深井開采軟巖破碎巷道均質(zhì)支護技術(shù)與應(yīng)用

李建民,章之燕

(1.開灤 (集團)有限責(zé)任公司,河北唐山 063018;2.中國煤炭學(xué)會巖石力學(xué)專業(yè)委員會,北京 100013)

深井開采軟巖破碎巷道均質(zhì)支護技術(shù)與應(yīng)用

李建民1,2,章之燕1,2

(1.開灤 (集團)有限責(zé)任公司,河北唐山 063018;2.中國煤炭學(xué)會巖石力學(xué)專業(yè)委員會,北京 100013)

從復(fù)雜應(yīng)力極軟巖巷道支護機理與支護體系入手,著力于改善圍巖結(jié)構(gòu)及其物理力學(xué)性質(zhì),適時、隨機加固圍巖,達到不斷提高圍巖本身的承載能力;構(gòu)建均質(zhì)的支護 “圈體”技術(shù),解決深井礦井受復(fù)雜應(yīng)力軟巖巷道支護的技術(shù)難題。在工程實踐中,有效地控制了深井軟巖巷道,改善了礦井安全狀況,建立安全高效的生產(chǎn)環(huán)境。

深井;軟巖;均質(zhì)支護

隨著國民經(jīng)濟快速發(fā)展對煤炭需求量的增加,煤礦企業(yè)的淺部資源將逐漸減少和枯竭,開采深度以每年 8～12m的速度增加,我國東部的大部分礦區(qū)都相繼進入深部開采。開灤礦區(qū)平均采深已達到800m,趙各莊礦已延深到 -1200m。礦井開采深度的增加使得巷道遭受大埋深、構(gòu)造應(yīng)力、采動不均勻的疊加應(yīng)力影響,破壞程度十分嚴重。有關(guān)統(tǒng)計表明,我國煤礦每年因向深層、復(fù)雜區(qū)域開采,新增受復(fù)雜應(yīng)力影響的軟巖巷道達 800km,而且有大量已有的軟巖巷道支護因破壞嚴重需要修復(fù)。

20世紀 60年代末,“新奧法”在巷道支護方面給人們提出了新理念。美國、澳大利亞等國依據(jù)“新奧法”,給出了以錨桿為主體的支護體系調(diào)動圍巖的承載能力,采用高強、超長錨桿、全長錨固錨桿、組合錨桿、錨桿桁架、錨索、加長全長錨固錨索,提高巷道的支護穩(wěn)定性。在西歐一些國家以“新奧法”的理論為基礎(chǔ),設(shè)計可縮性金屬支架,來處理困難巷道的支護主動性問題。我國針對大埋深、構(gòu)造應(yīng)力、采動壓力和“軟弱巖、煤體”自身膨脹給巷道支護帶來的困難問題,多是采用大型號U型鋼全封閉架棚再噴漿的復(fù)合支護技術(shù),或采用高強錨桿加錨索加錨網(wǎng)噴復(fù)合支護技術(shù),也曾嘗試過大弧板和網(wǎng)翹支護技術(shù)等,而所有這些支護方式,還不能徹底解決困難巷道支護的穩(wěn)定性。深井巷道支護仍然是急待解決的重大問題之一。

