二疊系軟巖大變形巷道支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)在新維煤業(yè)公司的研究與應(yīng)用

銀正川 胡雷 王克雄

摘? 要：新維煤業(yè)是川南煤田優(yōu)質(zhì)無煙煤主力生產(chǎn)礦區(qū)，主采川南煤田二疊系宣威組煤層，在礦井埋深超過500m時(shí)，巷道因地壓大、巖石軟等問題，出現(xiàn)了嚴(yán)重底鼓、片幫的現(xiàn)象，二疊系軟巖巷道變形機(jī)理及變形防控已成為亟待解決的難題。本項(xiàng)目針筠連礦區(qū)新維煤礦總回風(fēng)為例，巷道掘進(jìn)后出現(xiàn)的底板鼓起量大、持續(xù)變形、難以穩(wěn)定的現(xiàn)象，從原因、機(jī)理、工藝、技術(shù)等方面對(duì)上述問題展開研究并提出解決支護(hù)優(yōu)化方案，對(duì)降低礦井巷道掘進(jìn)成本具有重大的價(jià)值和實(shí)際意義，并形成軟巖巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)體系。

關(guān)鍵詞：二疊系宣威組? 巷道變形防控? 支護(hù)優(yōu)化? 軟巖支護(hù)技術(shù)體系

中圖分類號(hào)：TD353? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）12（c）-0011-04

Abstract： Xinwei coal industry is the main production area of high-quality anthracite in South Sichuan coalfield. It mainly mines the Permian Xuanwei Formation coal seam in South Sichuan coalfield. When the mine buried depth exceeds 500m， the roadway has serious floor heave and spalling due to the problems of large ground pressure and soft rock. The deformation mechanism and deformation prevention and control of the roadway in Permian soft rock have become a difficult problem to be solved. Taking the total return air of Xinwei coal mine in Junlian mining area as an example， the floor heave is large， continuous deformation and difficult to be stable after roadway excavation. This paper studies the above problems from the aspects of causes， mechanism， technology and technology， and puts forward the support optimization scheme， which has great value and practical significance to reduce the tunneling cost of mine roadway， and forms soft rock roadway excavation support Nursing technology system.

Key Words： Permian xuanwei group; Road deformation prevention and control; Support optimization; Soft rock support technology system

軟巖作為支護(hù)工程中的國際性難題，長期以來國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究，近年來我國學(xué)者的研究成果在國際上形成了自己的特色。關(guān)于軟巖的支護(hù)理論，國內(nèi)外針對(duì)不同的軟巖條件，提出了大量的支護(hù)理論。比較典型的有：中國礦業(yè)大學(xué)何滿朝教授的軟巖巷道優(yōu)化支護(hù)理[1];中國礦業(yè)大學(xué)陸世良教授U型鋼支護(hù)壁后充填理論[2];董方庭教授圍巖松動(dòng)圈理論[3];北京科技大學(xué)方祖烈教授軟巖巷道的維護(hù)理論[4];東北大學(xué)鄭雨天教授軟巖支護(hù)理論[5];廣西大學(xué)范秋雁教授新奧法原理[6];中國礦業(yè)大學(xué)侯朝炯教授加固幫腳控制圍巖變形的理論;煤炭科學(xué)研究總院開采研究所康紅普教授提出了關(guān)鍵承載圈理論;西安科技大學(xué)黃慶享教授等在治理四川攀枝花構(gòu)造破碎帶軟巖巷道錨網(wǎng)支護(hù)時(shí)，提出了巷道支護(hù)的“極限自穩(wěn)平衡拱理論”。

針對(duì)全厚軟巖巷道掘進(jìn)造成的圍巖松動(dòng)圈大、圍巖軟弱的圍巖結(jié)構(gòu)特征，從恢復(fù)、提高圍巖自身強(qiáng)度和改變圍巖的力學(xué)狀態(tài)為切入點(diǎn)，緊緊圍繞改善圍巖結(jié)構(gòu)及其物理力學(xué)性質(zhì)、適時(shí)隨機(jī)加固圍巖這一根本，采用“先控、后固、再抗”的巷道支護(hù)理念先進(jìn)支護(hù)優(yōu)化方案。

1? 新場(chǎng)井總回風(fēng)支護(hù)參數(shù)

（1）根據(jù)新場(chǎng)井總回風(fēng)大巷圍巖條件，提出以下巷道支護(hù)原則：①錨桿與錨索支護(hù)優(yōu)先原則;②及時(shí)、主動(dòng)支護(hù)原則;③全斷面支護(hù)原則;④錨固與注漿加固相結(jié)合原則;⑤耦合支護(hù)原則;⑥二次支護(hù)原則，如圖1所示。

（2）錨桿支護(hù)：半圓拱頂板和直墻兩幫部均采用Ф25×3000mm規(guī)格的MZGK200-42/25中空注漿錨桿，配150mm×150mm×10mm方形托盤，錨桿間距700mm，錨桿排距700mm，每排18根;半圓拱頂板和兩幫直墻每根錨桿使用1節(jié)Z2850型樹脂藥卷;每根錨桿預(yù)拉力不小于30kN（對(duì)應(yīng)的扭矩不小于150N.m）。

