深部巷道支護(hù)技術(shù)研究與實(shí)踐

孫廣義,林井祥

(黑龍江科技學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150027)

深部巷道支護(hù)技術(shù)研究與實(shí)踐

孫廣義,林井祥

(黑龍江科技學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150027)

煤礦深部開采巷道與淺部巷道的主要差別是圍巖存在破裂區(qū),也是深部巷道支護(hù)的重點(diǎn)之一。由于破裂區(qū)的存在,巷道支護(hù)應(yīng)以護(hù)為主,防止圍巖破裂范圍擴(kuò)大,巷道失效。提出了深部巷道支護(hù)的 7大設(shè)計(jì)原則。理論與實(shí)踐證明巷道底角采用弧形,加強(qiáng)巷道底角與肩部等關(guān)鍵部位的支護(hù)強(qiáng)度,使巷道整體收縮變形,可有效防止深部巷道的破壞。

深部巷道;弧形底角;護(hù)頂 (幫);破裂區(qū)

深部巷道與淺部巷道的主要區(qū)別是巷道圍巖存在破裂區(qū)[1],破壞裂隙區(qū)是巷道支護(hù)的重點(diǎn),防止圍巖破裂范圍的擴(kuò)大,是巷道支護(hù)的基礎(chǔ)。

深部巷道圍巖壓力處于巖石力學(xué)試驗(yàn)曲線峰后的一段距離。巷道施工后,巖體從三向應(yīng)力狀態(tài)突然變?yōu)閮上驊?yīng)力狀態(tài),釋放一定的能量,引起部分圍巖破壞。受深部強(qiáng)大壓力與施工的共同影響,巷道圍巖一定范圍內(nèi)產(chǎn)生新的裂隙,新老裂隙相互貫通,圍巖表面形成了破裂區(qū)。破裂區(qū)的變形是由巖體結(jié)構(gòu)面錯(cuò)位、原裂隙張開與新裂隙等組成,并產(chǎn)生擴(kuò)容變形,屬于不連續(xù)非線性變形,是深部巷道主要支護(hù)的對(duì)象。

1 深部巷道破壞主要形式

1.1 巷道圍巖變形量大而破壞

深部巷道破壞首先發(fā)生在圍巖的表面破裂范圍內(nèi),即不連續(xù)非線性變形部分[2]。如果不能及時(shí)把圍巖破裂范圍控制住,圍巖的破裂范圍就逐步擴(kuò)大,使圍巖變形嚴(yán)重,最終使巷道破壞。很多深部巷道采用錨注支護(hù)原理主要是控制圍巖破裂區(qū),改變破裂區(qū)圍巖力學(xué)性質(zhì),防止破裂范圍擴(kuò)大。

根據(jù)井下觀測(cè),典型的巷道圍巖破裂形式如圖1所示[3]。

圖1 巷道圍巖破碎裂隙狀態(tài)

1.2 錨桿體失效破壞

目前,深部巷道一般采用錨桿與錨索等組合支護(hù)[3-4]。如果錨桿錨索的支護(hù)參數(shù)合理,支護(hù)能力可滿足要求。深部巷道錨桿體支護(hù)失效破壞并不是支護(hù)強(qiáng)度不夠,而是巷道破裂區(qū)的漏頂 (幫)引起錨桿體失效破壞。錨桿很少有被拉斷、剪切的破壞狀態(tài),其占的比例較小。深部巷道支護(hù)體破壞主要是護(hù)幫 (頂)效果差,使圍巖表面破裂的巖體脫落,錨桿體不能有效支護(hù),托盤失效而破壞,見圖 2所示。

圖2 巷道圍巖脫落失效

錨桿配合網(wǎng)、鋼帶與噴射混凝土支護(hù),其主要原理是護(hù)住圍巖破裂范圍不漏頂 (幫)等,防止脫落巖石范圍擴(kuò)大。

1.3 巷道底鼓破壞

由于巷道底板一般不支護(hù),特別是巷道底角應(yīng)力集中,使巷道底板破壞嚴(yán)重[5-6]。巷道底鼓是深部巷道的主要特點(diǎn)之一,見圖 3所示?；夭上锏酪话憔喙ぷ髅?100m以上就發(fā)生巷道底鼓現(xiàn)象,特別是在掘進(jìn)過程中出現(xiàn)前掘后起底的情況。