1 軟巖破碎區(qū)域構(gòu)建均質(zhì)支護技術(shù)原理

軟巖破碎區(qū)域構(gòu)建均質(zhì)支護技術(shù)是巷道圍巖主動支護的一種多層次、多結(jié)構(gòu)和多功能的巷道綜合支護體系。其主要原理是軟巖巖石力學(xué)及錨注支護和注漿加固機理,針對復(fù)雜應(yīng)力下軟巖巷道的特點,以根本調(diào)動和提高圍巖自身強度為核心,以改變圍巖的力學(xué)狀態(tài),采取系列手段,確定巷道支護的科學(xué)設(shè)計方案,實現(xiàn)施工進程和效果的最佳方式。基本架構(gòu)是：在主動支護理念指導(dǎo)和全程監(jiān)測監(jiān)控下,以單層或多層鋼絲繩為筋骨的多噴漿層、高度密貼巖面的強韌封層結(jié)構(gòu)為止?jié){墊和支護抗體,對部分軟弱巖體,特別是關(guān)鍵部位的極軟弱巖體進行合理置換,在穩(wěn)壓狀態(tài)下向巖體內(nèi)預(yù)注漿、注漿、復(fù)注漿,將高強度水泥漿液反復(fù)注入圍巖體內(nèi),將松散軟弱的巖煤體膠結(jié)成整體。并在巷道圍巖體內(nèi)預(yù)留帶壓漿液,以不斷調(diào)整壓力的恰當注漿手段,在巖體內(nèi)留置預(yù)應(yīng)力、緩釋迭加應(yīng)力,達到封、讓、固功能的統(tǒng)一。實現(xiàn)不斷提高圍巖自身強度,使巷道支護長時間保持穩(wěn)定的目標。

2 軟巖破碎區(qū)域構(gòu)建均質(zhì)支護技術(shù)工程應(yīng)用

2.1 工程概況

錢家營煤礦三采中部巖石軌道巷,原巷道設(shè)計凈寬 4000mm,凈高 3600mm。其巷道底板為砂巖,頂板為碳質(zhì)泥巖。巷道支護原采用 25U型鋼支架,由于受礦井地質(zhì)條件的限制,巷道布置在距 72煤層底板 3000～5000mm的巖層中,巖層軟硬交錯,且不斷承受直接的、反復(fù)的采動影響,巷道變形極其嚴重。頂板下沉、底鼓,局部地段 U型鋼支架被壓成麻花型,使巷道寬度已小于 2000mm,高度已小于 1000 mm,嚴重影響著礦井安全生產(chǎn)。其變形情況見圖 1所示。

圖1 錢家營礦三采中部巖石軌道巷實況

2.2 巷道圍巖壓力主要來源

被破壞的巷道多數(shù)在巷道群和交岔點及采區(qū)煤柱范圍內(nèi),屬典型的復(fù)雜復(fù)合頂生成狀態(tài),加上工作面頻繁回采,近距離煤層群開采產(chǎn)生急劇反復(fù)的采空區(qū)基本頂板垮落,大面積來壓釋放,使得巷道支護遭受強烈破壞。復(fù)合頂板在高應(yīng)力作用下表現(xiàn)為頂板極易離層、冒落,難以形成承載結(jié)構(gòu),特別是強烈的兩幫移近、片幫及整體下沉,導(dǎo)致復(fù)合頂板下沉而產(chǎn)生離層破壞,頂板、兩幫變形相互作用,形成惡性循環(huán)。致使在服務(wù)期間需多次返修,巷道維護極為困難。錢家營礦三采中部巖石軌道巷、2203膠帶機巷,就是復(fù)合頂板在工作面回采動力影響下,對底部巷道支護劇烈破壞的典型。

2.3 軟巖破碎區(qū)域構(gòu)建均質(zhì)支護參數(shù)選擇要求

(1)錨桿材質(zhì)選擇 目前我國錨桿材質(zhì)主要有高強螺紋鋼、右旋等強螺紋鋼、Q135圓鋼等幾種。其中,高強螺紋鋼因其強度高、表面有凹凸紋理,可保證與錨固劑有較高的粘結(jié)強度和錨固強度,因而支護強度要遠遠大于其他材質(zhì)錨桿。大變形的巷道修復(fù),一般選擇高強螺紋鋼錨桿。

(2)“三徑”匹配選擇 根據(jù)錨桿支護施工實踐經(jīng)驗,一般確定 “三徑”的配比是：鉆頭直徑φ28mm,孔徑約為 φ29～32mm,錨桿直徑為 φ20～24mm,藥卷直徑為 φ23mm。

