深井大巷破壞機(jī)理及支護(hù)技術(shù)研究

黃少華

(山西新景煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 陽(yáng)泉 045000)

深井大巷破壞機(jī)理及支護(hù)技術(shù)研究

黃少華

(山西新景煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 陽(yáng)泉 045000)

在北翼回風(fēng)大巷采用非對(duì)稱布置加長(zhǎng)錨桿與錨索分2次支護(hù)這一技術(shù)措施，第1次通過(guò)錨桿進(jìn)行支護(hù)，第2次支護(hù)采用錨索與W型鋼帶聯(lián)合支護(hù)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工、監(jiān)測(cè)，巷道的圍巖變形量控制在了安全范圍以內(nèi)，證明了所提出的支護(hù)方案科學(xué)合理。關(guān)鍵詞： 非對(duì)稱，聯(lián)合支護(hù)，圍巖變形

根據(jù)長(zhǎng)期煤炭開(kāi)采實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得知，深部煤層其巷道面臨圍巖變形量比較大、支護(hù)困難等一系列開(kāi)采難題；淺部煤層圍巖絕大多數(shù)處在彈塑性狀態(tài)，深部圍巖則可能處于塑性甚至破壞狀態(tài)。隨著礦井開(kāi)采水平的不斷延伸，一系列開(kāi)采難題逐漸顯露出來(lái)，在掘進(jìn)開(kāi)拓過(guò)程中可能遇到工程災(zāi)害，如突水事故、巷道變形嚴(yán)重等。因此，深部圍巖大巷支護(hù)方案的選擇將會(huì)影響整個(gè)礦井的正常安全生產(chǎn)[1-2]。

1 工程地質(zhì)情況

北翼回風(fēng)大巷是七元礦井下回風(fēng)的主要通道，掘進(jìn)中線高程是+400 m。在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，會(huì)穿過(guò)平均落差在7.9 m的斷層，斷層位置基本處于巷道掘進(jìn)長(zhǎng)度的中心處，在15#煤層后沿煤層頂板布置。根據(jù)鉆孔綜合柱狀圖顯示，15#煤層上覆巖層分別為平均厚度近1.15 m的K2石灰?guī)r和平均厚度達(dá)8.6 m厚軟弱泥巖，15#煤層厚度在4.19 m～5.11 m范圍內(nèi)，平均厚度為4.37 m，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的硬度系數(shù)f為2～3，傾角大約在5°，為近水平煤層。

2 巷道變形破壞原因分析

通過(guò)對(duì)七元煤礦北翼回風(fēng)大巷所處的地質(zhì)賦存特征和早期掘進(jìn)過(guò)程中采用的U型鋼結(jié)構(gòu)支護(hù)形式存在的諸多問(wèn)題進(jìn)行分析研究，得出造成巷道斷面發(fā)生較大移近量變形的若干關(guān)鍵因素。具體如下：

1) 地質(zhì)構(gòu)造(斷層、褶曲和陷落柱)對(duì)巷道變形破壞的作用。通過(guò)地質(zhì)勘探報(bào)告及施工工作面探明巖性特征分析得知，由于該范圍內(nèi)斷層和褶曲等地質(zhì)構(gòu)造的作用，巷道周圍巖體，特別是上覆頂板巖層和左右兩側(cè)幫圍巖，在集中地應(yīng)力作用下表現(xiàn)出破碎嚴(yán)重、節(jié)理異常的現(xiàn)象；而且，由于結(jié)構(gòu)弱面的影響，造成巖層沿弱面滑動(dòng)的趨勢(shì)較大。以上情況造成北翼回風(fēng)大巷斷面在掘進(jìn)試用階段產(chǎn)生較大的偏移量，在不到1個(gè)月的時(shí)間里，其頂?shù)装寮白笥覂蓚?cè)幫的移近量已經(jīng)接近498 mm、586 mm。較大的圍巖變形使得巷道的支護(hù)變得異常艱難，前方掘進(jìn)，而后方不斷返修，甚至部分地段圍巖破碎冒頂事故頻發(fā)，嚴(yán)重阻礙了煤礦的安全高效生產(chǎn)。

2) 頂板巖層自重應(yīng)力較大。根據(jù)施工方案的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，此北翼回風(fēng)大巷的水平標(biāo)高為+400 m，意味著其掘進(jìn)的深度距離地表達(dá)到700 m，屬于深部煤礦開(kāi)采，其最明顯的特征就是垂直應(yīng)力較大；同時(shí)，根據(jù)靜水壓力理論，圍巖水平應(yīng)力更高，所以，此時(shí)巷道處于高應(yīng)力作用區(qū)域，極易引起左右兩側(cè)幫和上下頂?shù)装宓淖冃巍Ｌ仁共捎玫闹ёo(hù)方案不合理，必然會(huì)使得巷道失去使用功能。

