風(fēng)水溝礦軟巖巷道頂板砂巖含水可錨性試驗(yàn)研究

胡 濱,康紅普,林 健,范明建

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013)

風(fēng)水溝礦軟巖巷道頂板砂巖含水可錨性試驗(yàn)研究

胡 濱1,2,康紅普1,2,林 健1,2,范明建1,2

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013)

風(fēng)水溝煤礦由于頂板砂巖含水層的存在,在錨索施工過程中極易造成錨索孔淋水,使樹脂錨索的錨固力嚴(yán)重下降,巷道支護(hù)難度增大。通過現(xiàn)場可錨性試驗(yàn),確定了比較合理的錨桿、錨索預(yù)緊力等支護(hù)參數(shù),并在 5-1A西七片一分層回風(fēng)巷進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,在頂板砂巖含水的軟巖巷道支護(hù)中,通過可錨性試驗(yàn)來確定高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿錨索支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)參數(shù)是十分必要的。

軟巖巷道;可錨性試驗(yàn);鉆孔淋水;高預(yù)應(yīng)力;全長錨固

Feasibility Test of Anchoring Sandstone Hydrated Roof of Roadway Surrounded by Soft Rock in Fengshuigou Colliery

內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)集團(tuán)風(fēng)水溝煤礦是我國典型的軟巖礦井之一,主采煤層頂?shù)装鍘r層均屬于軟巖。其中,煤層頂板以砂巖為主,松散含水,膠結(jié)性極差,揭露后往往形成流沙。煤層直接底以泥巖或泥質(zhì)砂巖為主,含大量蒙脫石等,膨脹性極強(qiáng)。在回采超前壓力影響下,巷道出現(xiàn)大范圍破壞現(xiàn)象,主要表現(xiàn)為圍巖大范圍整體移近,兩幫移近量 1m左右,尤為嚴(yán)重的是巷道出現(xiàn)嚴(yán)重的底鼓現(xiàn)象,底鼓量在 1.5～2.0m,嚴(yán)重影響了回采工作面的正常生產(chǎn)。隨著開采深度增加,地質(zhì)條件更為惡劣,很多巷道不同程度地受到頂板淋水影響,雖然采用了金屬棚支護(hù)、錨網(wǎng)支護(hù)及 U型鋼 +錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)等多種支護(hù)方式,但均未達(dá)到預(yù)期效果,頂板砂巖含水條件下軟巖巷道支護(hù)問題仍未得到有效解決[1-2]。

為此,風(fēng)水溝礦進(jìn)行了大量的可錨性試驗(yàn)。在試驗(yàn)結(jié)果分析的基礎(chǔ)上,針對現(xiàn)場條件采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)理論[1,3]制定了新的支護(hù)設(shè)計(jì)方案,并在 5-1A西七一分層回風(fēng)巷進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,新支護(hù)方案和參數(shù)對巷道圍巖變形控制效果非常理想,順利地保證了煤層的正常回采。

1 巷道工程概況

5-1A西七片一分層回風(fēng)巷埋深在 421～435m。該巷道上幫鄰近 5-1A西六片工作面采空區(qū),煤柱尺寸為 8m,局部為 6m,可開采煤層為 5-1A煤層,最大厚度 5.6m,最小厚度為 4.45m,平均煤厚 4.5m。5-1A煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,有夾矸 0～3層,夾矸單層厚度在 0.01～0.36m,煤層層理發(fā)育,傾角 6～14°,平均 10°,密度 1.31t/m3。煤層堅(jiān)固性系數(shù) f=2～3。自然發(fā)火期 1～3個(gè)月,瓦斯涌出量 0.24m3/min,煤層爆炸指數(shù)為 55.9%。煤層頂板主要為細(xì)砂巖,松散含水,易冒落。底板主要為細(xì)砂巖。煤層柱狀如圖 1所示。