（3）錨索支護(hù)：半圓拱頂板和兩幫直墻均采用中空注漿錨索長8300mm，直徑Ф29mm，破斷力400KN以上，配300mm×300mm×16mm方形托盤，1個(gè)KM29型鎖具，錨索間距1400mm，排距1400mm;每根錨索搭配2節(jié)Z2850型樹脂藥卷;每根錨索預(yù)緊力不低于120KN。

（4）布置方式：拱部正頂布置1根中空注漿錨索，兩側(cè)對(duì)稱呈放射狀依次布置，保證中空注漿錨索均垂直巖面布置。最上端中空注漿錨桿距巷道中心線350mm對(duì)稱布置，其余錨桿依次垂直于巖面對(duì)稱布置，底角錨桿下扎20°，且距離巷道底板不得大于 200 mm，見圖1。

（5）鉆孔參數(shù)：中空注漿錨桿安裝孔徑 32mm，孔深2900 mm;中空注漿錨索安裝孔徑 38 mm，孔深按 8 000 mm，誤差均不得大于±50 mm。

（6）護(hù)表方式：采用直徑6.5mm鋼筋網(wǎng)，半圓拱+直墻共使用8片鋼筋網(wǎng)片，每片鋼筋網(wǎng)片規(guī)格1600mm×1000mm，鋼筋網(wǎng)格尺寸50mm×50mm，搭接長度50mm，采用人工扣接。半圓拱+直墻表面的中空注漿錨桿之間采用4條W鋼帶連接，每條W鋼帶長3.2m，寬300mm，厚5mm、孔直徑40mm，孔間距700mm，端部余留200mm。

（7）錨桿注漿參數(shù)：①注漿量主要掌握兩個(gè)原則，一是控制泵壓在圍巖內(nèi)達(dá)到1.5～2.5Mpa時(shí)應(yīng)停止注漿;二是根據(jù)相鄰鉆孔跑漿量來定，相鄰鉆孔一旦跑漿，應(yīng)及時(shí)封鄰孔或停止注漿。②復(fù)注量一般為一次注漿量的60%。③幫頂注漿壓力為 2～2.5MPa，底角錨桿孔注漿壓力可加到2.5～3.0MPa。④在控制注漿壓力和注漿量的同時(shí)，必須控制注漿時(shí)間一般為30～40 min，可以防止注漿在弱面漿液擴(kuò)散較遠(yuǎn)，造成跑漏現(xiàn)象。

（8）錨索注漿參數(shù)：注漿壓力7～10MPa，不低于7MPa，達(dá)不到注漿壓力時(shí)，則采取分次分級(jí)加壓注漿，初壓3MPa，注漿3～5min，間隔30min，再復(fù)注5～7MPa。

2? 底板支護(hù)技術(shù)參數(shù)

2.1 底板注漿錨索支護(hù)

底板注漿錨索錨索索體為籠型中空結(jié)構(gòu)，8根Φ6mm周邊絲以及自帶注漿芯管（內(nèi)、外徑分別為Φ7.5mm和Φ10mm），長度6.3m，在端頭設(shè)置攪拌頭，在錨固段設(shè)置“鳥籠”，以提高底板錨索的錨固力。底板每排布置3個(gè)中空注漿錨索孔（每排孔間距1600mm），排距1600mm，底板鉆孔直徑為Φ32mm，采用“下錨上注”的方式，對(duì)底板錨索實(shí)現(xiàn)全長錨固。先采用樹脂藥卷錨固，張拉錨索（預(yù)緊力為150～180 kN），然后對(duì)自由段進(jìn)行注水泥漿全長錨固。錨索施工完成后，對(duì)底板進(jìn)行矸石回填和噴射混凝土，如圖2所示。

2.2 底板注漿錨索支護(hù)

采用2m長的29U型鋼梁將每排2根錨索組合，鋼梁上小托板（160×100×14mm）、鎖具張拉錨索，錨索張拉儀型號(hào)SL-50T，錨索張拉力不小于120kN。對(duì)稱一根上托板300×300×16mm及160×100×14mm小托板、鎖具、錨索形成一排，鋼梁和單排錨索交叉進(jìn)行排列錨固。

3? 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

3.1 切測(cè)站布置

一盤區(qū)總回風(fēng)大巷采用高強(qiáng)中空注漿錨桿支護(hù)+高強(qiáng)中空注漿錨索二次支護(hù)試驗(yàn)段，分別布置：表面收斂測(cè)站四組，多點(diǎn)位移計(jì)站一組，頂幫測(cè)力錨桿各一組。測(cè)站具體設(shè)置位置，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度現(xiàn)場(chǎng)確定一盤區(qū)總回風(fēng)大巷試驗(yàn)段布置兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，兩監(jiān)測(cè)斷面沿巷道軸向間隔0.6～1.0m。采用十字布點(diǎn)法安設(shè)表面位移監(jiān)測(cè)斷。

3.2 錨桿受力觀測(cè)