3) 大巷周圍巖體強(qiáng)度較弱。根據(jù)前述巖石試件物理力學(xué)試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果可以得知，回風(fēng)大巷周圍巖體，特別是頂板巖層的強(qiáng)度較低，所以在受到高應(yīng)力作用下，其周圍產(chǎn)生的松散破碎區(qū)(即松動(dòng)圈)范圍會(huì)十分巨大，破碎松散的圍巖會(huì)對(duì)支護(hù)效果產(chǎn)生很大的影響。巷道使用前期采用的U型鋼支護(hù)形式強(qiáng)度較大，支護(hù)結(jié)構(gòu)與巷道圍巖之間無(wú)法形成均勻的受力接觸，從而使得兩者之間夾雜不同規(guī)則的縫隙，相互作用關(guān)系不緊密，支架結(jié)構(gòu)在支護(hù)初期無(wú)法發(fā)揮作用，僅僅靠周圍巖體中打設(shè)的錨桿維護(hù)斷面形狀很難阻止松散破碎帶的擴(kuò)展。

3 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)[3-4]

支護(hù)方式最終確定為“長(zhǎng)錨桿頂錨索不對(duì)稱聯(lián)合支護(hù)”。

3.1 一次支護(hù)設(shè)計(jì)采用錨桿支護(hù)方式

1)錨桿及錨固劑。錨桿采用Φ22×3 000 mm型，巷道下幫肩部錨桿矩形布置間排距為650 mm×750 mm，巷道上幫肩部錨桿矩形布置間排距為750 mm×750 mm，巷道兩幫錨桿矩形布置間排距750 mm×750 mm。其中，接近底板下幫錨桿下扎45°，上幫錨桿下扎30°。錨桿外露長(zhǎng)度50 mm，每根錨桿配2卷中速Z2350樹(shù)脂錨固劑加長(zhǎng)錨固，托盤采用150 mm×150 mm的正方形8 mm厚鋼板壓制成弧形，錨桿均采用配套標(biāo)準(zhǔn)螺母緊固，每根錨桿錨固力不小于12 t。加大錨桿預(yù)緊力起到主動(dòng)支護(hù)的效果，預(yù)緊力應(yīng)達(dá)到3 t～5 t。

2)網(wǎng)片設(shè)計(jì)采用鋼絲網(wǎng)，網(wǎng)要壓茬連接，搭接不小于100 mm，相鄰兩塊網(wǎng)片之間用10號(hào)鐵絲相連接，連接點(diǎn)布置均勻，間距200 mm。

3)噴射混凝土采用普通硅酸鹽水泥，砂為純凈的中砂，石子顆粒直徑為5 mm～10 mm。噴射混凝土設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度為C20，配合比為m(水泥)∶m(砂)∶m(石子)=1∶2∶2。速凝劑型號(hào)為J85型，摻入量為水泥重量的2.0%～3.5%，噴射厚度為150 mm。

3.2 二次支護(hù)方式

二次支護(hù)采用“錨索+W型鋼帶”加強(qiáng)支護(hù)，必要時(shí)增加桁架支護(hù)。

錨索參數(shù)：Φ17.88 mm×6 300 mm錨索(鋼鉸線)，錨固長(zhǎng)度1 500 mm，錨固力應(yīng)達(dá)到300 kN。

布置方式：錨索滯后迎面20 m全斷面打錨索，間排距1 500 mm×1 500 mm。

桁架暫考慮用“W”鋼帶，沿巷道縱向布置。

此開(kāi)拓巷道錨桿錨索支護(hù)示意圖如圖1所示。

圖1 錨桿錨索支護(hù)示意圖

4 礦業(yè)觀測(cè)

1) 頂板離層情況

巷道開(kāi)挖后要對(duì)巷道頂板的離層情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，該礦選用尤洛卡公司生產(chǎn)的頂板離層指示儀，該儀器有2個(gè)深部和1個(gè)淺部共計(jì)3個(gè)基點(diǎn)，因此可以監(jiān)測(cè)錨桿錨固范圍和錨桿錨固范圍外頂板的離層情況。對(duì)開(kāi)挖的巷道離層情況實(shí)施監(jiān)測(cè)，可以隨時(shí)知道巷道頂板的相關(guān)情況，以確保巷道的絕對(duì)安全。開(kāi)拓巷道為全巖巷道，工作面采用炮掘方式。為了防止放炮后崩落的飛石損傷儀器，離層儀的安裝要離掘進(jìn)工作面15 m，共安裝了1號(hào)和2號(hào)2個(gè)頂板離層儀，對(duì)頂板離層儀的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)每天收集1次。1號(hào)和2號(hào)頂板離層儀安裝好后，對(duì)2個(gè)頂板離層儀進(jìn)行1個(gè)月的監(jiān)測(cè)，定期從儀器采集儀里收集數(shù)據(jù)，將獲得的數(shù)據(jù)繪圖整理，如第122頁(yè)圖2所示。