圖1 5-1A西七片一分層工作面煤層柱狀

2 井下錨固力試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)器材的選擇

風(fēng)水溝煤礦井下巷道一般使用的是 20MnSi材質(zhì) φ20mm錨桿,該錨桿在松軟破碎煤巖體中,顯示明顯強(qiáng)度偏低,不僅不利于錨桿預(yù)緊力的施加[1,2],同時(shí)會大幅度增加錨桿支護(hù)密度,造成巖體破壞和影響支護(hù)速度,在受強(qiáng)烈采動(dòng)和地質(zhì)構(gòu)造影響的巷道段,還經(jīng)常出現(xiàn)錨桿拉斷的現(xiàn)象。

錨索采用 φ15.24mm錨索,該錨索直徑偏小,與鉆孔直徑 (28mm)不匹配,孔徑差過大,易出現(xiàn)錨固端滑動(dòng)現(xiàn)象,造成錨固力下降;同時(shí),索體破斷載荷較小,延伸率低,不能適應(yīng)圍巖的大變形,在高地應(yīng)力、受采動(dòng)和地質(zhì)構(gòu)造影響的巷道中經(jīng)常出現(xiàn)錨索拉斷現(xiàn)象,同時(shí),由于索體強(qiáng)度低,施加的預(yù)應(yīng)力水平也比較低,導(dǎo)致錨索預(yù)應(yīng)力作用范圍小,控制圍巖離層、滑動(dòng)的作用差[2]。

針對目前該礦支護(hù)材料性能偏低的狀況,按照高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)理論的要求,選擇 φ22mm,1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線的高強(qiáng)錨索,φ22mm的高強(qiáng)錨桿進(jìn)行井下錨固力試驗(yàn)。

2.2 頂板錨索孔水量測量

現(xiàn)場采用“干式打眼”的方法來判斷頂板巖性及其含水層的位置。結(jié)果表明：頂板 0～0.9m為煤層;0.9～1.5m為粉砂巖,不含水,該段巖石硬度較大,鉆孔速度較慢;1.9～2.8m為細(xì)砂巖,鉆孔速度變快,同時(shí)出現(xiàn)少量的水;2.8～3.6m為泥巖含有少量細(xì)砂,膠結(jié)性弱,含水量逐漸加大;4.0m以上鉆孔巖屑逐漸變?yōu)槟?(砂)水混合物,水流量較大,鉆孔速度增快。因此,特對頂板錨索孔水流量進(jìn)行了測量,測量時(shí)間為打完錨索孔后15min左右,水量測量結(jié)果如表 1所示。

表1 頂板錨索孔水量測量記錄

從表中數(shù)據(jù)可以看出,頂板砂巖含水量比較大,在錨索施工過程中極易造成錨索孔淋水,使樹脂錨固劑的錨固力嚴(yán)重下降,同時(shí)頂板淋水對錨索產(chǎn)生銹蝕,使錨索的破斷強(qiáng)度降低,再加上巷道圍巖中含有大量的高嶺石和蒙脫石,遇水極易軟化、膨脹,最終導(dǎo)致巷道變形十分嚴(yán)重,嚴(yán)重影響了煤層的正?；夭?。

2.3 頂板錨索錨固力試驗(yàn)

(1)6300mm高強(qiáng)錨索錨固力試驗(yàn) 選用φ22mm,長 6300mm,1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線高強(qiáng)錨索在 5-1A西七片一分層回風(fēng)巷進(jìn)行短錨拉拔破壞性試驗(yàn),具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表 2。

表2 6300mm高強(qiáng)錨索錨固力試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由數(shù)據(jù)可知,由于頂板砂巖含水層的存在,樹脂錨索的錨固力受到了不同程度的影響。具體分析如下：一是由于錨索孔壁在頂板砂巖水的作用下被刷大,造成實(shí)際錨固長度比理論值要下降很多;二是當(dāng)鉆孔中有流水時(shí),錨固劑固化反應(yīng)速度減慢[4],在錨索攪拌樹脂錨固劑的過程中,容易造成部分錨固劑隨著 “沙水”流出,在一定程度上造成了錨固長度的下降;三是在錨固劑固化的過程中,部分水分摻雜進(jìn)了錨固劑固化后的固體物質(zhì)中,形成了大小不等的氣泡,在一定程度上也造成了錨索錨固力的下降[4-5]。

