軟巖巷道采用錨網(wǎng)噴與O型拱聯(lián)合支護(hù)分析

孫 巖

(山西汾西正令煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 孝義 032300)

·試驗(yàn)研究·

軟巖巷道采用錨網(wǎng)噴與O型拱聯(lián)合支護(hù)分析

孫 巖

(山西汾西正令煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 孝義 032300)

正令煤業(yè)大巷為深部軟巖巷道，圍巖松散破碎。在分析了軟巖巷道失修的原因，并根據(jù)軟巖巖層的特殊性，對(duì)軟巖巷道采用一般支護(hù)比較困難的情況下，進(jìn)行錨網(wǎng)索噴與O型拱聯(lián)合支護(hù)的可行性研究，從而找到適于軟巖巷道支護(hù)的方式，解決了軟巖巷道支護(hù)困難的難題。試驗(yàn)表明，該技術(shù)支護(hù)效果良好，并取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

軟巖巷道;聯(lián)合支護(hù);分析

山西汾西正令煤業(yè)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，為典型的“三軟”煤巖層，軟巖分布范圍較廣，地應(yīng)力大。礦井由于受構(gòu)造應(yīng)力、工程擾動(dòng)力、膨脹應(yīng)力以及煤層埋藏深(約700 m)等的影響，圍巖應(yīng)力成倍急劇增長(zhǎng)，巷道變形非常大，采用一般的支護(hù)方式很難達(dá)到支護(hù)強(qiáng)度，尤其是井下主要硐室，擔(dān)負(fù)礦井的供電、排水等，其服務(wù)年限長(zhǎng)。巷道反復(fù)維修，嚴(yán)重威脅礦井系統(tǒng)安全。為了徹底解決這一難題，該礦參照國(guó)內(nèi)外軟巖支護(hù)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)多次考察、論證，根據(jù)正令煤業(yè)實(shí)際情況，提出了錨網(wǎng)索噴+O型拱聯(lián)合支護(hù)新工藝。

1 礦井地質(zhì)條件

1.1 開采技術(shù)條件

正令煤業(yè)批準(zhǔn)開采1#～11#煤層，可采煤層為2#、9#、10#+11#煤層，其余均不可采。現(xiàn)開采的 2#煤層屬于自燃煤層，具有爆炸性，傾角3°～16°，煤層厚度為1.10～2.22 m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定全區(qū)可采。中央變電所布置在2#煤層中，埋深650 m，頂、底板均為砂質(zhì)泥巖，少量粉砂巖，f=3～6，巖性軟，膠結(jié)性差，節(jié)理、層理較發(fā)育，易風(fēng)化，圍巖比較破碎，自承能力較差，對(duì)水的作用很敏感，由此可知，該巷道圍巖屬于高應(yīng)力、膨脹性、節(jié)理化軟巖，具有極其復(fù)雜的變形破壞機(jī)理。

1.2 巷道破壞原因及其機(jī)理

引起巷道變形的力學(xué)機(jī)理較為復(fù)雜，影響因素較多，不僅與巖石本身的物理力學(xué)性質(zhì)、礦物成分等有關(guān)，而且與巷道的力學(xué)環(huán)境及支護(hù)方式有關(guān)［2］。根據(jù)巷道變形、破壞情況，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和理論分析，總結(jié)出影響該巷道穩(wěn)定、造成巷道破壞的主要因素為:

1)圍巖應(yīng)力狀態(tài)改變。由于圍巖應(yīng)力狀態(tài)的改變，導(dǎo)致了圍巖彈性體積應(yīng)變的變化和圍巖的蠕變。同時(shí)，在低圍壓環(huán)境下，軟巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)面擴(kuò)展和張開，改變了圍巖中的水文地質(zhì)條件，水沿張開裂隙滲流，又進(jìn)一步降低了巖體強(qiáng)度，加劇了軟巖的擴(kuò)容和應(yīng)變軟化，從而使圍巖產(chǎn)生較大的收斂位移。如:頂板下沉、底臌、拱頂起尖和兩幫臌出，以及頂、底板移近臌出。變形的進(jìn)一步發(fā)展導(dǎo)致巷道失穩(wěn)破壞，如巷幫張裂和片幫、拱頂剪裂、底臌和冒頂?shù)?，破壞最?yán)重的部位多在拱頂和拱墻交界處。

