破碎圍巖巷道支護(hù)研究

張 強(qiáng)

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.西勘正興巖土工程有限公司，成都 610000)

破碎圍巖巷道支護(hù)研究

張 強(qiáng)1，2

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.西勘正興巖土工程有限公司，成都 610000)

針對(duì)布置在構(gòu)造帶中的巷道其圍巖通常比較破碎，采用錨噴索支護(hù)操作難度大、支護(hù)效果不理想等問題，分析研究了破碎圍巖巷道支護(hù)的技術(shù)并對(duì)巷道注漿材料、設(shè)備進(jìn)行選型，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)注漿加固并支護(hù)后巷道變形進(jìn)行模擬，確定了巷道支護(hù)參數(shù)。

巷道支護(hù)；數(shù)值模擬；注漿加固

由于煤層賦存環(huán)境有時(shí)較為復(fù)雜，許多巷道掘進(jìn)時(shí)不可避免的要穿過地質(zhì)構(gòu)造帶。通常情況下，地質(zhì)構(gòu)造帶圍巖及煤體在構(gòu)造應(yīng)力的作用下節(jié)理裂隙比較發(fā)育，圍巖比較破碎。采用錨桿支護(hù)或金屬支架支護(hù)方式，容易出現(xiàn)破碎圍巖的冒落，一旦出現(xiàn)了煤巖體冒落，支護(hù)體與圍巖間容易形成空隙，支護(hù)體無法提供主動(dòng)支護(hù)或有效約束力，造成支護(hù)失效。

方新秋教授提出了二次支護(hù)的方法控制圍巖變形，先采用U型可縮性支架支護(hù)，再采用錨注與錨網(wǎng)梁索聯(lián)合支護(hù)，使注漿為錨桿錨固作用提供了發(fā)揮的平臺(tái)[1]。肖同強(qiáng)采用數(shù)值模擬的方法分析了圍巖應(yīng)力狀態(tài)的變化及分布形態(tài)，得到了斷層附近破碎圍巖煤巷錨桿圍巖支護(hù)穩(wěn)定性機(jī)理[2]。目前，在破碎圍巖巷道支護(hù)研究方面，注漿加固是一種重要的途徑，這是因?yàn)橐环矫鎳鷰r在注漿加固之后不會(huì)再冒落，支護(hù)體支護(hù)力可以通過巷道表面?zhèn)鬟f到巷道深部，另一方面注漿加固有效改善了圍巖整體的力學(xué)性質(zhì)，提高了圍巖的自承能力。

本文對(duì)構(gòu)造帶圍巖及煤體破碎的破壞過程進(jìn)行分析，說明了采用注漿加固加錨網(wǎng)索支護(hù)的原理。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)注漿設(shè)備與材料進(jìn)行選型，通過數(shù)值模擬的方法并對(duì)注漿加固后巷道支護(hù)方式進(jìn)行方案比較，最終確定了錨桿合理的支護(hù)方案。

1 地質(zhì)概況

樂安煤礦15號(hào)煤層平均厚為7.3 m，煤層夾矸厚度約0.2 m，賦存穩(wěn)定。煤層上部頂板巖層為煤層與泥巖的互層，此部分巖層厚1.7 m?；卷攷r層主要由厚度4.33 m的黑灰色的石灰?guī)r巖層構(gòu)成，煤層底板由厚度1.25 m的沙質(zhì)頁(yè)巖巖層構(gòu)成。圖1中列出了樂安煤礦取芯得到的煤層綜合柱狀圖。

圖2所示為15號(hào)煤層三采區(qū)15302工作面采掘巷道布置平面圖。

在回采工作面劃定的區(qū)域內(nèi)，煤層呈向斜布置，巷道位于該向斜構(gòu)造帶內(nèi)，巷道掘進(jìn)時(shí)發(fā)現(xiàn)距離開切眼200 m左右160 m范圍內(nèi)巷道圍巖破碎嚴(yán)重，存在三條斷層，巷道難以支護(hù)。

2 破碎圍巖巷道加固機(jī)理

2.1 破碎圍巖形成機(jī)理

根據(jù)煤礦巷道圍巖破壞引發(fā)機(jī)理的不同，圍巖破壞形式可分為兩類，即由于結(jié)構(gòu)面的存在或地質(zhì)弱面的存在而引發(fā)的破壞和地應(yīng)力引發(fā)的破壞。其中，原始地應(yīng)力包括重力場(chǎng)應(yīng)力及地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力[3]。重力場(chǎng)應(yīng)力導(dǎo)致上覆巖層的載荷向支護(hù)體的傳遞。構(gòu)造應(yīng)力使巖層發(fā)生了很大的彈性形變和塑性形變，從而形成了各種地質(zhì)構(gòu)造。構(gòu)造應(yīng)力的方向通常是以水平方向的應(yīng)力為主，在水平方向的應(yīng)力作用下，煤層及煤層頂板、底板容易發(fā)生剪切破壞。與重力場(chǎng)產(chǎn)生的自重應(yīng)力相比，構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生的規(guī)律更為復(fù)雜，其在時(shí)間和空間上有很大差異，巷道頂?shù)装宓姆€(wěn)定性主要受水平應(yīng)力大小的影響[4]。

