埋深礦井軟巖及斷層巷道的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

周明昊　張妮

【摘 要】當(dāng)煤礦進(jìn)入深部開(kāi)采后，尤其是在斷層破碎帶，圍巖的穩(wěn)定性較差，巷道支護(hù)體嚴(yán)重破壞，影響巷道使用率，威脅安全生產(chǎn)。文章介紹了軟巖的工程特性及影響斷層帶煤巷圍巖破碎的因素，提出了采用“錨、網(wǎng)、噴、索”聯(lián)合支護(hù)控制斷層帶煤巷圍巖控制技術(shù)，取得了較好的效果。

【關(guān)鍵詞】深部開(kāi)采；軟巖；斷層；破碎帶；聯(lián)合支護(hù)

在煤礦開(kāi)采中，當(dāng)煤礦進(jìn)入深部開(kāi)采后，一般會(huì)遇見(jiàn)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地應(yīng)力變大的情況，此時(shí)巷道變形嚴(yán)重，尤其是在斷層破碎帶，圍巖的穩(wěn)定性較差，巷道支護(hù)體嚴(yán)重破壞，影響巷道使用率，威脅安全生產(chǎn)。其圍石性質(zhì)表現(xiàn)出軟巖的巷道圍巖性質(zhì)，所以煤炭生產(chǎn)建設(shè)形勢(shì)迫切要求對(duì)深部開(kāi)采軟巖巷道問(wèn)題進(jìn)行深入研究。這要解決這一難題，就需要在厚煤層深部開(kāi)采巷道斷層破碎帶掘進(jìn)時(shí)，采用特殊的支護(hù)工藝。

1.軟巖的工程特性

1.1軟巖的力學(xué)屬性

軟巖中泥質(zhì)礦物成分和結(jié)構(gòu)面決定了軟巖的力學(xué)特性。顯示出可塑性、膨脹性、崩解性、流變性和易擾動(dòng)性的特點(diǎn)。軟巖的膨脹性質(zhì)是在物理、化學(xué)、力學(xué)等因素的作用下，產(chǎn)生體積變化的現(xiàn)象，其膨脹機(jī)理有：內(nèi)部膨脹、外部膨脹和應(yīng)力擴(kuò)容膨脹三種。工程中的軟巖膨脹為復(fù)合膨脹形式。

1.2軟巖的臨界載荷

隨著應(yīng)力水平的提高，特別是圍壓的增大，巖石產(chǎn)生的塑性變形明顯增加，使得在低應(yīng)力水平下表現(xiàn)為硬巖特性的巖石，在提高了應(yīng)力水平下顯示出顯著的塑性變形。

1.3軟巖的臨界深度

與軟化臨界荷載相對(duì)應(yīng)，巖石亦存在著一個(gè)軟化臨界深度。對(duì)給定礦區(qū)，軟化臨界深度也是一個(gè)客觀量。當(dāng)?shù)叵鹿こ搪裆畲笥谲浕R界深度時(shí)，圍巖出現(xiàn)大變形，大地壓和難支護(hù)現(xiàn)象；當(dāng)?shù)叵鹿こ搪裆钚∮谠撆R界深度時(shí)，則圍巖的大變形，大地壓現(xiàn)象消失，巷道支護(hù)容易。

2.影響斷層破碎帶煤巷圍巖破碎的因素

斷層附近煤巖體一般較為破碎，再加上巷道開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力狀態(tài)惡化，圍巖變得更為破碎而呈現(xiàn)峰后力學(xué)特性。斷層附近圍巖應(yīng)力高、圍巖的峰后力學(xué)特征是圍巖變形破壞的重要原因。

2.1圍巖應(yīng)力高

巷道埋藏深度較大，因此巷道頂板所承受應(yīng)力較高，加之?dāng)鄬訋?gòu)造應(yīng)力的影響，巷道開(kāi)挖后，破碎圍巖易于發(fā)生進(jìn)一步破壞。

2.2巖性發(fā)生變化

由于巖層的非均質(zhì)性，部分區(qū)域頂板巖性可能發(fā)生變化。軟巖具有可塑性、腫脹性、崩解性、流變性和易攏動(dòng)性等特點(diǎn)，僅采用工字鋼無(wú)法達(dá)到支護(hù)要求，需要進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。

2.3應(yīng)變軟化特性

巖石峰值應(yīng)力后仍具有一定的承載能力，而這一承載能力隨著應(yīng)變的增大而逐漸減小，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象。如果不加以控制，隨著變形的增大，承載能力的降低，破碎煤巖體將進(jìn)入摩擦階段，最終導(dǎo)致煤巖體的破壞而片幫或冒頂。

3.支護(hù)機(jī)理

采用高強(qiáng)度、高預(yù)緊力錨桿控制圍巖的變形，輔助錨索及鋼筋網(wǎng)加強(qiáng)支護(hù)，進(jìn)一步減小錨固區(qū)外圍巖的變形和離層，并起到對(duì)淺部松散圍巖的懸拉作用。

3.1支護(hù)機(jī)理

錨、網(wǎng)、噴、索聯(lián)合支護(hù)是以錨索為主要構(gòu)件，與鋼帶、鋼筋網(wǎng)等輔助構(gòu)件共同形成的支護(hù)體，其主要的作用支護(hù)機(jī)理有以下幾點(diǎn)：

