梁北煤礦東翼軌道大巷高強(qiáng)穩(wěn)定型幫底互控技術(shù)

【摘 要】梁北煤礦-550東翼軌道大巷經(jīng)過多次擴(kuò)幫、落底，巷道淺部圍巖較為松散、破碎，同時(shí)在巷道北部存在落差較大的斷層，而且該區(qū)域巷道相當(dāng)集中，造成東翼軌道大巷應(yīng)力集中程度較高，巷道變形極為強(qiáng)烈。根據(jù)東翼軌道大巷底臌嚴(yán)重和兩幫強(qiáng)烈內(nèi)移的變形破壞特征，采用結(jié)構(gòu)補(bǔ)償，幫底互控技術(shù)，提高支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定型和承載能力，從而有效地控制巷道圍巖的強(qiáng)烈變形。

【關(guān)鍵詞】應(yīng)力集中；軟巖巷道；幫底互控；高強(qiáng)穩(wěn)定

在煤礦深井開采中，支護(hù)承載結(jié)構(gòu)失穩(wěn)成為導(dǎo)致巷道失穩(wěn)破壞的主要原因，尤其是在高應(yīng)力軟巖巷道中，單純加大支護(hù)強(qiáng)度，并不能從根本上解決高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)難題，如何提高支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性才是控制巷道圍巖變形的關(guān)鍵。梁北煤礦-550m東翼軌道大巷北部存在落差較大的斷層，而且該區(qū)域巷道相當(dāng)集中，造成東翼軌道大巷應(yīng)力集中程度較高，巷道變形極為強(qiáng)烈。為此，針對(duì)此類巷道進(jìn)行了高強(qiáng)穩(wěn)定型幫底互控技術(shù)研究。

1、工程地質(zhì)概況

梁北煤礦東翼軌道大巷水平為該礦井的主要開采水平，該水平標(biāo)高-546m，埋深700m左右，根據(jù)井田的開拓整體規(guī)劃，東翼軌道大巷擔(dān)負(fù)著11采區(qū)和21采區(qū)的進(jìn)風(fēng)、行人、輔助運(yùn)輸?shù)闹饕蝿?wù)，見圖1。

從現(xiàn)場(chǎng)巷道變形情況來(lái)看，巷道底臌量較大、巷道兩幫內(nèi)移量也較大，底臌量大的區(qū)域與兩幫內(nèi)移量大的區(qū)域相對(duì)應(yīng)。目前東翼軌道大巷底板已經(jīng)落底三次，兩幫也已治理兩次。由于巷道多次治理，造成巷道淺部圍巖較為松散、破碎，同時(shí)在巷道北部存在落差較大的斷層，而且該區(qū)域巷道相當(dāng)集中，造成東翼軌道大巷應(yīng)力集中程度較高，軌道大巷變形極為強(qiáng)烈。

根據(jù)東翼軌道大巷綜合柱狀圖和掘進(jìn)過程中揭露的巖層情況，東翼軌道大巷所處層位主要為L(zhǎng)9灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖、泥巖，局部有一18煤線和一19煤線夾層，其中相同巖層各處厚度不一，并且豎向節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，整體性較差。根據(jù)巷道掘進(jìn)過程中揭露的巖層和巷道破壞情況，由于泥巖巖體整體強(qiáng)度較低，因此泥巖層是引起巷道失穩(wěn)破壞的主要巖層。

2、東翼軌道大巷失穩(wěn)破壞特征及破壞原因分析

根據(jù)東翼軌道大巷現(xiàn)有支護(hù)狀況及破壞特征，造成軌道大巷失穩(wěn)破壞的原因是多方面的，其主要破壞原因如下：

1）巷道圍巖巖性差，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈

如圖1所示，東翼軌道大巷北側(cè)存在落差較大的斷層，該區(qū)域內(nèi)巖層受到斷層切割的影響，巷道圍巖節(jié)理極為發(fā)育，巖體極為松散破碎，圍巖強(qiáng)度偏低，巷道拱部巖性為相對(duì)較硬的中粒砂巖，巷道兩幫及底板則為松軟的砂質(zhì)泥巖和-15煤，在高地應(yīng)力的作用下，巷道最先破壞的部位為強(qiáng)度相對(duì)更低的巷道兩幫和底板，這成為巷道失穩(wěn)破壞的突破口。

