湖西礦井深部復(fù)雜高應(yīng)力巷道支護(hù)及工程實(shí)踐★

鄭鐵騎 薛華俊 曾奕杰 劉 康 孔 杰

(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.華能煤業(yè)集團(tuán)，北京 100000)

0 引言

改革開放以來，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，煤炭在我國(guó)能源消耗體系中占有的主導(dǎo)地位一直沒有發(fā)生改變，對(duì)煤炭資源的需求量也在不斷的增加，淺部煤炭資源已慢慢走向枯竭，許多礦井已經(jīng)著眼于深部開采。伴隨著開采深度的增加和煤炭賦存條件的復(fù)雜、多變，以及煤炭開采條件的不可選擇性，開采環(huán)境呈“三高一擾動(dòng)”趨勢(shì)，即高地應(yīng)力、高地溫、高滲透壓、強(qiáng)烈開采擾動(dòng)，多數(shù)礦井在生產(chǎn)和建設(shè)過程中都面臨著不同程度、不同數(shù)量的深部復(fù)雜高應(yīng)力巷道開掘和維護(hù)問題，這都導(dǎo)致深部復(fù)雜條件下的巷道支護(hù)和控制圍巖變形的難度越來越大，特別是對(duì)于那些服務(wù)年限較長(zhǎng)的準(zhǔn)備巷道和開拓巷道，需解決一系列深井巷道的施工、維護(hù)問題，比如巷道自穩(wěn)時(shí)間短、變形大、難維護(hù)、返修率高等。加之多數(shù)深埋巷道斷面較大，巷道變形破壞的影響因素復(fù)雜，在支護(hù)設(shè)計(jì)過程中，需認(rèn)真考慮多方影響因素的嚴(yán)重程度和作用機(jī)理。湖西礦深井巷道通過實(shí)驗(yàn)室FLAC3D數(shù)值模擬，對(duì)巷道支護(hù)方式進(jìn)行了分析和實(shí)踐，并在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中取得了很好的效果，為其他深埋巷道支護(hù)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)［1-6］。

1 工程概況

山東省岱莊生建煤礦湖西礦井地面位于昭陽湖區(qū)王莊附近，目前積水深度1.5 m左右，礦井周圍蘆葦叢生，局部為魚塘，地面無其他建筑(構(gòu))物。湖西礦一采區(qū)31102上順槽巷道，地面標(biāo)高+32.9 m 左右，巷道埋深 －750 m ～ －820 m，凈寬 4.5 m，凈高4.0 m。31102上順槽巷道井下位于膠帶大巷西北側(cè)，從31102回風(fēng)巷1號(hào)導(dǎo)線點(diǎn)前52 m開門，第一段以45°48'32″方位角施工930 m;遇到DF3斷層后，以315°48'32″方位角施工第二段，長(zhǎng)度約60 m;然后以45°48'32″方位角施工第三段，長(zhǎng)度約190 m。東南方向隔膠帶、軌道大巷保護(hù)煤柱為正在回采的31101工作面，其他側(cè)為未采區(qū)。巷道所處3上煤層屬于下二疊統(tǒng)山西組的煤層，最大厚度7.00 m，平均煤厚3.66 m。3上煤層直接頂以粉砂巖、泥巖為主，厚0.52 m～10.50 m;老頂中粒砂巖、細(xì)粒砂巖次之，厚3.70 m ～16.50 m，含少量泥巖、粉砂巖偽頂，厚 0.20 m ～0.50 m，為中等穩(wěn)定巖性頂板。直接底以粉砂巖為主，厚0.66 m～11.14 m，細(xì)粒砂巖、泥巖次之，厚0.75 m～24.00 m，含少量炭質(zhì)泥巖、粘土巖、泥巖偽底，厚0.10 m～0.50 m，為中等堅(jiān)固底板。

2 支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于湖西礦31102上順槽巷道埋深達(dá)－800 m，地壓現(xiàn)象明顯，隨著巷道的掘進(jìn)，原巖應(yīng)力重新分布，巷道圍巖內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，巷道周邊集中應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過巷道圍巖自身強(qiáng)度，如果不采取合理的支護(hù)方式，將導(dǎo)致巷道產(chǎn)生各種形式的破壞，稍有不慎，將造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，故分析湖西礦深部圍巖變形破壞規(guī)律，提出合理的支護(hù)方式，降低巷道圍巖變形量，采用優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，有效控制巷道圍巖變形量及底臌量非常重要［7，8］。

