松散膨脹復(fù)合型軟巖巷道的管棚超前支護(hù)技術(shù)研究

趙術(shù)江,臧燕杰,袁 越,

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.國(guó)網(wǎng)能源和豐煤電有限公司，新疆 和布克賽爾 834411)

1 工程概況及地質(zhì)條件

國(guó)網(wǎng)能源和豐煤電有限公司沙吉海煤礦位于新疆和布克賽爾蒙古自治縣城東南63km，新疆和什托洛蓋合什東-沙吉海礦區(qū)的南部，設(shè)計(jì)產(chǎn)能為 500萬t/a，采用2斜井1立井綜合開拓方式。目前正在施工的軌道石門(如圖1)為沙吉海煤礦+550m水平開拓巷道。巷道全長(zhǎng)為694m，巷道斷面形狀為直墻半圓拱，巷道凈寬為5000mm，凈高為4200mm，凈斷面積為18.8m2，采用錨網(wǎng)索噴支護(hù)，錨噴厚度為150mm。石門穿過的巖層大多為松散的含水砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖與礫石互層，節(jié)理裂隙發(fā)育，膠結(jié)性差，巖石強(qiáng)度低，膨脹系數(shù)大，遇空氣易風(fēng)化，遇水后巖石崩解沙化，巖石強(qiáng)度迅速降低，掘進(jìn)過程中容易片幫、漏頂、泥化、安全威脅大、施工困難。

圖1 礦井巷道布置平面圖

2 破壞機(jī)理及支護(hù)對(duì)策分析

2.1 圍巖破壞機(jī)理

沙吉海煤礦軌道石門圍巖松散破碎，膠結(jié)性差，巖石強(qiáng)度低，自由膨脹率大，易風(fēng)化、泥化，遇水后巖石軟化膨脹，并伴隨膨脹附加應(yīng)力的產(chǎn)生，造成巷道圍巖整體變形量大，頂板下沉明顯，噴層由于受到拉剪應(yīng)力的作用，開始開裂、脫落。根據(jù)圍巖X射線衍射分析結(jié)果可知，石門底板泥質(zhì)巖石膨脹性粘土礦物含量高，最高可達(dá)73%，在水的作用及施工開挖擾動(dòng)作用下，底板巖層產(chǎn)生顯著的臌起變形，水溝破壞，進(jìn)而影響巷道兩幫及頂板的穩(wěn)定。巷道穿層掘進(jìn)，各巖層之間層理、節(jié)理發(fā)育，結(jié)合力低，砂巖富水性較強(qiáng)，泥質(zhì)巖石遇水砂化、崩解，掘進(jìn)過程中巷道經(jīng)常發(fā)生漏頂、片幫現(xiàn)象，造成支護(hù)困難。

2.2 支護(hù)對(duì)策

3 管棚工作原理及數(shù)值模擬分析

3.1 超前管棚支護(hù)的工作原理

超前管棚支護(hù)的工作原理與撞楔法工作原理相似。采取超前支護(hù)的工藝，超前支護(hù)頂板，在距巷道輪廓線一定距離的位置，按照一定的間距打設(shè)超前管棚孔，并沿孔口送入無縫鋼管，能有效的控制頂板下沉，對(duì)頂板提前進(jìn)行支護(hù)，形成對(duì)圍巖爆破松動(dòng)圈內(nèi)的破碎巖石的超前臨時(shí)支護(hù)[2-4]。

3.2 軌道石門超前支護(hù)的數(shù)值模擬

1) 數(shù)值計(jì)算模型及參數(shù)

為了了解巷道采用管棚支護(hù)后圍巖的應(yīng)力、位移、破壞場(chǎng)分布特征，并驗(yàn)證其合理性，選取沙吉海煤礦軌道石門作為研究對(duì)象，采用三維有限差分大變形模擬程序FLAC3D，構(gòu)建了巷道三維工程地質(zhì)力學(xué)模型及錨網(wǎng)索+管棚+底角錨桿支護(hù)工況模型(圖2～3)。其中，錨桿、錨索分別采用恒阻大變形錨桿(Φ22mm×2700mm)和恒阻大變形錨索(Φ15.24mm×8000mm)。

