深部圍巖巷道支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用研究

趙 博

(西山煤電股份有限公司 馬蘭礦，山西 古交 030200)

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·試驗(yàn)研究·

深部圍巖巷道支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用研究

趙 博

(西山煤電股份有限公司 馬蘭礦，山西 古交 030200)

為了研究掘進(jìn)期間深部高應(yīng)力區(qū)巷道變形特征，以山西某礦22614工作面為研究背景，采取了錨網(wǎng)梁索+底角錨桿的聯(lián)合支護(hù)措施，在支護(hù)段分別布置2個(gè)測(cè)站進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得出在掘進(jìn)期間，巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近量平均為52.2 mm，兩幫相對(duì)移近量平均為42.8 mm，巷道斷面收縮率控制在5%以內(nèi)，圍巖變形控制效果好。錨固區(qū)內(nèi)離層值大于錨固區(qū)外離層值，說(shuō)明頂板離層主要發(fā)生在錨固范圍內(nèi)，錨固范圍外離層較小，錨索支護(hù)有效控制了巷道頂板離層。

掘進(jìn)期間；深部圍巖；高地應(yīng)力區(qū)；巷道支護(hù)；頂板離層；圍巖變形

深部開(kāi)采巖石所處的地質(zhì)環(huán)境與淺部開(kāi)采有很大的不同，主要表現(xiàn)為“三高一擾動(dòng)”的惡劣環(huán)境，即高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓和強(qiáng)烈的開(kāi)采擾動(dòng)[1-3]. 同時(shí)受其高地應(yīng)力的影響，深部巷道圍巖應(yīng)力分布極其復(fù)雜。隨著無(wú)軌設(shè)備的大量投入使用，巷道斷面加大，深部地應(yīng)力尤其是垂直應(yīng)力集中，使巷道的維護(hù)難度加大[4]. 如果簡(jiǎn)單采用傳統(tǒng)的巷道支護(hù)方式，不能從根本上進(jìn)行有效的支護(hù)，而再次支護(hù)時(shí)又存在很大的安全隱患，研究對(duì)象條件也復(fù)雜多變。受高地應(yīng)力影響巷道變形嚴(yán)重，修復(fù)工程量大，常出現(xiàn)前掘后修、重復(fù)擴(kuò)刷等現(xiàn)象，成為制約礦井正常生產(chǎn)的重要影響因素。為此，我國(guó)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究，并得出了一定的結(jié)論：李清等[5]以新汶礦區(qū)孫村煤礦-1 100 m東大巷為研究背景，應(yīng)用FLAC數(shù)值模擬軟件，分析了二次錨噴耦合支護(hù)技術(shù)，有效解決了深部高應(yīng)力區(qū)巷道支護(hù)技術(shù)難題，并實(shí)現(xiàn)了支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的動(dòng)態(tài)耦合；孫曉明等[6]結(jié)合南屯煤礦9301工作面巷道變形的實(shí)際情況，對(duì)巷道斷面和掘進(jìn)位置進(jìn)行有效優(yōu)化，提出了錨網(wǎng)索耦合支護(hù)技術(shù)，該技術(shù)有效地控制了巷道圍巖的變形，實(shí)現(xiàn)了深部破碎煤層巷道沿底掘進(jìn)的目的；李桂臣等[7]對(duì)煤層預(yù)應(yīng)力桁架錨桿支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了闡述，并在淮北礦區(qū)許疃煤礦進(jìn)行了成功試驗(yàn)，該技術(shù)提高了掘進(jìn)速度，有效控制了圍巖變形，保證了人員安全，為類似條件下的圍巖支護(hù)提供了有力依據(jù)。李景杰等[8]結(jié)合鶴崗礦區(qū)的地質(zhì)條件，分析了深部軟巖巷道的變形機(jī)制，提出了耦合轉(zhuǎn)化和剛隙柔層支護(hù)技術(shù)，該技術(shù)有效解決了該礦區(qū)支護(hù)困難的技術(shù)問(wèn)題，對(duì)國(guó)內(nèi)其他礦區(qū)的深部巷道支護(hù)有一定的借鑒意義。本文對(duì)山西某礦22614工作面在掘進(jìn)期間進(jìn)行了礦壓觀測(cè)，研究了巷道受深部高地應(yīng)力作用時(shí)巷道支護(hù)技術(shù)。

1 概 況

該礦現(xiàn)主要開(kāi)采山西組7、9煤層，南翼采區(qū)正在開(kāi)拓過(guò)程中，核定礦井生產(chǎn)能力為500萬(wàn)t/年。開(kāi)拓方式為立井單水平分區(qū)式上下山開(kāi)采，地面標(biāo)高為+35 m，目前主要在-700 m和-980 m兩個(gè)輔助水平開(kāi)采。22614工作面開(kāi)采7#煤層，煤層直接頂板以灰至深灰色粉砂巖為主，巖性致密。底板多為深灰色粉砂巖，局部為粉細(xì)砂巖互層。

該煤礦最大主應(yīng)力方向與水平方向的夾角最小為55°，最大為86°，平均為69°. 地應(yīng)力場(chǎng)是以垂直應(yīng)力為主導(dǎo)的，垂向應(yīng)力值是自重應(yīng)力的1.22～1.59倍。22614工作面南翼為980回風(fēng)巷，最大主應(yīng)力σ1=26.7 MPa，方位角是177°，與22614工作面上下順槽方向夾角近垂直。

2 掘進(jìn)期間巷道支護(hù)技術(shù)研究

2.1 支護(hù)方案

1) 支護(hù)形式。

采用錨網(wǎng)梁索+底角錨桿聯(lián)合支護(hù)，具體見(jiàn)圖1.