2.1 支護(hù)材料選擇

31102上順槽巷道支護(hù)要求選用具有高強(qiáng)度、高剛度的支護(hù)材料，阻止直接頂塑性變形與老頂離層，避免發(fā)生破壞。巷道支護(hù)采用20MnSi螺紋鋼+錨尾強(qiáng)化而制成的全螺紋等強(qiáng)錨桿，直徑22 mm，長(zhǎng)度2 200 mm，桿體屈服強(qiáng)度(141.5)不小于100 kN，桿體抗拉強(qiáng)度(215.8)不小于160 kN，桿體延伸率不小于15%。錨索直徑19.8 mm，屈服力為350 kN～463.9 kN，破斷力為480 kN～500 kN，延伸率不小于4.5%。金屬網(wǎng)采用菱形金屬網(wǎng)。錨桿(索)錨固采用樹脂藥卷，巷道頂部錨桿(索)錨固采用K2350型錨固劑，幫部錨固采用K2850型錨固劑。錨桿(索)金屬托盤采用屈服強(qiáng)度大于235 MPa的鋼材或球墨鑄鐵制作，W鋼帶托盤采用Q235A以上的鋼材制作。托盤φ≥110 mm，厚度不小于8 mm，球形托盤規(guī)格尺寸不小于φ100 mm。W鋼帶托盤外形尺寸與W鋼帶內(nèi)尺寸相吻合，長(zhǎng)度不小于120 mm，托盤孔直徑應(yīng)比錨桿桿體直徑大1 mm～2 mm。托盤三點(diǎn)支撐抗壓強(qiáng)度不得低于錨桿設(shè)計(jì)錨固力。選用球墨鑄鐵等脆性材料作托盤時(shí)，其極限載荷應(yīng)為桿體載荷1.5倍以上，并且錨索托盤強(qiáng)度要與錨索強(qiáng)度相匹配。頂板聯(lián)合支護(hù)必需應(yīng)用W鋼帶，寬度280 mm，厚度4 mm～6 mm，長(zhǎng)度及孔位必需與錨桿間距相適應(yīng)，并在兩端留100 mm～150 mm的長(zhǎng)度。

2.2 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

31102上順槽巷道凈寬4.5 m，凈高4.0 m，采用高強(qiáng)錨網(wǎng)索耦合支護(hù)技術(shù)，設(shè)計(jì)兩種方案，如圖1，圖2所示。

圖1 方案1支護(hù)方式圖（單位：m）

圖2 方案2支護(hù)方式圖（單位：m）

支護(hù)方案1:頂板錨桿間排距為800 mm×1 000 mm，兩幫錨桿間排距為800 mm×1 000 mm。頂板6根錨桿，兩邊錨桿距頂角250 mm;幫錨桿5根，最上部錨桿距頂板300 mm，最下部錨桿距底板500 mm。角錨桿與鉛垂方向的夾角應(yīng)小于10°，并應(yīng)用W鋼帶增強(qiáng)頂板支護(hù)的整體性。錨索間排距為1 500 mm×2 000 mm，長(zhǎng)度為4.5 m～12 m，錨入穩(wěn)定巖層中的長(zhǎng)度不小于1.5 m，錨索呈五花形沿巷中分布。巷道全斷面掛菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)與網(wǎng)壓槎100 mm，每200 mm用10號(hào)鐵絲聯(lián)接一處。也可以在靠工作面一側(cè)的巷道壁掛菱形柔性網(wǎng)，以便于采煤機(jī)截割回采。錨固采用樹脂藥卷錨固，錨桿及錨索錨固劑型號(hào)頂部為K2350型，幫部為K2850型，錨桿錨固長(zhǎng)度為500×2 mm，錨索錨固長(zhǎng)度為500×3 mm。

支護(hù)方案2:頂板錨桿間排距為800 mm×1 000 mm，兩幫錨桿間排距為800 mm×1 000 mm。錨索中間打1根，排距2 000 mm，長(zhǎng)度為4.5 m～12 m，錨入穩(wěn)定巖層中的長(zhǎng)度不小于1.5 m。巷道全斷面掛菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)與網(wǎng)壓槎100 mm，每200 mm用10號(hào)鐵絲聯(lián)接一處。也可以在靠工作面一側(cè)的巷道壁掛菱形柔性網(wǎng)，以便于采煤機(jī)截割回采。錨固采用樹脂藥卷錨固，錨桿及錨索錨固劑型號(hào)頂部為K2350型，幫部為K2850型，錨桿錨固長(zhǎng)度為500×2 mm，錨索錨固長(zhǎng)度為500×3 mm;也可采用一快兩中錨固劑。

