞線總長度,m;Le為鋼絞線的自由段長度,取4 m;Lf為鋼絞線的錨固長度,m。

        根據(jù)《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50086-2015),鋼絞線的錨固長度Lf由下面兩個公式確定,選取兩個計算結(jié)果中較大的值:

        式中:Lf為錨固段長度,mm;Nd為鋼絞線軸向拉力設(shè)計值,取200 kN;K為安全系數(shù),取2.2;ψ為影響系數(shù),取1.6;D為鉆孔直徑,取30 mm;d為單根鋼絞線直徑,取5 mm;n為單鋼絞線根數(shù),取7 根;fmg為錨固體與巖石孔壁之間的黏結(jié)強度設(shè)計值,取2.4 MPa;f'ms為錨固體與鋼絞線之間的黏結(jié)強度設(shè)計值,取1.5 MPa;ξ為采用2 根及以上鋼絞線時,界面黏結(jié)強度降低系數(shù),取0.7。

        經(jīng)計算可得出Lf取1733 mm。

        則:Ld=Le+Lf=4000 mm+1733 mm=5733 mm。

        ② 鋼絞線的直徑按下列公式計算:

        式中:d'為鋼絞線直徑,mm;Nd為鋼絞線軸向拉力設(shè)計值,取200 kN;fc為鋼絞線抗壓強度標準值,取1770 N/mm2;η為強度增大系數(shù),取1.8。

        設(shè)計選取錨索直徑為21.6 mm、長度為8200 mm 和10 200 mm,滿足支護要求。

        3)鋼棚支護參數(shù)驗算

        U 型鋼支架需要支撐的巖石重力為:

        式中:Rmax為U 型鋼支架需要支撐的巖石重力,kN;γ為支撐巖石的體積力,取20 kN/m3;L為U型鋼棚棚距,取最大值0.85 m;B為巷道掘進寬度,取5.4 m;H為冒落拱高度,取0.77 m。

        則:Rmax=20 kN/m3×0.85 m×5.4 m×0.77 m=70.7 kN。

        根據(jù)《U 型鋼拱型可縮性支架技術(shù)條件和試驗方法》(MT/T 882-2000),使用的36U 型鋼支架斷面積為17.7 m2,額定工作阻力為420 kN,大于70.7 kN,滿足支護要求。

        2.3 支護優(yōu)化

        根據(jù)以上支護參數(shù)計算,在原支護基礎(chǔ)上,永久支護做如下優(yōu)化:

        1)巷道采用“錨網(wǎng)索”支護,頂部采用8根Φ22 mm×2500 mm 高強錨桿,幫部采用6 根Φ22 mm×2500 mm 高強錨桿,錨桿間排距800 mm×600 mm。 金 屬 網(wǎng) 規(guī) 格 為1000 mm×2600 mm,網(wǎng)格70 mm×70 mm,金屬網(wǎng)搭接100~200 mm,采用雙股14#鍍鋅鐵絲雙邊連網(wǎng),連網(wǎng)間距不大于210 mm。

        頂板以巷中為中心線每排布置4 根錨索進行加固,肩窩2 根錨索為Φ21.6 mm×8200 mm 鋼絞線,其余錨索為Φ21.6 mm×10 200 mm 鋼絞線,間排距為1600 mm×1600 mm。巷幫肩窩處布置一排幫錨索加固,幫錨索距頂錨索間距800 mm,錨索均配300 mm×300 mm×16 mm 蝶形托盤使用。巷道頂板上方為煤層時,根據(jù)頂板與煤層的距離,頂板支護錨索采用Φ21.6 mm×8200 mm、Φ21.6 mm×10 200 mm 或Φ21.6 mm×12 200 mm 鋼絞線進行加固,確保錨索錨固在穩(wěn)定巖層中1.5 m 以上。

        2)巷道自903X6 點前(358°方位角)18.5 m開始至圍巖破碎帶施工結(jié)束,巷道永久支護后采用5000 mm×3800 mm 直墻三心拱36U 型鋼棚加固。

        U 型鋼棚共5 根梁,頂梁長2730 mm、肩梁長2590 mm、腿梁長2750 mm(水溝側(cè)為3150 mm),每道鋼棚使用鋼板連接板7 道(頂梁3 道,棚腿腿梁4 道),鋼棚卡纜12 副,其中包括8 副限位卡纜和4 副非限位卡纜,梁與梁之間搭接450 mm。鋼棚卡纜螺栓的預(yù)緊力矩為300~350 N·m,連接板螺栓的預(yù)緊力矩為100~150 N·m。共需架設(shè)鋼棚30 棚,鋼棚間距為800 mm,棚后背網(wǎng)格70 mm×70 mm 的金屬網(wǎng),金屬網(wǎng)搭接100~200 mm,采用雙股14#鍍鋅鐵絲雙邊連網(wǎng),連網(wǎng)間距不大于210 mm,噴漿厚度100 mm。