2）底板未采取支護(hù)措施

東翼軌道大巷最大底臌量達(dá)到300mm，平均底臌量為200mm左右，巷道不得不屢次進(jìn)行臥底。由于巷道底板未采取控底措施，底板往往首先成為巷道失穩(wěn)破壞的突破口，而且往往由于底臌量較大，不得不進(jìn)行臥底。一方面由于臥底過程中人為地對(duì)底板巖層進(jìn)行擾動(dòng)，使得巷道圍巖松動(dòng)圈發(fā)育范圍進(jìn)一步擴(kuò)大；另一方面，巷道反復(fù)臥底進(jìn)一步降低了巷道支護(hù)承載結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，促使巷道兩幫內(nèi)移，導(dǎo)致支護(hù)承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)一步降低。

3）錨網(wǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差

錨網(wǎng)支護(hù)的實(shí)質(zhì)是在巷道淺部圍巖形成具有一定承載能力的承載結(jié)構(gòu)，從而控制巷道圍巖的變形。針對(duì)直墻半圓拱形巷道而言，錨網(wǎng)支護(hù)在巷道拱部形成組合拱結(jié)構(gòu)、在兩幫組合形成梁結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有的理論分析結(jié)果表明，在結(jié)構(gòu)承載能力方面拱結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)高于梁結(jié)構(gòu)，同時(shí)兩幫的梁結(jié)構(gòu)又成為頂部拱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，一旦兩幫梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，頂部拱結(jié)構(gòu)的承載能力隨之急劇降低。因此從提高整個(gè)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，應(yīng)加強(qiáng)巷道兩幫的支護(hù)。

根據(jù)上述對(duì)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分析，支護(hù)時(shí)首先需要加強(qiáng)的部分是巷道的底腳，將實(shí)際可動(dòng)鉸支座轉(zhuǎn)化為近似固定鉸支座，提高巷道支護(hù)承載結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性；其次應(yīng)加強(qiáng)兩幫梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，不僅能夠顯著提高兩幫梁結(jié)構(gòu)的承載能力，同時(shí)能夠減小巷道兩幫內(nèi)移對(duì)底板的擠壓作用。

3、東翼軌道大巷高強(qiáng)穩(wěn)定型幫底互控技術(shù)

3.1 東翼軌道大巷高強(qiáng)穩(wěn)定型支護(hù)技術(shù)核心

根據(jù)東翼軌道大巷的地質(zhì)條件和失穩(wěn)破壞特征，東翼軌道大巷高強(qiáng)穩(wěn)定型支護(hù)技術(shù)核心如下：

根據(jù)東翼軌道大巷底臌嚴(yán)重和兩幫強(qiáng)烈內(nèi)移的變形破壞特征，采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)支護(hù)，利用巷道淺部圍巖形成可靠的承載結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用高強(qiáng)度小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)錨網(wǎng)支護(hù)形成的承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)償，提高支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定型和承載能力，從而有效地控制巷道圍巖的強(qiáng)烈變形，減小巷道兩幫內(nèi)移對(duì)底板的擠壓作用，并在巷道底板采用相應(yīng)控底措施，控制巷道底板巖層的強(qiáng)烈臌起。

3.2 東翼軌道大巷高強(qiáng)穩(wěn)定型幫底互控技術(shù)方案

東翼軌道大巷高強(qiáng)穩(wěn)定型幫底互控技術(shù)方案如下：

現(xiàn)階段東翼軌道大巷正在使用，為了保證巷道治理效果，對(duì)于巷道斷面凈高度和凈寬度小于設(shè)計(jì)值的區(qū)域，需要先進(jìn)行擴(kuò)幫、臥底，然后按照新型高強(qiáng)穩(wěn)定型支護(hù)技術(shù)方案重新進(jìn)行支護(hù)。