圖1 22614工作面巷道支護(hù)設(shè)計(jì)斷面圖

2) 設(shè)計(jì)巷道尺寸。

設(shè)計(jì)巷道毛斷面尺寸為：4 500 mm×2 500 mm，凈斷面尺寸為：4 300 mm×2 400 mm.

2.2 支護(hù)參數(shù)

1) 錨桿。

本支護(hù)設(shè)計(jì)方案針對(duì)不同的支護(hù)位置采用以下幾種不同的錨桿：

頂板錨桿采用d22 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼等強(qiáng)錨桿，長(zhǎng)2 200 mm，下肩窩兩根錨桿考慮到施工難度，采用d22 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼等強(qiáng)錨桿，長(zhǎng)2 000 mm，間排距820 mm×850 mm，平行布置。

幫部錨桿用d20 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼等強(qiáng)錨桿，長(zhǎng)2 200 mm，上幫間距800 mm，下幫間距700 mm，排距均為850 mm，平行布置。

底角錨桿使用d43 mm管縫式錨桿，長(zhǎng)2 000 mm，與水平面成45°夾角打在巷道底角，安裝完后再在管縫式錨桿中空部分插入一根螺紋鋼錨桿并用水泥漿注實(shí)。

2) 錨桿托盤(pán)。

錨桿托盤(pán)使用木托盤(pán)和碟形鐵托盤(pán)組成的復(fù)合托盤(pán)，其中內(nèi)部木托盤(pán)尺寸為200 mm×150 mm×50 mm，外部為120 mm×120 mm×10 mm 碟形鐵托盤(pán)。

3) 網(wǎng)。

網(wǎng)片采用d4 mm電焊平網(wǎng)，長(zhǎng)筋為鍍鋅鐵絲，短筋為冷拔鋼絲，網(wǎng)格尺寸50 mm×50 mm.網(wǎng)片間搭接長(zhǎng)度為50～100 mm，進(jìn)行逐扣連接。

4) 鋼筋托梁。

頂板采用d16 mm圓鋼加工而成的鋼筋梯，兩幫采用d12 mm圓鋼加工而成的鋼筋梯，寬度70 mm.

5) 錨索。

錨索直徑為15.24 mm，長(zhǎng)度5 200 mm. 錨索托盤(pán)選用20#槽鋼，尺寸為400 mm×200 mm×80 mm，中間加焊尺寸為200 mm×150 mm×10 mm的鋼板，鋼板中心眼孔d16.5 mm；錨索采用CK-Z2370型樹(shù)脂藥卷1根(內(nèi)部)，Z2380型樹(shù)脂藥卷1根(外部)。錨索預(yù)緊力根據(jù)施工位置的不同而不同，當(dāng)錨索緊跟迎頭時(shí)，預(yù)緊力不小于10 t；當(dāng)距迎頭15 m后打錨索時(shí)，預(yù)緊力不小于12 t. 錨索按“1-1”的方式進(jìn)行布置，錨索排距2 400 mm.

3 巷道支護(hù)效果分析

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置

在支護(hù)段布置2個(gè)測(cè)站，分別進(jìn)行監(jiān)測(cè)。第一測(cè)站距離回風(fēng)巷出口890 m，第二測(cè)站距離回風(fēng)巷出口1 290 m.

3.2 支護(hù)效果分析

3.2.1 巷道表面位移

通過(guò)對(duì)采用錨網(wǎng)梁索+底角錨桿聯(lián)合支護(hù)段中設(shè)置的2個(gè)測(cè)站的連續(xù)觀察，得出巷道掘進(jìn)影響期間、掘后穩(wěn)定期間巷道表面變形情況。根據(jù)巷道表面位移，得出各個(gè)測(cè)站頂?shù)装濉蓭鸵平侩S時(shí)間變化曲線，見(jiàn)圖2，3.

