三河尖-980m車場巷道破壞機理與控制技術(shù)研究

胡占海

摘要：隨著煤炭開采越來越向深部發(fā)展，巷道圍巖壓力愈來愈大，礦井全斷面來壓巷道的支護與維護問題顯得越來越突出。本文結(jié)合三河尖礦-980m車場巷道具體地質(zhì)情況，重點應(yīng)用了理論分析、現(xiàn)場實踐以及礦壓觀測方法，系統(tǒng)的論述此類巷道圍巖的特征，軟巖巷道破壞的特點，圍巖變形的影響因素，來壓巷道的支護原則及其巷道的維護方法等。針對此類巷道典型特征制定常規(guī)深井軟巖巷道支護施工工藝，并因地制宜地運用到三河尖礦-980m車場巷道上來。

Abstract： With the development of coal mining deeper and deeper， the surrounding rock pressure of the roadway is getting bigger and bigger， and the support and maintenance of the full-section pressure roadway in the mine is becoming more and more prominent. In this paper， combined with the specific geological conditions of the roadway of Sanhejian Mine-980m yard， the theoretical analysis， field practice and mine pressure observation method are applied. The characteristics of such roadway surrounding rock， the characteristics of soft rock roadway failure， the influencing factors of surrounding rock deformation， the support principle of the pressure roadway and the maintenance method of the roadway are discussed systematically. According to the typical characteristics of such roadway， the construction technology of conventional deep soft rock roadway support is established， and it is applied to the Sanhejian Mine-980m yard roadway according to local conditions.

關(guān)鍵詞：巖巷;全斷面來壓;支護工藝

Key words： rock roadway;full section pressure;support technology

中圖分類號：TD353? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）34-0187-03

1? 緒論

對地下礦山開采而言，保證巷道開挖和支護穩(wěn)定是礦山安全高效生產(chǎn)的前提。近年來，隨著礦井開采深度的增加，地壓越來越大、巷道變形急劇加大、巷道底臌及片幫嚴重，支護難度增加，嚴重危害巷道圍巖的穩(wěn)定性和巷道維護，制約深部開采。

徐州礦務(wù)集團三河尖煤礦在面臨這類問題時從巷道變形的機理入手，制定了一套完善的加固修復(fù)方案來對其進行綜合治理。巷道施工完畢后，受采動壓力、水等影響，局部巷道變形、破壞嚴重，底鼓劇烈，巷道處于不穩(wěn)定狀態(tài)中，嚴重影響了礦井的生產(chǎn)。因此，分析研究這類巷道的變形破壞機理，改善圍巖的受力狀態(tài)，提出合理可行的支護控制技術(shù)，使巷道達到最佳支護水平，在保證巷道正常運行的同時，為礦山安全生產(chǎn)，提高礦井經(jīng)濟效益，實現(xiàn)礦井高產(chǎn)高效具有重要的理論意義和實踐價值。

1.1 工程概括

徐州礦務(wù)局三河尖礦南翼采區(qū)采用上下山開拓，車場位于-980m水平，車場巷道基本位于-900～-1000m水平之間。該采區(qū)主要正在開采7#和9#煤層，煤層厚度平均為2.4m，煤層傾角大約為18°;7#煤頂板巖層主要由粉砂巖和粗粒砂巖組成，底板巖層主要由砂質(zhì)泥巖組成，厚大約10m;9#頂板巖層由細粒砂巖構(gòu)成，底板主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖構(gòu)成。-980m水平南翼車場巷道原采用支護方案為：錨網(wǎng)+鋼梯+頂錨索，底板無支護，巷道初始施工完成后，巷道部分段變形破壞嚴重，頂板下沉、底鼓劇烈，并處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

1.2 巷道圍巖變形破壞原因分析

現(xiàn)場調(diào)查表明，現(xiàn)有的支撐結(jié)構(gòu)不能有效地保持巷道穩(wěn)定、不變形，巷道嚴重變形的原因，包括巖性，地下水，地應(yīng)力（包括構(gòu)造應(yīng)力），支護結(jié)構(gòu)、參數(shù)和多種因素的綜合影響。

1.2.1 巖性差對巷道的穩(wěn)定性影響最大

南翼-980m車場巷道頂板和底板巖層主要是砂質(zhì)泥巖，泥巖，巷道幫部圍巖相比頂?shù)装遢^好，但從巷道整體來看，圍巖的巖性較差。由于錨噴支護主要是以發(fā)揮圍巖自身的承載能力來進行支護作用的，所以當圍巖巖性較弱、較差時，錨噴支護對巷道整個支護結(jié)構(gòu)的支護作用就起不到有效的作用，使巷道變形加大。