東翼軌道大巷頂幫高強(qiáng)穩(wěn)定型支護(hù)技術(shù)方案：

1）本方案首先進(jìn)行高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)支護(hù)，即先采用Φ20×2500mm的高強(qiáng)樹脂錨桿和Φ8mm高強(qiáng)度鋼筋網(wǎng)護(hù)表。由于巷道兩幫幫腳內(nèi)移嚴(yán)重，因此兩幫幫腳和幫中的錨桿間排距為600×700mm，其余錨桿間排距為700×700mm。鋼筋網(wǎng)推薦采用電阻焊技術(shù)加工的自連網(wǎng)，這種焊接工藝不僅焊接過程中對(duì)鋼筋強(qiáng)度損失小，焊點(diǎn)強(qiáng)度高，而且金屬網(wǎng)搭接部位連接方便，連接強(qiáng)度高。采用這種網(wǎng)有效提高錨網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)的護(hù)表能力。同時(shí)每根錨桿使用2支Z2350樹脂藥卷錨固，錨桿布置參數(shù)見2和圖5。托盤采用140×140×10mm鼓形托盤，材質(zhì)A3鋼；

2）沿巷道軸向布置高強(qiáng)度鋼筋梯子梁，鋼筋梯子梁采用Φ14mm鋼筋整體焊接，規(guī)格為3140×120mm，充分發(fā)揮錨網(wǎng)支護(hù)中錨桿的作用，見圖2；

3）為了保證錨網(wǎng)支護(hù)形成的承載結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)的同時(shí)，對(duì)錨網(wǎng)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)償。為此，在錨網(wǎng)支護(hù)實(shí)施過程中采用兩種支護(hù)斷面，斷面間距700mm。錨索采用Φ18.9×5000mm1860鋼絞線，錨索托盤采用400mm的18#槽鋼制作，見圖3，并且沿巷道周向布置錨索托盤壓住錨網(wǎng)支護(hù)的鋼筋梯子梁。錨索具體布置參數(shù)見圖4。

底板錨梁索支護(hù)技術(shù)方案：

1）底板錨桿采用Φ20×2500mm的高強(qiáng)樹脂錨桿，每根錨桿使用2支Z2350樹脂錨固劑，托盤采用140×140×10mm A3鋼鼓形托盤；

2）該礦井涌水量較大，東翼軌道大巷兩側(cè)都有水溝，右側(cè)水溝使用斷面為1000×1000mm，左側(cè)水溝使用斷面為600×600mm，考慮到巷道水溝的穩(wěn)定性，施工時(shí)防止兩個(gè)水溝靠近巷道中線一側(cè)的巖體被壓碎，在兩個(gè)水溝內(nèi)靠近巷道中線一側(cè)均采用水溝加強(qiáng)梁。水溝加強(qiáng)梁采用18#槽鋼制作。由于水溝在錨梁支護(hù)后進(jìn)行澆鑄混凝土，為了保證水溝支護(hù)效果，在水溝左側(cè)加強(qiáng)梁下方鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)；

3）由于巷道跨度較大，因此在巷道中心線附近布置一根Φ18.9×5000mm錨索，錨索使用3支Z2350樹脂錨固劑，錨桿、錨索布置參數(shù)見圖5；

4）為提高巷道底板的整體承載性能，沿巷道周向均采用鋼筋梯子梁將錨桿、錨索連接起來(lái)，同時(shí)沿巷道軸向采用18#槽鋼梁將巷道中線附近的錨索連接起來(lái)。

底板鋼筋梯子梁采用Φ14mm鋼筋整體焊接，規(guī)格分別為2140×120mm，見圖6；

5）由于巷道淺部圍巖在多次人為擾動(dòng)后，非常破碎，在打底板錨桿和錨索時(shí)孔口容易塌孔，此時(shí)需要在巷道底板淺部圍巖進(jìn)行注漿。

4、結(jié)語(yǔ)

高應(yīng)力軟巖巷道失穩(wěn)破壞實(shí)質(zhì)上是承載結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性破壞，現(xiàn)有支護(hù)設(shè)計(jì)中未考慮采取措施提高幫部承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在高地應(yīng)力的作用下，巷道最先破壞的部位為強(qiáng)度相對(duì)更低的巷道兩幫和底板，這成為巷道失穩(wěn)破壞的突破口。需采用有效措施，對(duì)巷道兩幫和底板進(jìn)行強(qiáng)度補(bǔ)償和結(jié)構(gòu)補(bǔ)償，從而保證巷道的整體承載能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

梁北煤礦-550東翼軌道大巷采用高強(qiáng)穩(wěn)定型幫底互控技術(shù)試驗(yàn)區(qū)域，整體支護(hù)狀況良好，為類似圍巖條件下巷道支護(hù)采取合理的技術(shù)措施提供依據(jù)。

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