        3)棚腿兩幫距底板500 mm 位置施工一排Φ21.6 mm×6200 mm 錨索+3.0 m 長12#槽鋼梁進行加固,一梁三索。

        4)壁后注漿加固:待鋼棚噴漿全部封閉結(jié)束后,對架棚段統(tǒng)一進行注漿加固。

        ① 壁后充填注漿管布置方式:正頂1 根,兩肩窩各1 根,兩底角各1 根,每排共計5 根,注漿孔排距2.4 m。

        ②壁后充填注漿管使用鍍鋅鋼管(Φ20 mm×2000 mm)制作,要求注漿管埋設(shè)后外露不超過100 mm(距U 型鋼棚內(nèi)沿)。注漿時,制漿配比:水灰比0.8~1,即每桶(Φ0.6 m×0.3 m)漿使用1.5~2 袋P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥,注漿壓力不低于1 MPa。注漿后及時打探眼檢查注漿質(zhì)量(注漿質(zhì)量:探眼內(nèi)無空洞或裂縫),探眼布置在兩排注漿孔之間,深度1 m,與注漿孔成五花型布置。

        5)注意事項

        ① 當頂板巖石較軟,頂錨桿不能錨固在穩(wěn)定巖層中時,可采用Φ21.6 mm×4200 mm 錨索代替錨桿進行支護(錨索配250 mm×250 mm×16 mm 錨索托盤使用),確保錨固在穩(wěn)定巖層中。

        ② 巷道繼續(xù)向前掘進期間,巷道開挖后,如頂板較為破碎,先進行錨網(wǎng)支護后再進行套棚支護,套棚支護滯后迎頭距離不超過2400 mm。

        2903 下順槽過圍巖破碎帶套棚支護示意圖如圖5。

        圖5 2903 下順槽過圍巖破碎帶套棚支護示意圖(mm)

        3 施工方法

        1)2903 下順槽過圍巖破碎帶施工期間,采用掘進機配合人工開挖的方式掘進,使用掘進機配合帶式輸送機出矸。

        2)2903 下順槽必須先對已掘圍巖破碎段巷道進行架設(shè)36U 型鋼棚后方可繼續(xù)向前掘進。

        3)過圍巖破碎帶期間,嚴格控制循環(huán)進尺,循環(huán)進度不超過1 排,巷道破巖前上部兩根幫錨桿滯后迎頭的距離不超過1 排,破巖后上部兩根幫錨桿滯后迎頭距離不超過2 排,下部一根幫錨桿可在噴漿前進行施工(架棚時棚后必須先掛網(wǎng)支護)。

        4)巷道繼續(xù)向前掘進時,先按照支護設(shè)計采用錨網(wǎng)進行支護頂幫,支護完畢后再進行套棚支護,U 型鋼棚支護滯后迎頭距離不超過2400 mm。

        5)巷道套棚后對套棚段巷道進行噴漿覆蓋,噴漿厚度以覆蓋連接板為準。巷道套棚全部結(jié)束后統(tǒng)一進行壁后注漿。

        4 架棚方法

        1)架棚時登高作業(yè)需搭建作業(yè)平臺。使用兩個馬凳(馬凳高度不超過2 m、長度不低于1.2 m,使用時兩個馬凳沿巷道方向平行布置在兩幫)、厚度不低于40 mm 的木板(木板超出馬凳部分不得小于100 mm)及8#鐵絲搭建作業(yè)平臺(或采用掘進機、轉(zhuǎn)載部搭設(shè)木板作為作業(yè)平臺),平臺長度不低于3.0 m,寬度不低于0.5 m。

        2)架棚前分別將棚腿按照設(shè)計位置及角度立好,再搭設(shè)肩梁,最后安設(shè)正頂?shù)囊桓斄骸?/p>

        3)開棚腿窩:由驗收員根據(jù)巷道中腰線及鋼棚間距,定好棚腿窩位置,并根據(jù)腰線確定腿窩需要開挖深度,用手鎬將棚腿窩開至設(shè)計深度。

        4)安裝棚腿:將棚腿抬至棚腿窩位置并放進棚腿窩內(nèi),按棚距及腰線調(diào)整好棚腿位置及深度,調(diào)整好前傾后仰,上好兩側(cè)棚腿的連接板。

        5)安裝頂梁:在巷道兩肩窩處各施工1 根規(guī)格不低于Φ20 mm×2200 mm 起吊錨桿(使用兩卷錨固劑進行錨固),通過1 臺1 t 手拉葫蘆將頂梁吊起;或者至少3 名作業(yè)人員站在作業(yè)平臺上將鋼棚頂梁抬起、撥正至兩棚腿上端,將頂梁兩端按照提前標記好的搭接位置進行搭接,根據(jù)巷道中線和腰線調(diào)整好鋼棚中心及高低,上好連接板,上齊頂梁與棚腿搭接處的卡纜。