1.2.2 地下水的作用降低了支護結(jié)構(gòu)的承載能力

部分巷道圍巖中存在大量的裂隙，這大大降低了整體的巖石穩(wěn)定性，由于地下水的存在，一方面是松散散巖體泥化，流變現(xiàn)象顯著;另一方面是大塊的巖塊出現(xiàn)軟化，大大降低了其強度和承載的能力，使得巖塊更容易被破壞，圍巖裂隙加劇發(fā)育程度，從而形成惡性循環(huán)，使巖體特征顯著下降，無法滿足巷道穩(wěn)定的要求。

1.2.3 不合理的支護結(jié)構(gòu)與參數(shù)也影響了巷道圍巖的穩(wěn)定

支護現(xiàn)有的問題：一是采用金屬網(wǎng)的整體性差;二是未對巷道的底角和底板采用有效地加固措施;三是錨桿，錨索對圍巖只起到單一的作用，不能形成整體協(xié)同支護的效果;四是錨桿，錨索預(yù)緊力不足;五是未對圍巖實施有效的封閉措施。

當圍巖松動后，對于錨噴支護而言，特別容易造成端錨錨桿的整體失效，并且只允許少量的極限變形，當達到100～150mm圍巖變形量時，支護結(jié)構(gòu)被破壞，整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

1.2.4 巷道底板巖層穩(wěn)定性差也是造成巷道破壞的一個重要因素

在巷道的每一段中，巷道底板巖層主要是砂質(zhì)泥巖、煤等，由于沒有采取有效的支護措施來對巷道的底角和底板進行支護，所以當巷道頂板壓力較大時，巷道底板圍巖中出現(xiàn)集中應(yīng)力現(xiàn)象，使得巷道底板表現(xiàn)出顯著塑性變形和剪切破壞，底板碎脹、彎曲、流變，底鼓顯著。從而直接影響了巷道的整體穩(wěn)定性，頂板下沉、兩幫內(nèi)擠。

1.3 本章小結(jié)

本章通過對變形巷道的現(xiàn)場調(diào)查，研究了三河尖煤礦-980m車場巷道的變形破壞特征并分析造成此現(xiàn)象的原因，主要得出以下結(jié)論：①三河尖煤礦-980m車場巷道變形破壞的主要形式有：巷道全斷面收縮變形、拱肩剪切變形、底角內(nèi)擠收斂、底鼓。②巷道的變形破壞原因：巷道的頂?shù)装鍘r性較弱，巖層中多含砂質(zhì)泥巖、泥巖，因而圍巖表現(xiàn)出明顯的蠕變和流變特性;地下水的影響，使部分巖體泥化、軟化，降低巖體的強度和承載力;巷道所處的地應(yīng)力環(huán)境差，使部分巷道處于極其不穩(wěn)定的狀態(tài)中;現(xiàn)行的支護問題，不合理的支護結(jié)構(gòu)與參數(shù)，使支護不具有有效性、整體性、協(xié)同性、封閉性。

2? 工業(yè)性試驗方案

根據(jù)前面對巷道破壞原因和不同支護方案的分析，結(jié)合軟巖巷道的控制原理及三河尖礦南翼-980m車場巷道的實際情況，設(shè)計巷道返修支護方案，具體方案設(shè)計如下所示。

2.1 南翼-980m車場巷道返修支護方案

2.1.1 斷面設(shè)計

-980車場水平巷道保持原來設(shè)計的拱形斷面，巷道凈寬4.5m，墻高1.6m，凈高3.85m，支護厚度取150mm，巷道掘進斷面寬4.8m，高4.0m;為了施加底板支護并形成良好結(jié)構(gòu)，設(shè)計巷道底板開挖成底拱結(jié)構(gòu)。

2.1.2 拱形斷面巷道修復(fù)支護參數(shù)

①初次錨網(wǎng)支護參數(shù)。頂板錨桿采用？準22×2200mm的規(guī)格，采用高強無縱筋螺紋鋼制作，錨桿設(shè)計間排距為750mm×750mm，錨桿孔徑為？準28mm，錨固長度大于1000mm，安裝扭矩大于200kN·m;鋪設(shè)的網(wǎng)采用采用8#或10#鐵絲編織的經(jīng)緯網(wǎng)，網(wǎng)格為50mm×50mm;鋼筋梯采用14#圓鋼焊接，噴射混凝土厚度為100mm，強度為C20。

