永久煤柱影響下軟巖巷道耦合支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

金 淦

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州221008；2.山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)忻州有限公司煤業(yè)公司，山西 忻州 034000）

永久煤柱影響下軟巖巷道耦合支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

金 淦1，2

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州221008；2.山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)忻州有限公司煤業(yè)公司，山西 忻州 034000）

袁莊煤礦Ⅳ1專用回風(fēng)道受永久煤柱支承壓力影響，巷道變形十分嚴(yán)重。研究從提高巷道圍巖強(qiáng)度和支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性出發(fā)，針對(duì)巷道的破壞特征，提出了耦合支護(hù)技術(shù)方案，并得到成功應(yīng)用。

軟巖；巷道；耦合支護(hù)

1 試驗(yàn)巷道概述

袁莊煤礦為高瓦斯礦井，Ⅳ1回風(fēng)道為Ⅳ1采區(qū)專用回風(fēng)巷道，擔(dān)負(fù)著Ⅳ1采區(qū)的回風(fēng)任務(wù)，巷道支護(hù)狀況的好壞直接決定整個(gè)采區(qū)的通風(fēng)安全。Ⅳ1專用回風(fēng)道為半煤巖巷，主要施工層位為4煤層，其中41煤層厚度為1.25m，42煤層厚度為0.5 m，中間有0.5 m泥巖夾矸，煤層傾角在10°～33°之間，平均21°。直接頂為灰白色細(xì)、中粒砂巖，厚度在7.3m左右，直接底為灰-灰黑色泥巖，厚度為2.2m。Ⅳ1專用回風(fēng)道主要采用29U型鋼棚支護(hù)，部分地段也采用了注漿支護(hù)。長(zhǎng)期以來(lái)，Ⅳ1專用回風(fēng)道受上部Ⅳ3212、Ⅳ3217和Ⅳ3218工作面停采后形成的永久煤柱支承壓力影響，巷道變形十分嚴(yán)重。

2 巷道破壞原因分析

1）巷道圍巖強(qiáng)度較低

Ⅳ1專用回風(fēng)道為半煤巖巷，巷道兩幫下部為4煤，中部含有0.5m厚的泥巖夾矸，巷道中上部及頂板以粉砂巖為主，底板為泥巖。由于巖體中節(jié)理裂隙發(fā)育，盡管巖塊強(qiáng)度尚可，但圍巖體本身的強(qiáng)度并不高，而且在經(jīng)過(guò)多次挑頂、刷幫和臥底后，巷道淺部圍巖節(jié)理裂隙更加發(fā)育，相應(yīng)的圍巖松動(dòng)圈范圍較大，在永久煤柱支撐壓力作用下極易產(chǎn)生強(qiáng)烈變形，為典型的工程軟巖。

2）永久煤柱支承壓力影響

上覆工作面煤層開(kāi)采以后，在Ⅳ1專用回風(fēng)道上方形成的永久煤柱內(nèi)形成較高的集中應(yīng)力，并向底板傳遞。根據(jù)現(xiàn)有的地質(zhì)資料，Ⅳ1專用回風(fēng)道上方煤柱內(nèi)形成的支承壓力峰值約為原巖應(yīng)力的2倍～3倍，圍巖中的切向應(yīng)力達(dá)到32 MPa以上。大量工程實(shí)踐表明，在煤柱下方的底板巷道，不僅使得位于應(yīng)力增高區(qū)的巷道很難維護(hù)，有時(shí)位于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)的巷道維護(hù)也困難。

3）現(xiàn)有支護(hù)強(qiáng)度較低且支護(hù)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定

U型鋼支架具有高阻、可縮和強(qiáng)護(hù)表的能力，能夠很好的控制高應(yīng)力作用下巷道淺部圍巖剪漲變形，但由于U型鋼棚與圍巖的相互作用關(guān)系很差，支架大多局部承載，很容易產(chǎn)生扭曲和滑移，并且從拱形支護(hù)的承載特性看，拱的承載能力較高，而兩幫的承載能力較低，變形往往從兩幫開(kāi)始，難以發(fā)揮支架的整體承載能力，而且巷道底板無(wú)支護(hù)，底臌十分嚴(yán)重，加速了兩幫內(nèi)移，很容易造成支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)。

