高應(yīng)力軟巖巷道成功實現(xiàn)一次支護的實踐探索

劉新文 馮紅耀

煤礦井巷設(shè)計施工中,經(jīng)常遇到具有流變性和膨脹性的各種松軟巖體。傳統(tǒng)工藝基本都是采用硬巖巷道支護技術(shù),針對一次支護出現(xiàn)的問題進行二次支護修復(fù),面臨著巷道經(jīng)常出現(xiàn)前掘后垮、多次采動巷道圍巖和反復(fù)維修巷道等維護困難問題,硬巖巷道支護一般不允許圍巖進入塑性狀態(tài),而高應(yīng)力軟巖巷道的獨特之處就是其巨大的變形能必須以某種形式釋放出來,允許圍巖進入塑性狀態(tài)。因而在一般硬巖巷道采用的錨噴網(wǎng)、砌碹等單一的支護技術(shù)手段,在高應(yīng)力軟巖巷道往往不能解決問題,巷道處于多次返修但仍很難維護的窘境。因此改變傳統(tǒng)工藝的思路——增加或是改變軟巖巷道開挖階段的變形空間,釋放圍巖中存在的變形能是解決高應(yīng)力環(huán)境下軟巖巷道支護問題的關(guān)鍵。

1 高應(yīng)力軟巖巷道支護設(shè)計的原則

1)改善圍巖力學(xué)性質(zhì),充分發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力,盡量避開高地應(yīng)力區(qū)。2)加強錨網(wǎng)的強度和剛度,以增強圍巖表面約束能力,限制破碎區(qū)向縱深發(fā)展。3)適時進行二次支護且二次支護適當(dāng)?shù)乜刂棋^網(wǎng)的強度,保證初期支護具有一定的柔性,在巷道不失穩(wěn)的前提下,允許圍巖有較大的變形,讓其充分地釋放能量。4)實現(xiàn)深部高應(yīng)力軟巖巷道厚壁支護。a.采用全長錨固全螺紋鋼等強錨桿;b.采用錨索加固,增加圍巖自承圈厚度;c.改變支護結(jié)構(gòu),在巷道的兩底腳增加斜拉錨桿或巷道底板開挖成反底拱形并錨噴(梁)支護,從而形成完整的、封閉的支護整體。5)嚴(yán)格控制超挖量,減少對圍巖的擾動。

2 松動放矸卸壓支護方案設(shè)計及數(shù)值模擬

結(jié)合以上提出的設(shè)計原則,根據(jù)控制高應(yīng)力軟巖巷道大變形的理論分析,并針對目前軌道石門采取的支護方式,主要考慮了以下四種方案:方案1:單一工字鋼拱形支架支護;方案2:錨網(wǎng)噴加錨索支護;方案 3:拱形支架、松動放矸卸壓;方案4:全封閉圓形支架+全斷面松動放矸卸壓。

工字鋼支架參數(shù):彈性模量E=200 GPa,慣性矩 I=2.37e-6 m4,橫截面積為2.5e-3 m2,密度d=7 800 kg/m3,寬度為0.15 m。錨桿支護參數(shù):間距為850 mm,橫截面積為3.14e-4 m2,彈性模量 E=100 GPa,屈服力為17.35 kN,粘結(jié)力為2 000 kN/m,粘結(jié)剛度為1.5 GPa。

設(shè)計模擬過程為:巷道按照設(shè)計斷面開挖后,沿著巷道周邊架設(shè)拱形支架(并采用梁單元模擬支架支護),計算200時步后停止,主要是為了模擬巷道開挖后在卸壓前圍巖發(fā)生的變形,然后沿著支架四周松動放掉一定范圍的圍巖(松動范圍500 mm),使圍巖與支架之間有一定的變形空間,釋放圍巖的變形能,從而實現(xiàn)巷道周邊(除了底板)松動放矸卸壓。

針對秦源煤礦目前井下的支護類型,僅給出拱形支護和全斷面支架支護的數(shù)值模擬模型,即方案3和方案4放矸卸壓前后的數(shù)值模型,分別如圖1,圖2所示。

3 數(shù)值模擬計算結(jié)果及分析

數(shù)值模擬結(jié)果從頂板下沉量、底鼓量、兩幫最大移近量等三方面展開,其計算結(jié)果如表1所示。

表1 不同支護方案圍巖控制效果 mm

數(shù)值分析結(jié)果表明,采用全封閉圓形支架+全斷面松動放矸卸壓技術(shù)后,能使巷道圍巖淺部的高應(yīng)力轉(zhuǎn)移到遠離巷道的深部,巷道處于相對較低的應(yīng)力區(qū)中。不但能有效控制兩幫及頂板的初期劇烈變形,而且巷道兩底角及底板經(jīng)過松動放矸卸壓后,消除了這些部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象,兩底角和底板處的圍巖變形大幅度減小,控制巷道底鼓的效果也非常明顯。

4 實際操作施工工藝研究

秦源煤業(yè)有限公司的煤層屬于三軟煤層,開采深度400 m左右。煤層頂板為砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、中細砂巖互層,一般4 m～5 m,最大厚度22.5 m,巖石較松軟,易破碎塌陷。煤層底板為泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖,致密塊狀。

在上述地質(zhì)條件下,針對一次支護方式結(jié)合原有掘進工藝提出了一種分步有控的卸壓支護方式:即巷道掘進時緊跟迎頭打設(shè)頂板錨桿保證安全,架設(shè)棚式支架,當(dāng)圍巖變形擠壓支架時,每次都主動松動放掉一定厚度的圍巖,使圍巖與支架之間留有一定的變形空間,使高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移,并控制放掉圍巖的次數(shù),調(diào)整圍巖的變形空間,從而可以控制圍巖變形能的釋放,并將其作為高應(yīng)力軟巖巷道的一次支護方式。

最終形成了全斷面錨網(wǎng)噴+錨索+圓形鋼梁聯(lián)合支護的施工工藝,具體如下:

1)采用光面爆破掘進,使巷道成行規(guī)整,減少對圍巖的工程擾動,必要時,對圍巖進行注漿加固;

2)掘進后立即噴射一層厚度為30 mm～50 mm的混凝土,及時封閉圍巖;

3)及時打錨桿掛網(wǎng),錨桿長度在1.6 m～2.4 m之間,且長短結(jié)合,底板錨桿長度為1.6 m,并全部使用全螺紋鋼等強錨桿全長錨固,二次噴射混凝土;

4)安裝圓形鋼梁可縮性支架,鋪鋼筋網(wǎng)及隔離層;

5)進行架后充填,充填材料可用煤矸石粉或者砂袋;

6)用混凝土澆筑底板。

5 結(jié)語

根據(jù)秦源煤業(yè)有限公司軌道石門采用上述施工工藝的運營情況分析,人為放矸預(yù)留支架與圍巖之間的空間結(jié)構(gòu),保證變形能向預(yù)留空間傳遞釋放,防止了變形能往圍巖縱深發(fā)展,減少了一次支護后的巷道維修工作,也說明了主動或是預(yù)留變形空間更有利于高應(yīng)力環(huán)境下軟巖巷道的一次支護和后期維護。

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