利用錨桿液壓枕監(jiān)測(cè)錨桿軸向力。錨桿液壓枕使用時(shí)，待錨桿攪拌完成后，首先安裝錨桿液壓枕，然后再安裝錨桿托盤，實(shí)施預(yù)緊力。錨桿安裝好后，用采集器對(duì)錨桿受力液壓枕安裝好之后，進(jìn)行定期觀測(cè)，定期逐點(diǎn)觀測(cè)錨桿。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得到錨桿軸向拉力。本次監(jiān)測(cè)，在一個(gè)斷面內(nèi)頂板安裝4個(gè)，左右?guī)筒扛靼惭b2個(gè)，一個(gè)斷面總共安裝8個(gè)錨桿索測(cè)力計(jì)，如圖3所示。

4? 軟巖巷道支護(hù)優(yōu)化效果分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

4.1.1 支護(hù)成本核算

（1）原有支護(hù)形式成本核算（見表1）。

① 錨桿采用Φ16螺紋鋼錨桿，長度2200mm，間排距800×800mm。② 錨索采用Φ15.24鋼絞線錨索，間距1.2m，排距1.6m，按四四布置。③ 金屬網(wǎng)采用菱形編制金屬網(wǎng)。④ 噴射混凝土為C20，噴砼厚100m。⑤ U型棚間距0.8m，架棚緊跟工作面。

巷道一次返修率：67%;巷道二次返修率：28%;巷道報(bào)廢率：14%。

則原支護(hù)條件下巷道每米成本為：

7071.6+7071.6×67%+7071.6×28%+7071.6×14%=14779.7元。

（2）巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)成本核算（見表2）。

①巷道斷面形狀為直墻半圓拱形;②錨桿? ? ? ? ? 為16mm左旋無縱筋等強(qiáng)螺紋鋼錨桿，平行布置，間排距為800×800mm;③ 使用樹脂藥卷，長度500mm，每根錨桿2卷;④ 菱形網(wǎng)，具體規(guī)格為：網(wǎng)片寬為1000mm，網(wǎng)眼尺寸75mm×75mm，網(wǎng)為8#鐵線;⑤恒阻錨索長度為8.5m。

支護(hù)優(yōu)化后巷道每米成本為：8118.9元;優(yōu)化后每米巷道節(jié)約支護(hù)成本：14779.7-8118.9=6660.8元。

節(jié)約成本：11000m×6660.8元/m=7326.88萬元。

4.2 安全、社會(huì)效益

4.2.1 提供了巷道頂板分類科學(xué)依據(jù)

將不同層位的巷道根據(jù)其跨距比、穩(wěn)定巖層高度及老頂是否含軟巖進(jìn)行了科學(xué)的分類，根據(jù)分類的不同提供了可靠的頂板支護(hù)方式，避免了軟巖巷道支護(hù)的盲目性。

4.2.2 消除了安全隱患

支護(hù)技術(shù)優(yōu)化之后，對(duì)不穩(wěn)定頂板巷道和極不穩(wěn)定頂板巷道提供了有效的支護(hù)方式，消除了原有支護(hù)方式帶來的不安全因素，杜絕了冒頂現(xiàn)象的發(fā)生，減少了片幫、底臌量。

4.2.3 降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度

原有支護(hù)方式一次返修率極高、二次返修率不低，甚至存在整條巷道報(bào)廢現(xiàn)象，支護(hù)技術(shù)優(yōu)化后，不僅減小了進(jìn)行返修支護(hù)作業(yè)時(shí)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也減小了支護(hù)材料的搬運(yùn)量，由此大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

5? 結(jié)語

重點(diǎn)解決新維煤業(yè)出現(xiàn)的軟巖底鼓治理理論與關(guān)鍵技術(shù)問題，并通過維礦軟巖及底鼓防治現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐，形成適合新維煤業(yè)礦區(qū)地質(zhì)條件的底鼓治理理論與技術(shù)體系，為新維煤業(yè)在地質(zhì)條件惡化，采動(dòng)應(yīng)力的疊加，二次采動(dòng)的擾動(dòng)等因素的綜合作用下的礦井監(jiān)測(cè)巷道掘進(jìn)變形破壞狀況、巷道圍巖結(jié)構(gòu)與巖石力學(xué)特性等技術(shù)提供了研究依據(jù)。

通過二疊系軟巖巷道變形機(jī)理及防控關(guān)鍵技術(shù)研究設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的推廣應(yīng)用，符合經(jīng)濟(jì)增長要堅(jiān)持節(jié)約資源的發(fā)展方針，施工工藝工序更為簡單，操作方便，較大的節(jié)約了人力和物力，可以實(shí)現(xiàn)減少巷道多次返修，降低維護(hù)費(fèi)用的目標(biāo)，同時(shí)能滿足通風(fēng)、運(yùn)輸、行人的需要，確保礦井的安全生產(chǎn)，提高了機(jī)械化程度和操作人員的精度，進(jìn)而加快了巷道掘進(jìn)速度，使公司安全生產(chǎn)與技術(shù)管理水平得到大幅度提升，為樹立公司良好的社會(huì)形象起到巨大的推動(dòng)作用。

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