2)埋深大、重力場(chǎng)應(yīng)力特別大。主井落底埋深約為683 m，采煤工作面埋深在680～840 m，屬深部開采，重力場(chǎng)應(yīng)力特別大。巷道頂板巖層不僅受到自重的作用，還受到水平應(yīng)力的作用，部分巷道呈尖頂狀擠壓破壞，說(shuō)明巷道受水平應(yīng)力大。

3)圍巖巖性及動(dòng)壓影響。大多巷道布置在煤層中，或穿煤層布置，頂?shù)装鍍蓭途鶠槊簩樱?#煤層頂?shù)装鍨樯百|(zhì)泥巖、泥巖，局部為中砂巖及細(xì)砂巖，圍巖的力學(xué)性質(zhì)、工程特性較差，巖體強(qiáng)度低。采煤工作面與大巷距離近，造成了同一區(qū)段重疊布置的采煤工作面的采動(dòng)壓力疊加，形成了很大的集中支承壓力。

4)多次返修，使巷道愈修愈壞。一般巷道經(jīng)一次返修后壓力得以釋放，因而修復(fù)后的巷道一般較易維護(hù)。而軟巖或極軟巖巷道治理中，常出現(xiàn)每次修復(fù)后支護(hù)受力與變形有所減小，但隨著時(shí)間推移變形壓力又迅速增大。主要是由于軟巖或極軟巖巷道，一般都處于厚層甚至巨厚軟弱巖體內(nèi)，在很大范圍內(nèi)不存在穩(wěn)定結(jié)構(gòu)來(lái)承擔(dān)外層壓力，因而即使多次返修也難以使圍巖結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)過(guò)較短時(shí)間后，巨大地應(yīng)力就又會(huì)通過(guò)軟弱的外層集中作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上，使支護(hù)再次遭到破壞。

5)原有支護(hù)體系施工質(zhì)量差，圍巖支護(hù)體系不耦合。根據(jù)井下巷道圍巖變形破壞的現(xiàn)狀，錨桿錨索松脫，預(yù)緊力弱，錨桿索長(zhǎng)度不夠等，施工質(zhì)量不合格。巷道變形破壞的主要原因是由于支護(hù)體力學(xué)特性與圍巖力學(xué)特性的不耦合造成的。只有當(dāng)錨桿變形與圍巖變形相協(xié)調(diào)時(shí)，才能有效地控制圍巖的變形。

6)關(guān)鍵部位缺乏加強(qiáng)支護(hù)。巷道兩幫為應(yīng)力集中部位，提高兩幫支護(hù)強(qiáng)度和煤體殘余強(qiáng)度，可控制兩幫破壞區(qū)、塑性區(qū)進(jìn)一步發(fā)展。加固幫、角，減少由于兩幫破裂圍巖壓縮下沉所造成的底臌、體積膨脹量、頂板的破裂和離層，從而減少巷道底臌和頂板下沉量。

7)底板缺乏有效約束。從調(diào)研來(lái)看，底臌是巷道大變形的特征之一，巷道底板成為圍巖變形破壞的薄弱環(huán)節(jié)，隨著底板的破壞，底臌量不斷增加，底板圍巖的承載能力降低，在水平應(yīng)力的作用下，巷道兩幫，尤其是兩幫下部圍巖容易出現(xiàn)失穩(wěn)和嚴(yán)重變形。