2.3 支護(hù)方案選取

通過對(duì)上述兩種支護(hù)方案進(jìn)行FLAC3D數(shù)值模擬，兩種支護(hù)方案的巷道頂?shù)装遄冃稳鐖D3，圖4所示。

圖3 支護(hù)方案1

圖4 支護(hù)方案2

經(jīng)模擬分析，選用支護(hù)方案1的巷道變形要小于選用支護(hù)方案2產(chǎn)生的巷道變形，故應(yīng)該優(yōu)先選取支護(hù)方案1，即:

1)巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，支護(hù)為錨網(wǎng)索配合鋼帶、鋼筋梯子聯(lián)合支護(hù)形式。2)頂板錨桿間排距為800 mm×1 000 mm，兩幫錨桿間排距為800 mm×1 000 mm。3)錨索間排距為1 500 mm×2 000 mm，長(zhǎng)度為4.5 m～12 m，錨入穩(wěn)定巖層中的長(zhǎng)度不小于1.5 m，錨索呈五花形沿巷中分布。4)全斷面掛菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)與網(wǎng)壓槎100 mm，每200 mm用10號(hào)鐵絲聯(lián)接一處。5)錨固采用樹脂藥卷錨固，錨桿及錨索錨固劑型號(hào)頂部為K2350型，幫部為K2850型，錨桿錨固長(zhǎng)度為500×2 mm，錨索錨固長(zhǎng)度為500×3 mm。

2.4 施工工藝

1)錨索安裝。巷道開挖過程本質(zhì)上屬于卸荷過程，此時(shí)會(huì)引起偏應(yīng)力集中，為了避免頂板大變形離層斷裂，錨桿應(yīng)在迎頭及時(shí)支護(hù)阻止大變形，錨索適當(dāng)變形后安裝，具體時(shí)間依據(jù)蠕變實(shí)驗(yàn)起始階段的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系和卸荷本構(gòu)關(guān)系分析，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍壓、變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確定支護(hù)時(shí)間及變形量。經(jīng)計(jì)算，錨索滯后錨桿支護(hù)的時(shí)間為2 d～4 d，具體應(yīng)結(jié)合施工動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)變形量確定。

2)打錨桿眼。打眼前，首先按照中、腰線嚴(yán)格檢查巷道斷面規(guī)格，不符合作業(yè)規(guī)程要求時(shí)必須先進(jìn)行處理;打眼前要先敲幫問頂，仔細(xì)檢查頂幫圍巖情況，找掉活矸、危巖，確認(rèn)安全后方可開始工作，錨桿眼的位置要準(zhǔn)確，打眼前嚴(yán)格按中線標(biāo)好眼位，眼位誤差不得超過100 mm，與巷道輪廓線或巖層面夾角不小于75°。錨桿眼深度應(yīng)與錨桿長(zhǎng)度相匹配，打眼時(shí)應(yīng)在釬子上做好標(biāo)志，嚴(yán)格按錨桿長(zhǎng)度打眼，眼深1.9 m。打眼時(shí)，必須在臨時(shí)支護(hù)后進(jìn)行。打眼應(yīng)由外向里，先頂后幫的順序依次進(jìn)行。

3)安裝錨桿。安裝前，應(yīng)將眼孔內(nèi)的積水、巖粉用壓風(fēng)吹掃干凈。吹掃時(shí)，操作人員應(yīng)站在孔口一側(cè)，眼孔方向不得有人，把2塊樹脂錨固劑送入眼底，把錨桿插入錨桿眼內(nèi)，使錨桿頂住樹脂錨固劑，外端頭套上螺帽，用帶有專用套筒的風(fēng)動(dòng)攪拌器卡住螺帽，開動(dòng)風(fēng)動(dòng)攪拌器，使風(fēng)動(dòng)攪拌器帶動(dòng)桿體旋轉(zhuǎn)將錨桿旋入樹脂錨固劑內(nèi)，對(duì)錨固劑進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間為40 s，然后掛網(wǎng)，上盤、螺帽，預(yù)緊力矩不小于400 N·m。