圖2 工程地質(zhì)力學(xué)模型

圖3 管棚+錨網(wǎng)索+底角錨桿支護(hù)模型

模型的計(jì)算范圍長(zhǎng)×寬×高=20m×40m×40m，一共劃分了76271個(gè)單元，13254個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，底部為固定邊界，模型上表面為上覆巖體自重應(yīng)力邊界，施加的荷載為7.7MPa。圍巖物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，綜合參考地質(zhì)勘探報(bào)告以及巖體力學(xué)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果確定(表1)。圍巖材料本構(gòu)關(guān)系，采用Mohr-Coulumb模型。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

2) 數(shù)值模擬結(jié)果分析

從水平位移場(chǎng)及豎向位移場(chǎng)(圖4～6)可以看出，巷道在采用錨網(wǎng)索+管棚+底角錨桿支護(hù)的工況下，位移量較小，變形得到了有效控制，巷道斷面形狀維持的較好，因此也未影響其正常使用。最大頂板下沉量為23mm，頂板無明顯的應(yīng)力集中區(qū)，底板應(yīng)力分布較為均勻，兩幫應(yīng)力有向深部巖體轉(zhuǎn)移及擴(kuò)散的趨勢(shì)。另外，從破壞場(chǎng)分布特征圖(圖7)可以看出，巷道頂板剪切塑性區(qū)范圍顯著小于兩幫，兩底角周邊的塑性區(qū)已基本消除。以上模擬結(jié)果及位移、應(yīng)力、塑性區(qū)分布特征，表明了底角錨桿有效控制了兩底角及底板的塑性變形，減小了應(yīng)力集中程度，恒阻大變形錨桿(索)起到了轉(zhuǎn)移圍巖的高應(yīng)力、釋放一定變形能的作用。而超前管棚在巷道開挖前就已對(duì)松散頂板實(shí)行了預(yù)加固，提高了圍巖的整體性。巷道打開后，管棚及時(shí)阻止了淺部松動(dòng)巖體的進(jìn)一步離層、滑動(dòng)發(fā)展，縮小了頂部的破裂區(qū)范圍，較大程度上保持了巖體的強(qiáng)度，有利于圍巖的穩(wěn)定，同時(shí)也消除了頻繁漏頂、片幫現(xiàn)象的發(fā)生[4-5]。

圖4 水平位移場(chǎng)

圖5 豎向位移場(chǎng)

圖6 豎向應(yīng)力場(chǎng)

圖7 塑性區(qū)分布

4 支護(hù)設(shè)計(jì)及支護(hù)施工工藝

超前管棚+錨網(wǎng)索斷面支護(hù)圖，如圖8所示。超前管棚支護(hù)是在即將開挖的巷道沿外輪廓周邊上,間隔一定的間距,沿洞軸以一定的外插角鉆孔,安裝無縫鋼管。無縫鋼管外留一定長(zhǎng)度，與預(yù)先錨網(wǎng)索噴預(yù)留的金屬錨網(wǎng)連接成整體。加固環(huán)發(fā)揮“承載拱”的作用,承受拱上部的地面荷載和巖層重量,使拱內(nèi)部圍巖僅承受拱部圍巖的形變壓力,從而創(chuàng)造了理想的開挖條件。

陳主任將呂凌子帶到辦公室的一個(gè)內(nèi)間。內(nèi)間除了辦公桌、文件柜，靠門處還擺放了茶幾和沙發(fā)，看上去比外間至少大了兩倍。

1) 錨桿：錨桿選用恒阻大變形錨桿，錨桿分為兩部分：恒阻器和桿體，恒阻器規(guī)格為Φ34mm×500mm，桿體為Φ22mm×2200mm，總長(zhǎng)度應(yīng)為2700mm，錨桿間排距為800mm×800mm，錨桿托板規(guī)格為120mm×120mm×10mm碟形鐵托板，錨固劑藥卷采用K2370和CK2370各一根。