(2)“鳥籠式”錨索錨固力試驗(yàn) 為提高錨固力,增大錨索索體與錨固劑的粘結(jié)面積,試驗(yàn)了 3根 “鳥籠式”錨索,索體最大直徑 35.2mm,長度6300mm,相應(yīng)地將鉆孔直徑定為 42mm,錨固劑直徑增大為 35mm,試驗(yàn)參數(shù)及數(shù)據(jù)如表 3。

表3 “鳥籠式”錨索錨固力試驗(yàn)記錄

試驗(yàn)表明：在頂板錨固段含水量較大情況下,即使采用“鳥籠式”錨索,且增加錨固劑數(shù)量來加大錨固長度,也不能有效地提高錨索錨固力。

(3)4300mm高強(qiáng)錨索錨固力試驗(yàn) 由頂板鉆孔采用 “干式打眼”可知：頂板 4.0m內(nèi)含水較少,4.0m以上鉆孔巖屑逐漸變?yōu)槟?(砂)水混合物,水流量較大,因此,將頂板錨索長度減小為4300mm,錨索孔深度減小為 4000mm,將錨索錨固在不含水和含水較少巖層中,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 4。

表4 4300mm高強(qiáng)錨索錨固力試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表可以看出：錨索最大錨固力基本都在200kN以上,錨固力最大值為 247.9kN,試驗(yàn)結(jié)果表明：通過降低錨索長度,將錨索錨固在含水較少或不含水的巖層中,可以獲得較大的錨固強(qiáng)度。

2.4 幫錨索錨固力試驗(yàn)

選用 φ22mm,長為 4300mm,11 9股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線的高強(qiáng)錨索在兩幫進(jìn)行試驗(yàn),具體數(shù)據(jù)見表 5。

表5 幫錨索錨固力試驗(yàn)記錄

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

(1)工作面?zhèn)葞湾^索的錨固強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于小煤柱側(cè)幫錨索的錨固強(qiáng)度。

(2)左幫為小煤柱側(cè)幫,鄰近 5-1A西六片工作面采空區(qū),煤壁裂隙比較發(fā)育,當(dāng)錨索孔深度為 3m左右時(shí),開始有水流出,水量不均,此處錨索錨固力偏低,究其原因正是鉆孔流水導(dǎo)致錨索錨固力降低。

(3)右?guī)蜑楣ぷ髅鎮(zhèn)葞?錨索錨固在實(shí)體煤中,沒有水的影響,最大錨固力均在 200kN以上,錨固效果好。

2.5 頂板錨桿錨固力試驗(yàn)

根據(jù)前面所述“干式打眼”可知：1.9～2.8m為細(xì)砂巖,含少量水,根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)判斷此處錨桿的錨固效果應(yīng)當(dāng)比較好,所以錨桿錨固力抽檢時(shí)只做非破壞性拉拔,達(dá)到 120kN后可停止拉拔,視為錨固力滿足要求。

試驗(yàn)采用 φ22mm、長 2400mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,配以“一短兩長”的錨固劑進(jìn)行全長錨固拉拔試驗(yàn),所測錨桿拉拔力均在 120kN以上,具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 6所示。

表6 頂板錨桿拉拔力檢測結(jié)果

2.6 幫錨桿錨固力試驗(yàn)

試驗(yàn)采用直徑 22mm、長 2400mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,配以 “一短一長”的錨固劑進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。錨桿錨固力抽檢時(shí)只做非破壞性拉拔,達(dá)到 120kN后可停止拉拔,視為錨固力滿足要求,具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 7所示。

表7 幫部錨桿拉拔力檢測結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)在巷道左幫 (小煤柱側(cè))除了靠近底板的 1根錨桿錨固力為 73.32kN,其余 3根錨桿的錨固力均大于 120kN,分析原因是現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)沿該錨桿孔流水量比較大,使錨固力嚴(yán)重下降。