2.5 安全措施

1)錨桿錨固力檢測(cè)。每班對(duì)所打錨桿抽樣進(jìn)行錨固力檢查，試驗(yàn)后，應(yīng)及時(shí)重新擰緊螺母;如果錨桿失效應(yīng)及時(shí)重新補(bǔ)打。a.檢測(cè)前首先檢查拉力計(jì)及其附件是否完整、合格，確認(rèn)安全無誤后方可使用。b.檢測(cè)前先敲幫問頂，確定頂板安全時(shí)方可進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)人員撤至拉力器以外約2 m進(jìn)行操作，并避開錨桿拉出方向，為防止意外事故的發(fā)生，所拉錨桿正前方及下方嚴(yán)禁站人。c.開始加壓進(jìn)行錨固力檢測(cè)，并注意觀察壓力表讀數(shù)，采用分級(jí)方式進(jìn)行檢測(cè)，依次為 0 kN，30 kN，60 kN，90 kN，130 kN，達(dá)到設(shè)計(jì)錨固力或油缸行程結(jié)束時(shí)，打開卸荷閥進(jìn)行卸荷。

2)全螺紋鋼等強(qiáng)錨桿扭矩檢測(cè)。對(duì)當(dāng)班新打錨桿噴漿之前必須進(jìn)行扭矩檢測(cè)，每個(gè)螺母擰緊力矩應(yīng)不小于400 N·m，對(duì)預(yù)緊力達(dá)不到要求的螺母應(yīng)重新擰緊一遍。

3 礦壓監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析

3.1 礦壓監(jiān)測(cè)內(nèi)容

監(jiān)測(cè)內(nèi)容的選擇必須充分考慮到巷道圍巖的運(yùn)動(dòng)狀況，從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)直接判斷圍巖是否穩(wěn)定;由錨桿的工作狀態(tài)判斷錨桿支護(hù)參數(shù)是否合理;便于觀測(cè)，易于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)取。

1)與巷道兩幫圍巖穩(wěn)定有關(guān)的監(jiān)測(cè)指標(biāo):巷道表面收斂、圍巖深部位移、錨桿受力。2)與巷道頂板穩(wěn)定有關(guān)的監(jiān)控內(nèi)容:頂板下沉量、錨固區(qū)內(nèi)外的離層值、圍巖深部位移，錨桿受力及其分布狀況。

礦壓監(jiān)測(cè)內(nèi)容如表1所示。

表1 巷道綜合監(jiān)測(cè)內(nèi)容

本次礦壓觀測(cè)安裝表面位移觀測(cè)點(diǎn)兩處、頂板離層觀測(cè)點(diǎn)兩處、端錨錨桿(錨索)工作荷載觀測(cè)點(diǎn)三處、測(cè)力錨桿觀測(cè)點(diǎn)兩處和再生圍壓觀測(cè)點(diǎn)兩處。

3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及分析

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)兩個(gè)測(cè)站的礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)分析比較，這里選取最能直接體現(xiàn)支護(hù)效果的巷道表面位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖5為巷道表面位移變化曲線示意圖。

通過圖5可以看出，巷道頂板下沉量小于0.3 m，巷道底板底臌量不大于0.15 m，巷道兩幫移近量不超過0.24 m，說明支護(hù)方案1能有效控制31102上順槽巷道圍巖變形。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

湖西煤礦31102上順槽巷道通過采用優(yōu)化的支護(hù)方案，在巷道掘進(jìn)過程中，所有工作都正常開展，巷道圍巖變形小，未發(fā)生過任何安全事故，實(shí)現(xiàn)了巷道安全高效快速掘進(jìn)，并在工作面回采過程中，二次支護(hù)現(xiàn)象減少，為湖西煤礦創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益［9］。

圖5 巷道表面位移變化曲線

5 結(jié)語

1)通過FLAC3D數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，湖西煤礦31102上順槽巷道雖處于深部復(fù)雜高應(yīng)力環(huán)境中，但通過采用優(yōu)化的支護(hù)方案1，巷道圍巖變形量都比較小，大大減小了巷道二次支護(hù)的成本和時(shí)間。

2)隨著煤炭資源開采深度的不斷增加，煤炭開采環(huán)境也隨之不斷惡化，給煤礦巷道支護(hù)及穩(wěn)定性帶來了很大的難度。因此，研究深部復(fù)雜高應(yīng)力條件下的巷道支護(hù)方式是保證礦井采掘深部煤炭資源的關(guān)鍵，湖西煤礦31102上順槽巷道通過采用優(yōu)化的巷道支護(hù)方案，產(chǎn)生了明顯經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)其他同類大斷面深部復(fù)雜高應(yīng)力條件下的巷道施工具有很好的借鑒意義。

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