圖3 巷道底鼓

一般采用對(duì)巷道底角、底板加強(qiáng)支護(hù)的方法,防止巷道底鼓。

2 深部巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)原則

根據(jù)深部巷道破壞形式,支護(hù)設(shè)計(jì)原則如下：

護(hù)的原則 保護(hù)圍巖破裂區(qū)的變形范圍不擴(kuò)大、不漏頂 (幫)是深部巷道支護(hù)的主要原則。要有效地護(hù)住圍巖,應(yīng)采用及時(shí)支護(hù),提高錨桿的預(yù)緊力,需要網(wǎng)、鋼帶與噴漿支護(hù)等聯(lián)合支護(hù),錨注支護(hù)等。

支護(hù)系統(tǒng)參數(shù)協(xié)調(diào)原則 錨桿、托盤、鋼帶、網(wǎng)等受力均衡、協(xié)調(diào),力學(xué)參數(shù)一致,避免出現(xiàn)先后破壞的現(xiàn)象,影響整體支護(hù)效果。加大錨桿的長(zhǎng)度,降低巷道支護(hù)成本與錨桿的密度。加大托盤的尺寸與剛度,有效護(hù)住圍巖。提高桿體螺紋段的強(qiáng)度,防止此段的破壞。支護(hù)系統(tǒng)要有一定的柔性,為圍巖變形、讓壓留有空間[7]。

重點(diǎn)支護(hù)原則 在同一個(gè)巷道斷面條件下,圍巖的局部應(yīng)力大,該處變形量也越大,須限制該處的變形,使巷道圍巖局部應(yīng)力大處與應(yīng)力小處變形量基本相等。巷道圍巖變形是全范圍的收縮變形,即巷道頂?shù)装?、兩幫等成比例的變?保證巷道圍巖的整體性,防止局部破壞大而失效。對(duì)巷道底角、肩部等關(guān)鍵部位加強(qiáng)支護(hù),使圍巖應(yīng)力協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)移擴(kuò)散,圍巖整體受力均勻。

優(yōu)化巷道斷面原則 巷道底鼓是深部開采的主要特征之一,對(duì)巷道底角、肩部進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),減少該處應(yīng)力狀態(tài)。采用弧形底角的斷面形式,理論與實(shí)踐證明可以明顯降低底角的應(yīng)力。

大斷面原則 在目前支護(hù)技術(shù)、成本條件下不可能完全控制深部圍巖變形移動(dòng),要為圍巖的內(nèi)移、讓壓留有空間[8]。

可操作性原則 提供的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)具有可操作性,有利于井下施工管理和掘進(jìn)速度的提高。

動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)原則 經(jīng)過理論分析和試驗(yàn)后,確定了巷道支護(hù)或維修方案。但是,井下條件復(fù)雜多變,支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)要根據(jù)井下條件的變化及時(shí)修改,實(shí)施動(dòng)態(tài)的支護(hù)設(shè)計(jì),使方案符合實(shí)際條件。

3 實(shí)際應(yīng)用

3.1 礦井概況

雞西礦業(yè)集團(tuán)東海煤礦開采深度達(dá)到 1050m,其二水平五采區(qū)下山巷道破壞嚴(yán)重,采區(qū)車場(chǎng)附近巷道平均每年需要維修 2.5次,特別是變電所因嚴(yán)重破壞而報(bào)廢,影響礦井的安全生產(chǎn)。

新掘巷道斷面寬 3.4m、高 3.5m。維修巷道斷面根據(jù)破壞情況可以采用三心拱或半圓拱型,其中巷道寬度為 4.0～5.0m,高度根據(jù)維修情況確定,但最低不能小于 3.5m。

3.2 支護(hù)設(shè)計(jì)

巷道采用錨桿、錨索、網(wǎng)、鋼筋梯子梁與噴漿組合支護(hù)。維修巷道破壞嚴(yán)重地段,采用圍巖注漿,重新膠結(jié)破裂巖體。錨桿采用長(zhǎng) 2200mm、直徑 22mm的左旋螺紋鋼錨桿,錨索長(zhǎng) 6000mm。新掘巷道錨桿間、排距為 800mm×1000mm,錨索間、排距為 1600mm×2000mm。維修巷道錨桿間、排距為 800mm×800mm,錨索間、排距為 1600mm×1800mm。

錨桿托盤采用 300mm×400mm×8mm的鋼板制成,使托盤同時(shí)起到護(hù)幫 (頂)的作用,錨索托盤用長(zhǎng) 350mm的 U18型鋼制作。采用鋼筋梯子梁與金屬網(wǎng)護(hù)頂 (幫),然后進(jìn)行噴漿,噴漿厚度50mm。

3.3 斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)

經(jīng)分析研究斷面形狀采用拱形頂板、直墻、弧形底角。見圖 4所示[8]。這種巷道斷面形態(tài),能夠改善巷道圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài),提高自身承載能力,有利于巷道支護(hù)。