據(jù)此對(duì)樂安礦三采區(qū)順槽破碎圍巖進(jìn)行分析。15號(hào)煤頂板為泥巖，底板為頁(yè)巖，為軟硬相間組合。在水平擠壓力作用下，頂?shù)装鍘r層產(chǎn)生滑動(dòng)，底板軟巖形成褶皺，而頂板脆性巖石在構(gòu)造應(yīng)力作用下被破壞，形成局部破碎。構(gòu)造水平應(yīng)力示意圖，見圖3。

2.2 破碎圍巖巷道加固機(jī)理

電機(jī)尺寸較小，空間非常緊湊，結(jié)構(gòu)布置必須合理，需要將各零部件尺寸都盡量壓縮。殼體采用不銹鋼結(jié)構(gòu)，保證強(qiáng)度的同時(shí)能得到較大的內(nèi)部空間。磁旋轉(zhuǎn)編碼器為非接觸式，定轉(zhuǎn)子分開，雖然徑向尺寸很小，但軸向尺寸并不小，較占空間。磁旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)子為光滑圓柱結(jié)構(gòu)，需固定在電機(jī)轉(zhuǎn)子上。電機(jī)為雙方向旋轉(zhuǎn)，編碼器轉(zhuǎn)子固定時(shí)需考慮防松裝置。該電機(jī)是制作專用護(hù)套一端將編碼器轉(zhuǎn)子固定在其腔體內(nèi)，另一端通過內(nèi)螺紋嵌入鋼絲螺套固定在電機(jī)轉(zhuǎn)子上?；魻柌捎昧⒑附Y(jié)構(gòu)，霍爾傳感器金屬面平行于電機(jī)軸線，這樣可以節(jié)省徑向空間，同時(shí)用專用支架將霍爾元器件固定，作為保護(hù)。軸承采用法蘭軸承以減小軸向空間的占用。

一般來說，單一的破碎型巷道可以通過噴漿、金屬鋼梁、錨桿支護(hù)的一種或幾種得到很好地維護(hù)[3]。但是，由于此時(shí)回采巷道不可避免的要受到工作面超前支承壓力構(gòu)造應(yīng)力的影響，巷道維護(hù)通過錨噴架中的一種已難以實(shí)現(xiàn)。因此考慮先采用注漿加固對(duì)巖體中裂隙進(jìn)行閉合、加固，再在此基礎(chǔ)上加錨網(wǎng)索的支護(hù)方式對(duì)破碎圍巖巷道進(jìn)行支護(hù)。

破碎圍巖巷道存在的基本問題是圍巖不完整，破碎的圍巖容易冒落，導(dǎo)致支護(hù)體和圍巖不能有效接觸，有時(shí)形成點(diǎn)、線接觸，支護(hù)體實(shí)際未對(duì)圍巖提供有效的支護(hù)力，造成進(jìn)一步破壞。注漿加固可以將圍巖固結(jié)在一起，保證圍巖的完整性，使支護(hù)體可以對(duì)巷道進(jìn)行有效的支護(hù)。另一方面，通過注漿的方式可以有效的增加圍巖的力學(xué)性能和自承能力，從而降低了支護(hù)的難度。錨網(wǎng)索支護(hù)可以提供徑向約束，從而實(shí)現(xiàn)巷道的支護(hù)[5-6]。

2.3 注漿技術(shù)參數(shù)

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)的材料及裝備水平，結(jié)合礦井實(shí)際情況對(duì)注漿的設(shè)備及材料進(jìn)行了選擇，選型情況如下[7]：

選用525號(hào)普通硅酸鹽水泥，并添加3%～5%濃度為45Be的水玻璃。水泥漿水灰比范圍：0.75∶1～1∶1。

3 破碎圍巖巷道支護(hù)方案

3.1巷道支護(hù)技術(shù)分析

采用注漿加固的方式對(duì)圍巖的整體性質(zhì)進(jìn)行加強(qiáng)，配合錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)的主動(dòng)支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。

注漿加固可以提高圍巖的完整性，提升圍巖自承能力[8]。此外，注漿可以使錨桿、錨索在圍巖深部錨固端與圍巖粘結(jié)，從而形成承載圈。注漿可以提高節(jié)理間的摩擦力，從而降低圍巖對(duì)錨桿、錨索的剪切力，避免錨桿、錨索破壞[9]。