(3)錨固劑與錨固方式 從錨固劑錨固效果看,樹脂藥卷與錨桿和圍巖的粘結(jié)強度明顯好于水泥藥卷錨固的錨桿。同時,樹脂藥卷錨固錨桿還具有錨固效果好、可靠性高、使用方便、節(jié)省工時,防震性能好,防腐防銹等優(yōu)點。因而目前煤礦大多采用樹脂錨固劑。錨固方式分為 3種基本類型：端頭錨固、加長錨固、全長錨固。端頭錨固方式,除錨固段與圍巖體粘結(jié)緊密外,其余部分大多與圍巖體呈脫開狀態(tài),很難保證錨桿具有足夠的錨固力。全長錨固方式,對保證錨桿足夠的錨固力極其有利,但施工困難,樹脂藥卷用量大、費用高。錨注支護使端錨的錨桿實現(xiàn)了全長錨固,顯著高于端錨,但施工比使用全長錨固劑的固結(jié)法簡便、可靠,費用也大大低于全長錨固。同時采用錨注支護技術(shù),錨桿與圍巖縫隙會被漿液充滿,使錨桿成為全長錨固形式。

(4)錨桿間排距 對巷道支護而言,間排距過大,在圍巖中形成的加固厚度就較小,甚至不能形成連續(xù)的承載結(jié)構(gòu),因而難以有效控制圍巖變形。一般是根據(jù)地質(zhì)條件、巷道尺寸和生產(chǎn)技術(shù)條件來確定間、排距。按類比法,在煤礦巷道建設(shè)中用于錨固的錨桿間排距,常用的參數(shù)為 700mm×700mm。二層次的錨桿間距仍為 700mm×700mm。實際錨固錨桿的間、排距僅為 350mm×350mm,可較好地保證支護效果。

(5)錨桿長度 針對復(fù)合頂板在采動對底部巷道支護劇烈影響的情況,選擇 2個層次不同的高強錨桿,即：L=1800mm,L=2200～2400mm,確保在強烈采動下對底部巷道受力的均勻傳遞和復(fù)合頂板在不同深度不同類型載荷作用下,充分發(fā)揮錨桿對圍巖的高強組合梁作用。

(6)注漿錨桿參數(shù)選擇依據(jù) 注漿錨桿的布置、注漿錨桿長度、間排距和排列方式等參數(shù),根據(jù)圍巖性質(zhì)、圍巖裂隙狀況和圍巖移變規(guī)律的可注性評判及現(xiàn)場注漿擴散半徑確定。間排距根據(jù)每個孔注漿的擴散半徑及孔的排列方式而定。采用行排列方式時,為使?jié){液在設(shè)計壓力下也能互相貫通,應(yīng)使 A1=2A2。其中,A1為矩形 ABCD的面積,A2為矩形ABCD內(nèi)各注漿的擴散面積,見圖 2所示。

圖2 注漿孔的布置方式

式中,R為每個注漿孔的擴散半徑,其大小取決于巖體的破碎程度、滲透系數(shù)、漿液的黏度、可注性和注漿壓力。根據(jù)實踐經(jīng)驗與現(xiàn)場試驗,巷道圍巖注漿時的 R值通常應(yīng)為 1～1.25m。設(shè)孔間距為 d,則A1=2Rd,故應(yīng)有：

如按三角形布置注漿錨桿,則平行四邊形 ABCD的面積為：

為確保多層次注漿與復(fù)注的安排準確可靠,對各注漿錨桿眼的排列方式選定為行排列。通過對 d=1.57R與 d=1.77R的 2種注漿錨桿的比較,參考巷道圍巖可注性的實踐經(jīng)驗,注漿錨桿間距設(shè)計為 1500mm×1500mm,采用雙層注漿錨桿。