注漿加固能夠顯著改善圍巖體的力學(xué)性能及其完整性，促使圍巖形成整體承載結(jié)構(gòu)，防止巖體泥化和風(fēng)化，但注漿支護(hù)不能改變支架的整體受力分布，注漿后的巖體為一個(gè)脆性復(fù)合體，在高應(yīng)力作用下仍極易破碎變形。

3 耦合支護(hù)技術(shù)分析

Ⅳ1專用回風(fēng)道原有支護(hù)采用29U型鋼支護(hù)，U型鋼支架具有增阻速度快、支護(hù)強(qiáng)度高和可縮性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類破碎軟巖巷道中。但大量工程實(shí)踐表明，受巷道掘進(jìn)爆破質(zhì)量影響，支架與圍巖相互作用關(guān)系較差，支架實(shí)際承載能力僅為理論承載能力的1/3～1/5，另一方面支架自身結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，極易導(dǎo)致支護(hù)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)。圖1為不同支護(hù)形式下U型鋼支架彎矩分布狀況。

圖1 不同支護(hù)形式下U型鋼支架彎矩分布狀況

從圖1-a可以看出，在支架承載過(guò)程中支架兩幫承受的彎矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于拱部，隨著計(jì)算步數(shù)增加，支架最大彎矩逐漸向幫部中央偏移。當(dāng)支架幫部承受的彎矩大于其許用彎矩時(shí)，支架產(chǎn)生屈服逐漸產(chǎn)生破壞，而此時(shí)支架拱部仍保持穩(wěn)定。Ⅳ1專用回風(fēng)道通過(guò)注漿支護(hù)，圍巖強(qiáng)度可以得到明顯的提高后，但對(duì)比圖1-a與圖3-b注漿前后支架的彎矩分布狀況可以看出，注漿后兩幫角彎矩得到明顯減小，但棚腿彎矩分布形態(tài)沒(méi)有太大變化，因此單純依靠注漿并不能改善U型鋼的整體受力狀況。從圖1-a、1-b可以得知，U型鋼支護(hù)失穩(wěn)多是結(jié)構(gòu)局部結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)導(dǎo)致的，因此必須對(duì)支架結(jié)構(gòu)薄弱處采用結(jié)構(gòu)補(bǔ)償，降低支架承受的彎曲應(yīng)力，發(fā)揮支架的整體承載能力。圖1-c為采用錨索結(jié)構(gòu)補(bǔ)償耦合支護(hù)后的支架彎矩分布狀況，從圖中可以看出，與單純采用注漿支護(hù)相比，錨索結(jié)構(gòu)補(bǔ)償能很好的改善支架的受力情況，棚腿彎矩明顯減少。

圖2為不同支護(hù)形式下巷道表面圍巖移動(dòng)變形特征。如下圖所示，原有U型鋼支護(hù)不能有效控制巷道圍巖變形，巷道兩幫的移近量遠(yuǎn)大于頂?shù)装宓囊平浚⑶翼數(shù)装逡平恐幸缘装咫馂橹?，這是由于U型鋼支護(hù)拱部承載能力較高，但直腿部分抗側(cè)壓能力差，支護(hù)過(guò)程中兩幫首先結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，進(jìn)而促使底板臌起。注漿加固能夠提高圍巖的完整性和圍巖強(qiáng)度，但不能改變支架的整體結(jié)構(gòu)受力狀況，棚腿依然是巷道變形的突破口。采用U型鋼+注漿+錨索結(jié)構(gòu)補(bǔ)償?shù)鸟詈现ёo(hù)技術(shù)后，可以有效改善支架的整體承載狀況，測(cè)試結(jié)果表明，該耦合支護(hù)可以使巷道圍巖變形控制在許可范圍內(nèi)。