        6)校核、調(diào)整:由驗收員根據(jù)巷道中心腰線對鋼棚的中心、邁步及前傾后仰進行校核,對于不符合設(shè)計要求的立即進行調(diào)整處理,處理好以后再次進行校核,直至達到設(shè)計要求。

        7)使用風動扳手將連接板與卡纜螺栓緊固至設(shè)計預(yù)緊力矩。

        8)在U 型鋼棚與巷道頂、幫之間按照設(shè)計要求鋪設(shè)金屬網(wǎng),U 型鋼棚與巷道頂、幫之間使用半圓木背實。

        9)對架棚段進行噴漿封閉,噴漿以蓋住連接板為準,噴漿后用刮桿刮平,并將鋼棚上的殘余噴漿料清理干凈。

        10)如果缺少U 型鋼棚連接板,必須使用寬度不低于150 mm、厚度不低于20 mm 的木板或半圓木按照設(shè)計連接板數(shù)量進行臨時連接,采用雙股8#鐵絲將木連板與鋼棚綁扎至少3 圈。

        5 壁后注漿加固方法

        1)采用MQS-50/1.7 型氣動手持式幫錨桿鉆機施工幫部注漿管眼孔,MQT-130 錨桿鉆機施工頂部和肩窩注漿管眼孔(巷道向前掘進套棚施工時,可先預(yù)埋注漿管);采用2ZBQ 型礦用氣動注漿泵進行注漿。注漿泵供氣壓力最大為1.62 m3/min,流量為0~50 L/min,壓力0~6 MPa。

        2)制漿時,往攪拌桶內(nèi)加半桶水,邊攪拌邊往桶內(nèi)加水泥,當加夠水泥袋數(shù)后再往桶內(nèi)加水至桶滿,然后攪拌均勻。制漿配比:水灰比0.8~1,即每桶(Φ0.6 m×0.3 m)漿使用1.5~2 袋P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥。

        3)每班第一次使用注漿泵前必須采用清水進行試泵,在泵的出漿口位置接上膠管,膠管的另一端放到吸漿桶內(nèi)并向桶內(nèi)加滿水,待開泵后,注意觀察注漿泵出水脈沖情況是不是與泵的柱塞往復(fù)次數(shù)相同;確認注漿泵完好后,往桶內(nèi)放入漿液后方可開泵注漿。

        4)施工順序:由外往里、由幫及頂?shù)捻樞?,注漿時逐排進行,并由當班驗收員在記錄本上做好注漿記錄。

        5)注漿過程中觀察巷道頂、幫有無跑漿、漏漿情況,若有跑漿、漏漿時及時使用炮泥封堵,注漿壓力不低于1 MPa。每次注好一個注漿管眼孔后,必須關(guān)閉注漿管孔口處閘門,防止漏液跑漿現(xiàn)象發(fā)生。

        6)每班壁后注漿加固結(jié)束后,向吸漿桶內(nèi)加注清水,使用清水對注漿泵進行清洗。

        6 應(yīng)用效果

        通過3 個月的礦壓觀測,圍巖破碎帶段巷道變形量均控制在100 mm 內(nèi),達到了設(shè)計目的,并具有以下優(yōu)點:

        1)增加錨索錨固深度。在陳四樓煤礦順槽施工中首次采用了Φ21.6 mm×12 200 mm 超長支護錨索,增加了錨索錨固深度,錨固范圍避開了頂板軟弱破碎區(qū)域,提高了支護強度,發(fā)揮錨索的預(yù)緊功能,使得懸吊作用更加明顯。

        2)增強巷道支護安全性。將錨桿支護排距縮小為600 mm,實現(xiàn)了短掘短支,確保了巷道過圍巖破碎帶期間施工安全。

        3)提高巷道支護強度。在錨網(wǎng)索支護的基礎(chǔ)上,在軟弱破碎帶巷道架設(shè)三心拱36U 型鋼棚,在U 型鋼棚與頂板之間使用木板背實,并進行壁后注漿加固,將鋼棚與頂板之間空隙充實,改善鋼棚與圍巖的相互作用關(guān)系,能夠更好發(fā)揮U 型鋼棚拱部的支撐作用,避免偏載對鋼棚支撐力的影響,實現(xiàn)了支架與圍巖的耦合支護,提高了巷道整體支護強度。

        7 結(jié)語

        深部大斷面巖巷過破碎帶期間通過在錨網(wǎng)索支護的基礎(chǔ)上架設(shè)三心拱36U 型鋼棚,同時在U 型鋼棚與頂板之間使用木板背實,并進行壁后注漿加固,將鋼棚與頂板之間空隙充實,改善鋼棚與圍巖的相互作用關(guān)系,能夠更好發(fā)揮U 型鋼棚拱部的支撐作用,避免了偏載對鋼棚支撐力的影響,實現(xiàn)了支架與圍巖的耦合支護,提高了巷道整體支護強度,使2903 下順槽平穩(wěn)通過圍巖破碎帶,保障了掘進施工期間的安全,為同類巷道過圍巖破碎帶提供了借鑒。

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