(7)注漿深度 按裂隙發(fā)育的經(jīng)驗公式：r1=0.78+2.13γH/Rc

式中,γH為巖石密度與巷道埋深的乘積,取 12～17MPa;Rc為巖石強度,取 25MPa。則：

r1=900～1300mm

對修復(fù)巷道裂隙發(fā)展時間較長區(qū)域,注漿孔深度也應(yīng)適當加長。此注漿孔深度取 1800～2200mm。

根據(jù)上述錨桿規(guī)格采用壁厚 4mm,φ22mm×2000mm普通鐵管制作。在距桿體螺紋口 800mm處,依次按 150mm×150mm,呈 3個方向鉆出 3組φ6～8mm的注漿孔。第 1層注漿錨桿長度 1600～1800mm;第 2層注漿錨桿長度 2000～2200mm。

(8)注漿漿液配比 按 525號水泥漿液的水、灰之比∶第 1次注漿的漿液配比為 1∶0.6～0.8;第 2次漿液一般為 1∶0.8～1.0。注漿量：第 1次控制在 4～6袋水泥的漿液之內(nèi);第 2次控制 3～4袋水泥,當壓力達不到注漿終壓要求時,以滿足注漿壓力的要求為止。注漿壓力：第 1次終壓控制在1.5～2.0MPa;第 2次終壓控制在 2.5～3.0MPa。底角一般控制在 2.0～3.0MPa。注漿眼孔角度上頂垂直于頂板和巖石層理,按巷道拱圓及注漿錨桿的間距要求均勻排列。底角高于底板 50～100mm布眼,下俯傾角 35～50°以上。

2.4 工藝過程與主要參數(shù)

錢家營礦三采中部巖石軌道巷、2203膠帶機上山的巷道均采用均質(zhì)支護修復(fù)方案。第 1層：清理→剝離危石→刷出巷道毛斷面→初噴一層混凝土→在戴帽點柱下打高強錨桿→掛鋼絲繩→安裝托盤→再復(fù)噴→形成柔性密貼支護層。第 2層：頂幫布置注漿錨桿注漿加固。底板臥底后布置底角注漿錨桿注漿加固,底角注漿錨桿下俯 30～45°,以利漿液擴散至底板巖層之中。整個支護結(jié)構(gòu)如圖 3。

圖3 巷道加固支護結(jié)構(gòu)

錨注支護所用的材料主要包括：高強錨桿、內(nèi)注漿錨桿、鋼絲繩、樹脂錨固劑、空心快硬水泥藥卷、水泥、噴射用混凝土等。

一層高強錨桿：長度 φ22×1800mm,間排距700mm×700mm。二層高強錨桿：長度 2400mm,間排距 700mm×700mm。

頂幫第 1層注漿錨桿：頂、幫的注漿錨桿規(guī)格為 φ22×1800mm鐵管制作,壁厚 4mm,桿體上順序鉆有 φ6mm注漿孔,間排距 1500mm×1500mm。第 2層注漿錨桿：頂板的注漿錨桿規(guī)格為 φ22×2200mm,上部注漿眼的深度 2800～3200mm,幫注漿錨桿規(guī)格為 φ22× (2000～2200)mm,間排距1500mm ×1500mm。

底角注漿錨桿：同頂部錨桿,排距 1500mm,距離底板高不超過 100mm,下俯 30～45°。

鋼絲繩：兩層鋼絲繩從一側(cè)底腳到另一側(cè)底腳,按錨桿的縱、橫、行、排規(guī)范掛好,并壓緊。

噴射混凝土：初噴層厚度 70～80mm,復(fù)噴層厚度 50～70mm,配合比為水泥∶黃砂∶瓜子片石1∶2∶1.5。

注漿參數(shù)：采用 525號普通硅酸鹽水泥加水玻璃漿液,水玻璃濃度應(yīng)為 45Be、用量為水泥重量的 3%～5%。漿液的水灰比一般為 0.7∶1.0～1∶1.0。注漿壓力 1.5～2.5MPa,最大為 3MPa。單孔注漿時間一般在 20～30min。