1.3 采用傳統(tǒng)支護(hù)方式情況

正令煤業(yè)井下硐室采用的支護(hù)形式主要是錨網(wǎng)索噴支護(hù)，由于圍巖松軟、破碎、開采深度較大等影響，巷道經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后都有較大程度的變形，巷道兩幫收斂達(dá)300～400 mm，頂板下沉量達(dá)150 mm，底鼓量達(dá)800 mm，導(dǎo)致水泵基礎(chǔ)傾斜、開裂，水泵、高開、移變等設(shè)備已無(wú)檢修安全空間，維修周期為2～3個(gè)月，巷道經(jīng)反復(fù)維修方能滿足服務(wù)年限，但多次返修、維護(hù)造成耗資巨大、工程安全性差，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大等后果。傳統(tǒng)的支護(hù)形式已無(wú)法解決軟巖巷道的加固問題，探索有效的支護(hù)方式，控制巷道圍巖變形問題更為突出，該礦參照國(guó)內(nèi)外軟巖支護(hù)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)多次考察、論證，根據(jù)正令煤業(yè)實(shí)際情況，提出了錨網(wǎng)索噴注聯(lián)合支護(hù)新工藝。

2 采用新工藝支護(hù)

2.1 O型支護(hù)理論依據(jù)

2.1.1 能夠抑制軟弱巖體的碎脹變形

由于O型支護(hù)整體性好和具有較高的支護(hù)阻力，抑制了軟弱巖體的碎脹變形，而其良好的可縮性又避免了如剛性支架那樣由于圍巖變形所導(dǎo)致的支架內(nèi)應(yīng)力急劇升高和支架破壞，圓形斷面控制了底臌。

2.1.2 能夠提高軟弱破碎圍巖的承載能力

在巷道斷面收縮變形過(guò)程中，圍巖沿周邊方向的壓縮而形成承載殼，由于圓形支護(hù)剛度高和支護(hù)阻力恒定，使得承載殼保持穩(wěn)定，并且隨著變形過(guò)程的進(jìn)行承載殼內(nèi)的巖體不斷壓密和承載殼不斷擴(kuò)大，圍巖的承載能力越來(lái)越高，其表現(xiàn)為巷道收斂速度很快下降，巷道變形趨于穩(wěn)定，從而提高軟弱破碎圍巖的承載能力。

2.1.3 提高圍巖殘余強(qiáng)度

O型支護(hù)提高支護(hù)阻力，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)。使圍巖由雙向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)為三向應(yīng)力狀態(tài)，從而提高圍巖的殘余強(qiáng)度。

2.2 支護(hù)方案的實(shí)施

2.2.1 巷道斷面參數(shù)

根據(jù)巷道用途，圍巖特征及服務(wù)年限，綜合考慮通風(fēng)、行人、運(yùn)輸、設(shè)備安裝要求，本著安全、經(jīng)濟(jì)合理的原則，設(shè)計(jì)巷道斷面形狀為圓形，掘斷面24.6 m2，凈斷面19.6 m2。巷道斷面圖見圖1。

2.2.2 支護(hù)參數(shù)

1)錨網(wǎng)索噴支護(hù)參數(shù)。

巷道支護(hù)采用d20 mm×2 400 mm螺紋鋼錨桿，d17.8 mm×6 000 mm鋼絞線錨索，錨桿間排距為800 mm×800 mm，錨索間排距為1 600 mm×2 400 mm，錨桿、錨索呈放射狀矩形布置于巷道頂幫。頂幫均鋪設(shè)d6 mm×2 000 mm×1 000 mm的鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)緊貼巖面布置在鐵托盤內(nèi)側(cè)，網(wǎng)格100 mm×100 mm，每根錨桿、錨索配套1支MSK2355型樹脂藥卷和1支MSCK2355型樹脂藥卷(快速藥卷在外部，超快速藥卷在內(nèi)部)，全斷面噴射混凝土，噴漿厚度100 mm。

2)O型拱支護(hù)參數(shù)。

根據(jù)巷道用途，斷面大小，確定O型架的規(guī)格、尺寸并預(yù)先加工。O型棚采用36號(hào)U型鋼制作，每架由6節(jié)組成，其中底梁長(zhǎng)度為4 475 mm，其余5節(jié)梁長(zhǎng)均為2 950 mm。每節(jié)之間搭接長(zhǎng)度500 mm，每個(gè)搭接處設(shè)4道卡纜，每節(jié)設(shè)1道拉桿，棚距為800 mm。