圖2 掘進(jìn)期間一測(cè)站表面位移曲線圖

圖3 掘進(jìn)期間二測(cè)站表面位移曲線圖

由圖2和圖3可得：

1) 22614回風(fēng)巷采用錨網(wǎng)梁索+底角錨桿聯(lián)合支護(hù)，對(duì)該巷道的掘進(jìn)進(jìn)度的影響最小，平均約為14天，圍巖變形速度較慢。

2) 由數(shù)據(jù)分析可知，掘進(jìn)期間，頂板的相對(duì)位移量約為32 mm，最大頂?shù)装宓奈灰扑俣燃s為9 mm/d，22614回風(fēng)巷兩幫的位移量約為23 mm，每個(gè)測(cè)站兩幫最大相對(duì)移近速度約為8 mm/d. 研究表明，圍巖的變形速度與位移量均小于原有的支護(hù)方案，使得圍巖的變形量與速度均在可控的范圍內(nèi)，圍巖的穩(wěn)定性較好。

3) 在掘進(jìn)后期，圍巖變形趨于穩(wěn)定，圍巖的位移速度變化較小，頂?shù)装宓奈灰屏考s為19 mm，頂?shù)装逑鄬?duì)移近速度約為0.2 mm/d；兩幫相對(duì)移近量約為21 mm；兩幫相對(duì)移近速度約為0.18 mm/d；由此可見(jiàn)，圍巖變形的總體趨勢(shì)緩慢，圍巖的變形量和速度均在可控范圍內(nèi)，采取該支護(hù)技術(shù)能有效控制圍巖變形。

4) 在掘進(jìn)期間，巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近量平均為52.2 mm，兩幫相對(duì)移近量平均為42.8 mm，巷道斷面收縮率控制在5%以內(nèi)，圍巖變形控制效果好。

3.2.2 巷道頂板離層

對(duì)兩個(gè)巷道頂板離層監(jiān)測(cè)測(cè)站的頂板離層儀所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并繪制掘進(jìn)期間巷道頂板離層監(jiān)測(cè)曲線，見(jiàn)圖4，5.

圖4 一測(cè)點(diǎn)頂板離層變化曲線圖

圖5 二測(cè)點(diǎn)頂板離層變化曲線圖

由圖4和圖5可得：

1) 在掘進(jìn)期間，頂板的離層量較小，最大離層量約為29 mm，在支護(hù)范圍的錨固區(qū)內(nèi)，離層量約為17 mm；錨固區(qū)外離層量約為13 mm. 因此，頂板的變形在可控范圍內(nèi)，滿足巷道支護(hù)要求。

2) 通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，頂板離層由3個(gè)階段組成：a) 掘進(jìn)前20天，頂板離層速度非?？?，即為高速發(fā)展期。b) 在掘進(jìn)20～60天，頂板的離層量較小，即為緩慢變形期。c) 在掘進(jìn)60天后，頂板基本無(wú)離層出現(xiàn)，即為穩(wěn)定期。

3) 錨固區(qū)內(nèi)離層值大于錨固區(qū)外離層值，說(shuō)明頂板離層主要發(fā)生在錨固范圍內(nèi)，錨固范圍外離層較小，錨索支護(hù)有效控制了巷道頂板離層。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上可知，高地應(yīng)力對(duì)巷道變形的影響嚴(yán)重，而且高垂直應(yīng)力的巷道圍巖應(yīng)力演化及錨桿承載性能優(yōu)化，對(duì)于礦井降低返修率，保障安全高效生產(chǎn)，加快高產(chǎn)具有重要的經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)類似復(fù)雜條件下巷道的穩(wěn)定性維護(hù)具有指導(dǎo)意義。

[1] 張 農(nóng)，高明仕.煤巷高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)與應(yīng)用[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，33(5)：524-527.

[2] 李學(xué)華，姚強(qiáng)嶺，張 農(nóng)，等.高水平應(yīng)力跨采巷道圍巖穩(wěn)定性模擬研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2008，25(4)：420-425.

[3] 孫珍平，高召寧，孟祥瑞，等.基于德魯克-普拉格準(zhǔn)則的圍巖損傷區(qū)滲透系數(shù)研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2013，30(3)：26-29,39.

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[7] 李桂臣，張 農(nóng)，劉召輝，等.煤巷預(yù)應(yīng)力桁架錨桿支護(hù)技術(shù)[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2007，24(2)：150-154.

[8] 李景杰，郭 偉.鶴崗礦區(qū)深部軟巖巷道支護(hù)技術(shù)的研究與應(yīng)用[C].//周興旺.礦山建設(shè)工程新進(jìn)展—2006全國(guó)礦山建設(shè)學(xué)術(shù)會(huì)議文集.北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2006：558-564.

Application of Roadway Support Technology in Deep Surrounding Rock

ZHAO Bo

In order to study the deformation characteristics of the deep high stress zone during the tunneling period, the joint support measures with the anchor net plus the bottom bolts are taken as the research background in 22614 working face in a mine in Shanxi province. Two monitoring stations are set in the supporting section. The relative roof to floor convergence of the roadway is 52.2 mm, and 42.8 mm between the two rib sides, the total shrinkage rate of the roadway section is under 5%, and the deformation control effect of the surrounding rock is good. The movement inside the anchorage zone is larger than that of the outside, which indicates that the roof movement mainly occurs inside the anchorage range. The joint support method controls the roof movement effectively.

Tunneling period; Deep surrounding rock; High ground stress area; Roadway support; Roof separation; Surrounding rock deformation

2017-02-27

趙 博(1991—)，男，河南鹿邑人，2013年畢業(yè)于運(yùn)城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，主要從事煤礦巷道維修工作

(E-mail)szp6356@163.com

TD353

B

1672-0652(2017)04-0035-04