采用錨索、鋼帶形成高強(qiáng)度、大收縮性的支護(hù)承載圈，即組合加固拱；由于巷道直接頂板內(nèi)砂質(zhì)泥巖較薄、構(gòu)造產(chǎn)狀復(fù)雜等因素，普通錨桿無(wú)法將復(fù)合頂板下的軟巖全納入錨桿錨固范圍內(nèi)，難以保證該巷道支護(hù)的可靠性。因此必須在普通的錨梁網(wǎng)支護(hù)的基礎(chǔ)上采用錨索支護(hù)，即通過(guò)錨索的懸吊作用在深部穩(wěn)定堅(jiān)硬的巖層中，與組合梁一起形成一個(gè)厚度加大、抗彎強(qiáng)度和剛度提高的新的組合梁結(jié)構(gòu)；采用錨桿支護(hù)，可以減少圍巖淺部的擴(kuò)容變形能力，在高應(yīng)力的作用下擴(kuò)容變形是不可能完全阻止，通過(guò)錨桿、錨索支護(hù)可以有效的加固錨固范圍的圍巖體，可大大減少擴(kuò)容變形量；采用鋼帶、鋼筋網(wǎng)提高了圍巖面的抗拉變形通力，控制圍巖的變形量，同時(shí)通過(guò)鋼帶形成一個(gè)有機(jī)的支護(hù)體，而不是錨桿、索的獨(dú)立作用，從而提高了整體支護(hù)能力；錨桿、索外端部采用預(yù)應(yīng)力錨盤和鋼墊板，提高了抗變形能力，在高應(yīng)力或采地動(dòng)壓力的作用下通過(guò)預(yù)應(yīng)力錨盤提高構(gòu)件的剛度，減少振動(dòng)和彈性變形，這樣做可以明顯改善受拉模塊的強(qiáng)度，使原本的抗性更強(qiáng)。

3.2支護(hù)工藝要求

布置頂板錨桿孔時(shí)，按設(shè)計(jì)要求布置錨桿排距和孔深，錨桿要盡量垂直巖層賦存方向，要保證頂板兩側(cè)和兩幫上下部位的錨桿孔的傾角和孔深，安裝錨桿時(shí)用錨桿將藥卷送至孔底攪拌，保證錨固長(zhǎng)度和錨固效果。若遇圍巖松軟、破碎，則在鉆進(jìn)達(dá)到設(shè)計(jì)深度后穩(wěn)鉆1～2分鐘，防止孔底尖滅、達(dá)不到設(shè)計(jì)孔徑。鉆孔孔壁不得有沉碴及水體粘滯，必須清理干凈，在鉆孔完成后，使用高壓空氣（風(fēng)壓0.2～0.4Mpa）將孔內(nèi)巖粉及水體全部清除出孔外，以利將藥卷順利送入孔底。

鋼筋網(wǎng)要對(duì)稱鋪設(shè)，保證鋼筋網(wǎng)兩端緊帖巖壁面，兩幫網(wǎng)下垂長(zhǎng)度均在350mm左右，然后再沿巷道的橫向安裝鋼帶，用錨桿托盤和螺母將鋼筋網(wǎng)和鋼帶壓住，施加一定的預(yù)應(yīng)力。網(wǎng)與網(wǎng)之間搭配100mm處用錨桿壓茬，提高支護(hù)的整體性。

在斷層的上、下盤分別布置一定數(shù)量的錨索、錨桿，最后用鋼筋網(wǎng)、鋼帶、11#工字鋼加工成的錨索梁，分別將斷層上、下斷的的錨索、錨桿連接，形成一個(gè)整體。在中部空隙部分先選用枕木、排柴、楠竹跳板等進(jìn)充填，最后全斷層噴漿封閉。

噴漿：在爆破后清理活矸危石，按照中、腰線檢查巷道斷面規(guī)程后及時(shí)初噴50mm厚混凝土，然后安設(shè)好臨時(shí)支護(hù)。最后待錨網(wǎng)支護(hù)到位后再?gòu)?fù)噴直至將錨網(wǎng)完全封閉。

4.效果分析

4.1圍巖應(yīng)力得到有效控制

通過(guò)觀測(cè)，在施工過(guò)程中不受采動(dòng)影響的情況下頂板離層、兩幫收斂基本不大于50mm。60天基本達(dá)到穩(wěn)定性，其中兩幫最大收斂值15mm，頂?shù)装遄畲笙鲁亮繛?mm。

4.2經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益明顯

若采用11#工字鋼架棚支護(hù)，每米支護(hù)成本（材料費(fèi)、人工費(fèi)）為2091元，由于受壓二次備棚支護(hù)部分占總工程量30%左右，每米二次支護(hù)成本為627.3元，合計(jì)每米巷道支護(hù)總成本為2718.3元?，F(xiàn)采用錨網(wǎng)索噴索支護(hù)后，每米支護(hù)成本為410元，可直接節(jié)約支護(hù)成本2308.3元/米。更為可觀的是每米巷道多出煤25噸，37m巷道計(jì)925噸，獲得煤效約37萬(wàn)元。

采用棚式支架，支護(hù)材料運(yùn)輸量大，架設(shè)難度大，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大；采用錨噴索聯(lián)合支護(hù)后，使巷道一次支護(hù)成功，施工工藝簡(jiǎn)單，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，工期提前，緩解采煤工作面接替緊張的局面。減少了巷道的維修量，避免維修巷道時(shí)帶來(lái)的安全問(wèn)題。避免了回采時(shí)回收11#工字鋼架棚時(shí)的不安全因素，確保了安全。

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