2) 錨索；選用恒阻大變形錨索，錨索分為兩部分：恒阻器和錨索。恒阻器規(guī)格為Φ34mm×500mm，錨索規(guī)格為Φ15.24mm×7500mm，總長(zhǎng)度應(yīng)為8000mm，錨索間排距為1800mm×2400mm，錨索托盤采用400mm×200mm×80mm的槽鋼和200mm×150mm×10mm鋼板焊接而成。錨固劑藥卷采用3根K2370和1根CK2370藥卷。

3) 金屬網(wǎng)：網(wǎng)片采用Φ6.5mm的鋼筋編制網(wǎng)，網(wǎng)目規(guī)格為100mm×100mm，搭接為100mm采用14#鐵絲每隔200mm綁扎一道。

4) 噴層：噴射砼厚度為150mm，使用標(biāo)號(hào)不低于P.O32.5R普通硅酸鹽水泥，砂為純凈的中粗河砂，石子為粒徑5～10mm的碎石。噴砼強(qiáng)度等級(jí)C20，重量配合比為水泥∶砂∶石子=1∶2.03∶2.19，水灰比0.48；速凝劑摻入量一般為水泥重量的2.5%～4%。水溝砌筑砼強(qiáng)度等級(jí)C20，砼重量配合比水泥∶沙∶石子=1∶1.29∶2.31，水灰比0.69。

5) 管棚超前支護(hù)參數(shù)

①超前支護(hù)長(zhǎng)度：掘進(jìn)過程中，循環(huán)進(jìn)尺1.2m，在對(duì)圍巖性質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，確定超前支護(hù)長(zhǎng)度為3600mm，超前管棚長(zhǎng)3800mm。選用Φ32mm×3800mm的鋼管制作管棚。

②超前管棚的布置方式(圖9～10)：管棚眼距為450mm,在距巷道輪廓線100mm處以30的夾角斜向輪廓線外打眼，眼底坐落于巷道輪廓線外150mm處，眼深3600mm，外露的管棚大約200mm，用14號(hào)鐵絲雙股綁在頂部金屬錨網(wǎng)上[8]。

圖8 巷道斷面支護(hù)圖

圖9 管棚支護(hù)圖

圖10 管棚剖面圖

5 管棚施工工藝流程

按設(shè)計(jì)打管棚孔→安裝固定管棚→按設(shè)計(jì)打爆破眼→爆破→處理頂部圍巖→打錨桿掛網(wǎng)支護(hù)頂板→處理兩幫并進(jìn)行支護(hù)→打錨索噴漿成型。各環(huán)節(jié)具體施工過程如下：

1) 管棚插入及孔口處理：超前管棚管徑，選用Φ32mm 鋼管，管棚鋼管長(zhǎng)度采用3800mm，管棚應(yīng)沿巷道開挖輪廓線向外傾斜，其傾角一般不宜大于5度，管棚鋼管沿巷道拱部開挖輪廓線布設(shè)，布設(shè)寬度為450mm，沿拱部開挖外輪廓布置。

2) 管棚打設(shè)：打設(shè)排干眼時(shí)，要嚴(yán)格按設(shè)計(jì)的眼距、眼深、傾斜角打設(shè)；安裝排干時(shí)，管棚要與巷道頂部的金屬網(wǎng)連接牢固，同時(shí)相鄰的管棚也要用12號(hào)鐵絲相連，以防放炮打偏。