由圖2可知，淺部的2.5 m處的基點(diǎn)是在錨桿錨固范圍，而6 m和4 m處的深部基點(diǎn)是在錨索的錨固范圍，1號(hào)淺部基點(diǎn)最終出現(xiàn)7 mm的變形，2號(hào)淺部基點(diǎn)最終出現(xiàn)12 mm的變形。淺部變形基本處于7 mm～12 mm，說(shuō)明在錨桿錨固范圍內(nèi)巷道頂板出現(xiàn)了少量的離層；2個(gè)深部基點(diǎn)變形趨勢(shì)及變形量基本保持一致，說(shuō)明巷道頂板處于錨桿和錨索錨固范圍內(nèi)的巖層并未出現(xiàn)明顯的離層現(xiàn)象。從整體效果來(lái)看，錨桿(索)配合高強(qiáng)度鋼筋網(wǎng)加噴射混凝土支護(hù)方式能夠有效控制巷道周邊圍巖的變形，巷道整體維護(hù)良好[5]。

2) 錨索應(yīng)力測(cè)量

錨桿應(yīng)力的監(jiān)測(cè)可以采用FCH2G/1礦用本安型手持采集器。當(dāng)被測(cè)錨桿內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，錨桿應(yīng)力計(jì)同時(shí)受到拉伸或者壓縮，應(yīng)力傳感器可以收集到錨桿應(yīng)力的變化情況，此時(shí)產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)，通過(guò)變送器將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為壓力數(shù)值，從而可以知道錨桿體內(nèi)的受力情況。錨索應(yīng)力數(shù)據(jù)分析曲線如圖3所示。

圖2 頂板離層儀變形曲線圖

5 結(jié)論

1) 通過(guò)對(duì)巷道頂板離層情況的監(jiān)測(cè)，錨桿錨固范圍內(nèi)巷道頂板出現(xiàn)了少量的離層。2個(gè)深部基點(diǎn)變形趨勢(shì)及變形量基本保持一致，說(shuō)明巷道頂板處于錨桿和錨索錨固范圍內(nèi)的巖層并未出現(xiàn)明顯的離層現(xiàn)象。從整體效果來(lái)看，錨桿(索)配合高強(qiáng)度鋼筋網(wǎng)加噴射混凝土支護(hù)方式能夠有效控制巷道周邊圍巖的變形，巷道整體維護(hù)良好。通過(guò)對(duì)錨桿(索)受力狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，錨桿及錨索支護(hù)很好地維護(hù)了巷道的變形，圍巖變形量始終處于可控狀態(tài)。頂部錨索拉應(yīng)力大于頂部錨桿，說(shuō)明錨索承載能力更強(qiáng)。頂部錨桿拉應(yīng)力大于左右兩肩部的應(yīng)力，說(shuō)明頂板相比兩幫圍巖的變形更加強(qiáng)烈，更需要加強(qiáng)支護(hù)。

2) 在利用改進(jìn)技術(shù)措施之后，巷道每掘進(jìn)1 m可以減少成本約6 061元，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析200 m的利用改進(jìn)技術(shù)措施之后的巷道，該段節(jié)約成本約121萬(wàn)元。原設(shè)計(jì)該段回風(fēng)大巷總長(zhǎng)870 m，在采取改進(jìn)支護(hù)結(jié)構(gòu)以及巷道規(guī)格等技術(shù)措施之后可以節(jié)約最少528萬(wàn)元的成本。可見(jiàn)，此次研究方案擁有相當(dāng)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

圖3 應(yīng)力數(shù)據(jù)分析曲線

[1] 賈后省,朱乾坤,趙希棟.深井巷道圍巖分次控制原理與強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2015，43(10):29-33.

[2] 肖福坤,孫豁然.深井巷道圍巖穩(wěn)定性分析[J].中國(guó)礦業(yè),2008，17(5):97-99.

[3] 馮林楊,邢德恩,馬洼.深井巷道支護(hù)技術(shù)應(yīng)用研究[J].山東煤炭科技,2012(2):119-120.

[4] 秦忠誠(chéng),王九利,張望寶,等.深井巷道圍巖支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化研究[J].煤炭技術(shù),2016，35(7):5-7.

[5] 張興權(quán).煤礦深井巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)與研究[J].水力采煤與管道運(yùn)輸,2016(3):15-19.

Research on failure mechanism and supporting technology of roadway in deep mine

HUANG Shaohua

(Shanxi Xinjing Coal Industry Co., Ltd., Yangquan Shanxi 045000, China)

Technical measures of asymmetric arrangement with long bolt and anchor cable supporting are adopted in north wing with return air roadway, in which through the bolt supporting for the first time, and then by way of combined supporting of anchor cable together with W steel belt at the second time. Through the site construction, monitoring, roadway surrounding rock deformation control within the scope of security, it is proved that the supporting scheme is scientific and reasonable.

asymmetric; combined supporting; deformation of surrounding rock

2017-03-21

黃少華，男，1986年出生，2016年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，采煤助理工程師，現(xiàn)從事綜采采煤方面工作。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.04.42

TD82

A

1004-7050(2017)04-0120-03

煤礦工程