圖2 不同支護(hù)形式下圍巖變形特征

4 高強(qiáng)穩(wěn)定型耦合支護(hù)方案

根據(jù)前面的分析，控制此類高應(yīng)力作用下巷道圍巖的強(qiáng)烈變形，不僅要求支護(hù)體應(yīng)具備較高的支護(hù)阻力，而且要求具備高強(qiáng)穩(wěn)定特性。具體支護(hù)方案，見(jiàn)圖3。

圖3 支護(hù)方案圖

該方案的技術(shù)核心是根據(jù)圍巖的破碎狀況，采用錨注加固技術(shù)提高工程巖體的完整性，將支架與圍巖耦合為一體，實(shí)現(xiàn)支架與圍巖共同承載，充分發(fā)揮支架的承載能力。在現(xiàn)有支護(hù)基礎(chǔ)上，通過(guò)在幫部和肩部采用錨索進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)償，提高U29型鋼支架的穩(wěn)定性，同時(shí)采用高強(qiáng)控底措施控制底板的強(qiáng)烈臌起，保證Ⅳ1專用回風(fēng)道有效使用斷面。

該方案的關(guān)鍵技術(shù)有以下幾個(gè)方面：

1）采用錨注技術(shù)加固圍巖。針對(duì)Ⅳ1專用回風(fēng)道圍巖裂隙十分發(fā)育的實(shí)際情況，采用錨注技術(shù)加固圍巖，一方面通過(guò)錨注加固提高圍巖體本身的強(qiáng)度和完整性，另一方面通過(guò)注漿將支架與圍巖耦合為一體，實(shí)現(xiàn)支架與圍巖共同承載。

2）采用錨索進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)償，保證支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。通過(guò)帶梁錨索將U型鋼、工字鋼梁與錨索耦合為一體，可以很好地解決支架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性難題，變不穩(wěn)定支架結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定支架結(jié)構(gòu)，提高支架結(jié)構(gòu)本身的穩(wěn)定性。

3）采用高強(qiáng)控底措施控制底板的強(qiáng)烈臌起。鑒于Ⅳ1專用回風(fēng)道底板的特殊性及底反拱的適用條件，結(jié)合底板松散破碎底臌量大的實(shí)際情況，提出采用底板錨索配合托梁支護(hù)，控制底板的強(qiáng)烈底臌。其中底板錨索施工采用專用的底板錨索鉆機(jī)。根據(jù)底板圍巖松散破碎的狀況，先采用底板注漿，然后采用錨索配合整體梁加固底板。

圖4 Ⅳ1專用回風(fēng)道觀測(cè)站圍巖位移量

5 結(jié)論

通過(guò)測(cè)站的長(zhǎng)期觀察，巷道兩幫的變形量在60 mm左右，頂?shù)装逡平吭?00 mm左右，實(shí)驗(yàn)取得了成功。工業(yè)實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)錨注加固破碎圍巖，采用預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)U型棚薄弱部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)償對(duì)有此類破壞特征的支護(hù)方式有很好的指導(dǎo)意義。

[1]陳炎光,陸士良.中國(guó)煤礦巷道圍巖控制[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1994.

[2]陸士良,湯雷，等.錨桿錨固力與錨固技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1998.

[3]王悅漢，等.巷道支架壁后充填技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社1995.

Research and Application of Coupling Support for Soft Rock Roadway under the Influence of Permanent Pillars

JIN Gan1，2
(1.China University of Mining and Technology,Xuzhou Jiangsu221008;2.Xinzhou Coal Co.,Shanxi Coal Transport and Marketing Group,Xinzhou Shanxi 034000)

IV1special air return way of Yuanzhuang Mine is influenced by supporting stress of permanent pillars,so the deformation situation is very serious.To the failure features of roadways,the author, from strength of surrounding rocks and stability of supporting structure,presented the coupling support. The successful application has been achieved.

soft rock;roadway;coupling support

TD353

A

1672-5050（2010）10-0030-03

2010-07-30

金 淦（1965—），男，山西河曲人，在讀工程碩士，從事采煤技術(shù)研究與管理工作。

徐樹(shù)文