圖4 巷道弧形底角斷面設(shè)計(jì)

采用數(shù)值模擬軟件對(duì)巷道的應(yīng)力、變形情況進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見圖 5。

圖5 數(shù)值計(jì)算應(yīng)力分布

巷道底角留設(shè)弧形以后,巷道圍巖應(yīng)力較底角為直角形的巷道有顯著變化,由圖 5可見最大主應(yīng)力減小 43%,最小主應(yīng)力減小 69%,剪應(yīng)力減少43%,頂板下沉量減少 2%,底鼓量減少 42%。

3.4 井下試驗(yàn)效果

為了對(duì)比分析,在該礦五采區(qū)回風(fēng)下山設(shè)計(jì)采用弧形底角的巷道斷面,運(yùn)輸下山巷道底角仍采用直角形。巷道支護(hù)參數(shù)與方法相同,設(shè)觀測(cè)點(diǎn)對(duì)巷道變形量進(jìn)行觀測(cè),其部分觀測(cè)數(shù)據(jù)見表 1,變形曲線見圖 6所示。

表1 直墻拱巷道及弧形底角巷道圍巖變形相對(duì)位移

圖6 直墻拱巷道及弧形底角巷道圍巖變形量

觀測(cè)結(jié)果顯示弧形底角巷道比直角底角巷道頂?shù)装逡平繙p少 53%,兩幫移近量減少 30%。觀測(cè)結(jié)果與模擬研究結(jié)論基本一致,證明了弧形底角巷道在深部巷道的優(yōu)越性。

4 結(jié)論

(1)深部巷道圍巖破壞的主要方式是支護(hù)體失效,是由圍巖表面破裂范圍擴(kuò)大而破壞。所以,支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)以護(hù)頂 (幫)、降低圍巖破裂范圍為主。加大錨桿長(zhǎng)度與關(guān)鍵部位的支護(hù)強(qiáng)度,可有效控制圍巖破裂范圍。

(2)巷道留設(shè)弧形底角,不僅能夠明顯降低底角的應(yīng)力集中狀況,而且可減少頂?shù)准皟蓭偷南鄬?duì)移近量、降低巷道底鼓程度,對(duì)深部巷道的穩(wěn)定起到重要的作用。

[1]康紅普 .深部煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的研究與實(shí)踐 [J].煤礦開采,2008,13(1)：1-5.

[2]康紅普 .煤礦深部巷道錨桿支護(hù)理論與技術(shù)研究新進(jìn)展[J].煤礦支護(hù),2007(2).

[3]雞西礦業(yè)集團(tuán),黑龍江科技學(xué)院 .深部巷道非線性大變形機(jī)理研究科研報(bào)告 [R].哈爾濱：黑龍江科技學(xué)院,2008.

[4]劉紅崗,賀永年,徐金海,等 .深井煤巷鉆孔卸壓技術(shù)的數(shù)值模擬與工業(yè)試驗(yàn) [J].煤炭學(xué)報(bào),2007,32(1).

[5]姜耀東,趙毅鑫,劉文崗,等 .深部開采中巷道底鼓問題的研究 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(14).

[6]高明中 .巷道壓曲性底臌的機(jī)理與控制 [J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版),2008,28(1).

[7]石 偉,孫德林,鄒德蘊(yùn) .深井軟巖巷道圍巖二次支護(hù)新技術(shù) [J].礦山壓力與頂板管理,2003(1).

[8]孫廣義,陳 剛,于蒲喜 .深部巷道斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究 [J].煤炭工程,2008(9).

Research and Practice of Deep Roadway Supporting Technology

SUN Guang-yi,L IN Jing-xiang
(Resource&Environment Engineering College,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China)

The main difference of deep mining roadway from shallow roadway is existof cracked area in surrounding rock of deep roadwaywhich is one of the key supporting areas.Because of cracked area,roadway supporting should be give priority to"support"for preventing cracked area from expanding and roadway instability.This paper put for ward 7 design principles for deep roadway supporting.Theory and practice showed thatmaking roadwaywhole in shrinking deformationmightprevent deep roadway instability by applying arc base angle and increasing supporting intensity at roadway base corner and roadway shoulder.

deep roadway;arc base angle;supporting roof(wall);cracked area

TD353

A

1006-6225(2010)01-0054-04

2009-09-08

黑龍江省攻關(guān)項(xiàng)目 (GC05A307)

孫廣義 (1957-),男,黑龍江雞西人,博士,教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事采礦工程教學(xué),礦壓與控制研究工作。

林 健]