(2)右?guī)?(工作面?zhèn)?錨桿錨固在實(shí)體煤中,沒有水的影響,所抽檢的錨桿錨固力均大于120kN,滿足基本要求。

3 應(yīng)用

根據(jù)風(fēng)水溝煤礦現(xiàn)場具體地質(zhì)和生產(chǎn)條件,在可錨性試驗(yàn)基礎(chǔ)上,確定巷道采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng)[1-3],并選擇 5-1A西七一分層回風(fēng)巷進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。其中,預(yù)緊力是最關(guān)鍵參數(shù),通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,確定錨桿采用φ22mm左旋無縱筋螺紋鋼筋,長 2400mm,樹脂全長錨固,錨桿預(yù)緊力矩定為 400N·m,日常錨固力檢驗(yàn)必須達(dá)到 120kN;錨索采用材料為 φ22mm,11 9股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線,長度4300mm,錨索預(yù)緊力為 200～250kN,采用樹脂錨固劑與水泥注漿聯(lián)合錨固。

巷道自 2010年 1月 26日開始進(jìn)行可錨性試驗(yàn),期間巷道斷面仍為梯形,并采用錨桿 (索)+梯形棚進(jìn)行支護(hù)。自 2月 5日開始,巷道斷面由梯形變?yōu)楣靶?共施工拱形巷道 233.4m。巷道在掘進(jìn)期間兩幫最大移近量為 75mm,底鼓量為40mm,頂板離層最大值為 17mm。

巷道在回采期間,在距采煤工作面 80m范圍內(nèi)開始受到采動(dòng)影響,位移量逐漸增加,兩幫移近量最大達(dá)到 547mm,左幫為 332mm,頂板下沉量達(dá)到 93mm,底鼓量最大值為 800mm。

總的來說,巷道的變形得到了有效地控制,頂板下沉量較小,兩幫移近量也大幅度減小,巷道支護(hù)狀況發(fā)生了本質(zhì)改變。

4 結(jié)論

(1)巷道頂板砂巖含水量比較大時(shí),在錨索施工過程中極易造成錨索孔淋水,使錨索錨固力嚴(yán)重下降。

(2)在軟巖巷道支護(hù)中,通過可錨性試驗(yàn)來確定合理的支護(hù)參數(shù),可以獲得較高的錨固強(qiáng)度,因此,可錨性試驗(yàn)是十分必要的。

(3)預(yù)應(yīng)力是高強(qiáng)錨桿錨索支護(hù)體系中最關(guān)鍵的參數(shù),通過大幅度提高錨桿錨索的預(yù)應(yīng)力,并通過護(hù)表構(gòu)件的作用使預(yù)應(yīng)力得到有效擴(kuò)散,實(shí)現(xiàn)及時(shí)主動(dòng)支護(hù),可以有效地控制巷道圍巖變形。

[1]林 健 .高強(qiáng)度高剛度強(qiáng)力錨固支護(hù)體系在深部高應(yīng)力軟巖巷道的應(yīng)用研究 [J].煤礦開采,2006,11(6)：59-62.

[2]林 健,范明建,司林坡,姜鵬飛 .近距離采空區(qū)下松軟破碎煤層巷道錨桿錨索支護(hù)技術(shù)研究 [J].煤礦開采,2010,15(4)：45-50,62.

[3]康紅普,王金華,林 健 .煤礦巷道錨桿支護(hù)應(yīng)用實(shí)例分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(4)：649-655.

[4]鄭重遠(yuǎn),黃乃炯 .樹脂錨桿及錨固劑 [M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1983.

[5]勾攀峰,陳啟永,張 盛 .鉆孔淋水對樹脂錨桿錨固力的影響分析 [J].煤炭學(xué)報(bào),2004,29(6)：682-684.

[責(zé)任編輯：王興庫 ]

TD353.6

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1006-6225(2011)01-0067-04

2010-10-13

胡 濱 (1985-)男,山東泰安人,在讀碩士研究生。