3 均質(zhì)支護技術(shù)效果

錢家營礦三采中部巖石軌道巷采用均質(zhì)支護技術(shù)后,完善了鋼絲繩為筋骨、錨注為支護主體的創(chuàng)新支護體系,可使錨桿和注漿各自的適用范圍都得到擴展,有效地控制了高應(yīng)力極軟巖巷道圍巖的損傷和變形。

高應(yīng)力軟巖巷道經(jīng)錨注后,圍巖變形量降低95%左右,受力狀態(tài)進一步改善。使難維護的巷道轉(zhuǎn)化為比較容易維護的巷道。巷道支護移變量保持在 5%左右,支護效果見圖 4所示。

圖4 巷道支護效果

4 結(jié)束語

深井開采復(fù)雜應(yīng)力、極軟巖巷道支護技術(shù)的發(fā)展,把軟巖巷道趨于主動性支護體系提高到可控動態(tài)的新階段。成功地解決了深部礦井受復(fù)雜應(yīng)力極軟巖巷道支護這一國內(nèi)外長期得不到解決的技術(shù)難題,將會在國內(nèi)外深部礦井開采事業(yè)中發(fā)揮越來越大的作用。

結(jié)合開灤礦區(qū)的特點,針對復(fù)雜應(yīng)力下軟巖巷道遭到強烈破壞的實際狀況,以提高圍巖自身強度和改變圍巖的力學(xué)性質(zhì)構(gòu)建了均質(zhì)支護技術(shù),高強韌性封層與穩(wěn)壓膠結(jié),解決深井巷道的支護問題。為煤礦企業(yè)極軟巖巷道困難支護工程提供技術(shù)指導(dǎo),為今后解決困難巷道支護問題開辟一條新路。

[1]王泉章 .圍巖松動圈理論及其在軟巖巷道錨噴支護中的應(yīng)用[J].煤礦開采,2002(2)：36,45.

[2]魯 巖,方新秋,等 .基于模擬優(yōu)化確定深井軟巖巷道錨桿支護技術(shù)的應(yīng)用 [J].煤炭工程,2007(4).

[3]張玉祥,陸士良,等 .深井軟巖巷道圍巖控制機理 [J].礦山壓力與頂板管理,1997(1).

[4]魯 巖,柏建彪,等 .深井軟巖巷道二次支護技術(shù)及應(yīng)用[J].中國煤炭,2007(7).

[5]高延法,曲祖俊,等 .深井軟巖巷道圍巖流變與應(yīng)力場演變規(guī)律 [J].煤炭學(xué)報,2007(12).

[6]翟來軍,楊新民 .錨注技術(shù)在軟巖巷道的應(yīng)用 [J].煤礦支護,2007(2).

[責(zé)任編輯：鄒正立]

Homogeneous Supporting Technology of Cracked Roadway Surrounded by Soft Rock and Its Application in Deep Mine

LI Jian-min1,2,ZHANG Zhi-yan1,2
(1.Kailuan(Group)Co.,Ltd,Tangshan 063018,China;2.Rock Mechanics&Support Committee,China Coal Society,Beijing 100013,China)

In order to solve the difficult problem of supporting soft-rock roadway with complex stress in deep mine,following methods were put forward including improving structure of surrounding rock and its physical and mechanical property,reinforcing surrounding rock to improve its loaded ability and constructing homogeneous supporting circle.Practice showed that these methods controlled effectively soft-rock roadway in deep mine and improved safety environment.

deep mine;soft rock;homogeneous supporting

TD353

A

1006-6225(2011)01-0060-04

2010-08-26

李建民 (1957-),男,河北豐潤人,教授級高工,博士,現(xiàn)任開灤集團公司副總經(jīng)理。