3) 炮眼布置及打設(shè)：周邊眼距排桿眼200mm，周邊眼盡量與管棚眼成交錯(cuò)布置，炮眼深度為1400mm，每眼裝藥不超過1塊。

4) 爆破后及時(shí)檢查管棚與頂網(wǎng)的連接和相鄰管棚之間的連接是否被打開，及時(shí)將其連接牢固，以作為臨時(shí)支護(hù)。然后打錨桿掛網(wǎng)噴漿支護(hù)頂板，金屬網(wǎng)掛在管棚下，將管棚連成一個(gè)整體[6-9]。

6 應(yīng)用效果分析

沙吉海煤礦含水松散膨脹復(fù)合型軟巖巷道采用管棚超前支護(hù)，保證施工中安全與巷道成型，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，為礦井快速、安全施工創(chuàng)造有利條件，縮短了建礦周期，提高了社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

1) 安全質(zhì)量分析：超前支護(hù)的管棚間距0.45m，相當(dāng)于提前進(jìn)行了臨時(shí)支護(hù)，這是一種類似主動(dòng)支護(hù)方式。巷道開挖后，煤礦職工可在管棚超前支護(hù)的掩護(hù)下進(jìn)行作業(yè)，強(qiáng)化頂板控制，消除片幫、漏頂?shù)陌踩[患，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。實(shí)踐證明，使用管棚超前支護(hù)在施工軌道石門過程中，沒有出現(xiàn)片幫冒頂現(xiàn)象，對(duì)巷道的成型起到了決定性的作用。同時(shí)，也相應(yīng)的降低材料消耗及浪費(fèi)，節(jié)省了人力、物力、財(cái)力。

2) 經(jīng)濟(jì)效益分析：管棚超前支護(hù)長(zhǎng)度3.8m，施工過程中循環(huán)進(jìn)尺1.2m，按正常的施工順序，每天完成三個(gè)循環(huán)，進(jìn)尺3.6m，只需要打一次管棚即可，提高了掘進(jìn)速度，縮短了施工周期。自從實(shí)行了管棚超前支護(hù)以來，2012年3月份該掘進(jìn)工作面掘進(jìn)50m，4月份進(jìn)尺70m，5月份進(jìn)尺90m，為礦井快速施工創(chuàng)造良好條件。

7 結(jié)語

針對(duì)沙吉海煤礦軌道石門遇水泥化、沙化嚴(yán)重，易片幫、漏頂，在掘進(jìn)過程中隨掘隨冒、安全威脅大、施工困難的問題，通過現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查及理論分析，明確了其破壞機(jī)理，提出了超前管棚+錨網(wǎng)索噴耦合支護(hù)對(duì)策。在數(shù)值模擬分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了巷道的斷面支護(hù)設(shè)計(jì)、施工工藝設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)。通過本次研究與工程實(shí)踐，主要得到了以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)和體會(huì)：

1) 采用超前管棚+錨索網(wǎng)噴的支護(hù)方式，有效控制了沙吉海煤礦含水松散膨脹復(fù)合型軟巖巷道大變形破壞，保證了圍巖穩(wěn)定，消除了大面積冒頂、片幫的安全隱患，為巷道快速、安全施工創(chuàng)造了良好條件。

2) 松散膨脹復(fù)合型軟巖巷道在施工過程中，易頻繁發(fā)生片幫、漏頂現(xiàn)象，此時(shí)對(duì)掘進(jìn)工作面前方圍巖實(shí)施超前管棚支護(hù)，對(duì)圍巖能起到有效的支撐作用，形成統(tǒng)一有效的整體，為后續(xù)的掘進(jìn)施工提供了安全保證。

3) 應(yīng)用超前管棚+錨索網(wǎng)噴對(duì)松散膨脹復(fù)合型軟巖巷道進(jìn)行支護(hù)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和較強(qiáng)的實(shí)用性，并在沙吉海煤礦運(yùn)輸石門、回風(fēng)石門、內(nèi)外水倉掘進(jìn)過程中成功應(yīng)用，為沙吉海礦區(qū)類似圍巖地質(zhì)條件的工程支護(hù)提供了有益的借鑒和參考，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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