2.2.3 O 型拱支護(hù)工藝

1)工作平臺(tái)搭設(shè):工作臺(tái)的底托架采用直徑20 mm的圓木搭設(shè)，圓木上鋪設(shè)厚高不小于50mm的木板，木板采用8#鐵線十字交叉綁扎牢固。要求工作臺(tái)搭設(shè)穩(wěn)固，人員作業(yè)時(shí)，嚴(yán)禁出現(xiàn)晃動(dòng)，確保作業(yè)人員安全。

2)先由外向里逐米將已破壞的原支護(hù)挑落、擴(kuò)幫，然后掛網(wǎng)、打錨桿、錨索，接著拉底打底錨桿。錨桿間、排距為800 mm×800 mm，錨索間、排距為1 600 mm×800 mm，錨桿、錨索排距為400 mm，打好錨桿、錨索后及時(shí)噴漿并養(yǎng)護(hù)。砼噴射厚度150 mm、強(qiáng)度為C20。

3)架設(shè)O型棚的方法:施工時(shí)先下3根底梁，并上好拉桿，在工作臺(tái)上2～3人抱住腰梁與底梁合嚴(yán)，使用卡子鎖緊棚梁，并上好拉桿;然后2～3人扛起頂梁與腰梁合嚴(yán)，使用卡子鎖緊頂梁與腰梁，上好拉桿后進(jìn)行調(diào)棚，調(diào)棚完畢后，將棚梁的所有拉桿螺母緊固。

4)根據(jù)巷道實(shí)際情況，棚距確定800 mm，先將2層鋼筋網(wǎng)錯(cuò)格搭接在O型拱上，用構(gòu)木密背在鋼筋網(wǎng)上，再用棚板、道木打#字垛配合楔子與頂板、兩幫接嚴(yán)實(shí)、打緊，所有工序完成后噴漿50 mm封閉。O型支護(hù)后，集中拉底200 mm厚，采用混凝土澆注底板。

2.3 支護(hù)效果淺析

2.3.1 支護(hù)效果

中央變電所于2011年9月開始工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)段巷道長(zhǎng)60 m，為了檢測(cè)巷道支護(hù)效果，共布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)巷道兩幫移近情況進(jìn)行觀測(cè)，采用皮尺進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)安排技術(shù)人員每10 d對(duì)該段巷道觀測(cè)一次，并收集觀測(cè)數(shù)據(jù)形成資料，移近量觀測(cè)記錄見圖2，圖3。

從圖2可見，在使用錨網(wǎng)索噴支護(hù)的巷道經(jīng)過(guò)10 d的平穩(wěn)期后，巷道頂?shù)装寮皟蓭烷_始變化，3個(gè)月后，巷道變形量開始加大，隨著時(shí)間的推移，巷道變形逐漸擴(kuò)大，說(shuō)明錨網(wǎng)索支護(hù)的巷道無(wú)法有效控制軟巖巷道變形。在使用了錨網(wǎng)噴+O型拱聯(lián)合支護(hù)后(見圖3)，前10 d內(nèi)巷道頂?shù)装寮皟蓭洼p微變化，第20 d后巷道基本沒有變化，說(shuō)明該支護(hù)方式對(duì)控制軟巖巷道變形有良好的效果，第30 d后，頂?shù)装鍥]有變化，兩幫變形得到控制，充分說(shuō)明O型支護(hù)對(duì)控制軟巖巷道變形有良好的效果，提出的錨網(wǎng)索噴+O型拱聯(lián)合支護(hù)方案已取得成功。