金屬網(wǎng)可以使破碎的巖塊在金屬網(wǎng)作用下不會(huì)冒落，而是相互擠壓，并在錨桿錨索的懸吊的作用下使產(chǎn)生于圍巖深部錨固作用力傳遞到金屬網(wǎng)上，從而形成主動(dòng)支護(hù)的效果，防止頂板進(jìn)一步破壞。

3.2 巷道支護(hù)數(shù)值模擬

圖4為排距0.8 m時(shí)工作面前方不同位置處錨桿錨索支護(hù)后順槽圍巖應(yīng)力分布圖。

圖5為錨桿排距不同時(shí)順槽頂?shù)装逡平?，圖6為錨桿排距不同時(shí)順槽頂?shù)装逡平浚瑘D7及圖8表示距離工作面不同位置處頂板離層值曲線。

結(jié)合圖5、圖6、圖7及圖8能夠看出，排距為0.8m時(shí)的支護(hù)方式能夠有效減小巷道圍巖應(yīng)力，進(jìn)而有效地減小巷道頂?shù)装逡平?。在巷道兩幫進(jìn)行支護(hù)可以有效地提高巷道兩幫的圍壓，進(jìn)一步增強(qiáng)圍巖殘余強(qiáng)度，從而能夠改善巷道兩幫圍巖所受應(yīng)力的狀態(tài)。幫腳的支護(hù)提高了該處水平應(yīng)力，使圍巖破壞程度減輕。

由圖7、圖8可以觀察到，錨固范圍內(nèi)頂板離層量無明顯變化，圖4所示支護(hù)方式支護(hù)參數(shù)的選擇是合理的。

4 結(jié)論

1）通過對(duì)構(gòu)造帶形成理論分析得到了樂安煤礦圍巖破碎的機(jī)理：煤層頂板、底板為軟硬相間的巖層組合，在水平構(gòu)造應(yīng)力作用下，底板軟巖形成褶皺，而頂板脆性巖石在構(gòu)造應(yīng)力作用下被破壞，形成局部破碎帶。

2）提出了破碎圍巖巷道支護(hù)的難點(diǎn)：破碎的圍巖的冒落導(dǎo)致支護(hù)體不能對(duì)圍巖提供有效的支護(hù)，而注漿加固可以將圍巖固結(jié)在一起，使支護(hù)體可以對(duì)巷道進(jìn)行有效的支護(hù)。

3）合理的注漿加固可以很大程度改進(jìn)圍巖力學(xué)性質(zhì)，從而提高圍巖的自承能力，為錨網(wǎng)鎖支護(hù)提供了可行的前提；錨網(wǎng)索支護(hù)可以提供徑向約束，提高巷道圍壓，從而提高巷道圍巖殘余強(qiáng)度。因此采用注漿加固加錨網(wǎng)索支護(hù)的方式支護(hù)巷道。

4）數(shù)值模擬的結(jié)果最終確定了經(jīng)注漿加固的破碎圍巖巷道的支護(hù)參數(shù)。

[1]方新秋，趙俊杰，洪木銀.深井破碎圍巖巷道變形機(jī)理及控制研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2012，29(1)：1-7．

[2]肖同強(qiáng)，柏建彪.斷層附近煤巷錨桿支護(hù)破碎圍巖穩(wěn)定機(jī)理研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2010,27(4):482－486.

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[4]武鵬飛.構(gòu)造破碎帶中煤層巷道支護(hù)技術(shù)研究[D].太原:太原理工大學(xué)，2010．

[5]康紅普，王金華.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2007:338-343.

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[7]馮志強(qiáng).破碎煤巖體化學(xué)注漿加固機(jī)理分析及應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2008,36(10):32-35,58.

[8]黃慶顯.高地應(yīng)力巷道錨噴注二次支護(hù)的研究和應(yīng)用[J].中州煤炭,2006(2):11-12.

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Roadway Supporting Study in Roadways with Broken Surrounding Rock

ZHANG Qiang1,2
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2. Zhengxing Geotechnical Engineering Co.,Ltd.,China Southwest Geotechnical Investigation&Design Institute Co.,Ltd.,Chengdu 610000,China)

Because of broken surrounding rock of roadways located in tectonic zones,anchor-boltshotcrete supporting operation is difficult and supporting effect is poor.On the supporting technology analysis in the roadways with broken surrounding rock,grouting materials and equipment are selected. Numerical simulation is used to simulate the deformation after the grouting reinforcement and determine the supporting parameters for the roadways.

roadway supporting;numerical simulation;grouting reinforcement

TD353

A

1672-5050（2015）01-0041-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.01.014

（編輯：劉新光）

2014-11-16

張強(qiáng)(1982-)，男，山西太原人，在讀工程碩士，助理工程師，從事地質(zhì)研究工作。