在試驗(yàn)取得階段性成果的同時(shí)，由于O型拱支護(hù)成本高，掘進(jìn)速度慢(每月20 m)，不適合于大巷和順槽，主要硐室可采用此工藝。

2.3.2 經(jīng)濟(jì)效益比較

采用一般的錨網(wǎng)索噴和梯形金屬棚支護(hù)，頂?shù)装宀灰卓刂?，?duì)圍巖無(wú)法進(jìn)行全封閉，容易造成圍巖風(fēng)化，導(dǎo)致頂板下沉、兩幫收縮、底鼓，維修周期為2～3個(gè)月，每米維修費(fèi)用13 200元，巷道修復(fù)長(zhǎng)度為60 m，維修金額為79.2萬(wàn)元，每年需維修4次，平均每年對(duì)該巷道的維修費(fèi)用為316.8萬(wàn)元。采用錨網(wǎng)索與O型拱聯(lián)合支護(hù)，經(jīng)過(guò)半年多的觀測(cè)與數(shù)據(jù)分析，巷道沒有發(fā)生變化，預(yù)計(jì)最少能夠使用5年，每米維修費(fèi)用為3.24萬(wàn)元，維修金額為194.4萬(wàn)元，該修復(fù)周期按5年計(jì)算，平均每年花費(fèi)的維修資金38.88萬(wàn)元，與原支護(hù)相比，平均每年節(jié)約維修資金277.92萬(wàn)元。

3 結(jié)論

1)對(duì)于巷道周圍均受較大壓力的軟巖巷道，采用錨網(wǎng)索噴與O型拱聯(lián)合的“先柔后剛”支護(hù)體系比較合理。

2)可以減少巷道維護(hù)工作量和重新架棚次數(shù)，O型拱屬于全封閉式支架，損壞率極低，這也相對(duì)減少了支護(hù)材料的投入和工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3)提高了支護(hù)的可靠性，有利于礦井的安全生產(chǎn)。采用O型拱支架支護(hù)，由于其良好的支護(hù)效果，大大提高了安全可靠性，創(chuàng)造了良好的生產(chǎn)環(huán)境，減少了通風(fēng)管理的難度，保證了有效的通風(fēng)斷面。

4)施工時(shí)必須將壁后充填嚴(yán)實(shí)，確保巷道受力均勻，起到拱的支撐作用。

5)軟巖巷道的圍巖容易被風(fēng)化，要求開挖成型后及時(shí)初噴封閉圍巖。

6)軟巖巷道具有較大的可塑性，應(yīng)建立兩次支護(hù)概念，初始支護(hù)應(yīng)采用“柔”性支護(hù)結(jié)構(gòu)，待釋放一定的圍巖應(yīng)力后，方可采用“剛”性支護(hù)。

7)進(jìn)行剛性支護(hù)的時(shí)間應(yīng)通過(guò)圍巖位移速度和位移量的觀測(cè)合理確定，剛性支護(hù)時(shí)間過(guò)早，圍巖應(yīng)力未得到釋放，支護(hù)容易被破壞;剛性支護(hù)時(shí)間過(guò)晚，圍巖塑性變形量過(guò)大，支護(hù)困難，可能造成二次擴(kuò)面重新支護(hù)，不能保證較好的支護(hù)效果。

［1］ 陸士良，湯雷.巷道錨注支護(hù)機(jī)理的研究［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996(2):39－40.

［2］ 侯朝炯.軟巖巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化與工程實(shí)踐［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19(5):647–650.

［3］ 陳炎光，陸士良，侯朝炯，等.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，1994:151－153.

Feasibility Analysis on Using Combined Support of Bolt－Mesh－Anchor－Shotcreting and O Type Arch in Soft Rock Roadways

Sun Yan

The main roadway of Zhengling coal mine is deep soft rock roadways，surrounding rock is broken and loose.In the circumstances，analyzes the disrepair reason of soft rock roadways，and according to the particularity of soft rock strata，in soft rock tunnel excavation using general support is difficult，carries out feasibility study of Bolt－Mesh－Anchor－Shotcreting and O type arch combined support，so as to find the way of suitable for soft rock roadway support，solved the problem of difficult support of soft rock roadway.Test shows that this technique has good supporting effect，and obtains considerable economic benefits.

Soft rock roadways;Combined support;Analysis

TD353

A

1672－0652(2012)08－0032－04

2012－06－15

孫巖(1971—)男，內(nèi)蒙古赤峰人，1994年畢業(yè)于山西礦業(yè)學(xué)院，工程師，主要從事煤礦技術(shù)管理工作(E －mail)hyzfmkj@sina.com