②錨索支護參數(shù)。在巷道高強預(yù)應(yīng)力錨桿的全斷面錨網(wǎng)支護的基礎(chǔ)。頂板的預(yù)應(yīng)力錨索規(guī)格為？準17.8×6800mm（3根），兩幫預(yù)應(yīng)力錨索規(guī)格為？準17.8×4300mm（每幫3根，采用18號槽鋼制作的托盤）錨索之間的距離為1200×1500mm，安排在高強度樹脂錨索之間的兩排，用樹脂端錨，錨固長度不小于1500mm，每排分別設(shè)置九根預(yù)應(yīng)力錨索。

③底拱結(jié)構(gòu)及支護參數(shù)。對底臌嚴重的巷道拉底后，底板中線位置形成拱高600mm的反拱結(jié)構(gòu)，并在底板安裝5根？準20×2000mm的錨桿（或采用？準27×2500mm的自鉆錨桿），錨桿間排距為1000×750mm;橫向布置長4500mm、厚3mm的M型鋼帶，縱向布置兩根16#槽鋼梁（巷中兩邊對稱布置），長1800mm;待錨桿安裝完畢并注漿后用矸石回填。

④底板注漿加固參數(shù)。在底角螺紋鋼錨桿之間插空布置（隔排）內(nèi)注漿錨桿，錨桿孔徑為？準45mm，錨桿孔深不少于1.95m，并與巷道底板呈30°、45°左右的傾角，錨桿間排距為1200×1500mm，錨桿規(guī)格為？準22mm×2000mm，采用4分焊接管扳絲制作;使用中空快硬水泥藥卷和水泥漿封孔，封孔長度不小于1.0m;注漿漿液采用單液水泥-水玻璃漿液，水灰比控制在0.8～1.0，水玻璃的摻量為水泥用量的3～5%;注漿壓力控制在1.0MPa左右，當巷道底板表面出現(xiàn)返漿時，即可停止注漿。

2.2 全斷面錨網(wǎng)+U型鋼聯(lián)合支護方案

當巷道破碎帶并有淋水時，采用在全斷面錨桿+頂錨索支護基礎(chǔ)上，實施帶底拱的29U型鋼支架和注漿聯(lián)合支護的方式。其中巷道頂、幫錨桿及錨索支護設(shè)計參數(shù)同方案一（無底拱結(jié)構(gòu)）;為800mm排距，兩排錨桿之間的架設(shè)。U型鋼由幫部4節(jié)，安裝，幫助成立了第一端和拱的頂部后，兩個六地板組成;支架背后鋼筋采用圓鋼Φ6焊接，80×80mm網(wǎng)格，規(guī)格為500×500的網(wǎng)格，最后再噴60mm厚的混凝土，形成高強度的支撐結(jié)構(gòu)具有一個可伸縮的。

支架之間用連扳相連，以增強支架的整體性，連扳按兩幫各兩道設(shè)置;支架底部加設(shè)一道縱梁，縱梁為14號槽鋼，長度2.5m，由兩根長4.3m的錨索固定。縱梁切近巷道底板布置，縱梁之間切口搭接連成一體，以防止棚腿被巷道幫底部變形擠出，增強支架的整體性和協(xié)同抵抗圍巖變形的能力。

U型鋼架設(shè)以后，設(shè)變形測站對巷道進行收斂變形觀測，并確定注漿時機，當巷道兩幫位移超過50mm時，進行二次錨注加固。注漿錨桿采用？準22mm規(guī)格的無縫鋼管制作，管壁厚度4mm，長度2000mm，間排距為1400×1600mm，并將錨桿和錨索插空布置。

2.3 本章總結(jié)

①南翼-980m車場巷道進行支護返修，巷道保持原先設(shè)計的拱形斷面。拱形斷面巷道修復(fù)，頂板和幫部采用錨網(wǎng)噴支護;底臌嚴重的巷道，拉低，形成反拱結(jié)構(gòu)，并對反拱結(jié)構(gòu)打錨桿，M型鋼帶、槽鋼梁加固，注漿。②巷道破碎并有淋水段，采用全斷面錨網(wǎng)加U型鋼聯(lián)合支護，即在全斷面錨桿加頂錨索支護基礎(chǔ)上，實施帶底拱的29U型鋼支架和注漿聯(lián)合支護的方式。③對南翼-980m車場巷道返修的現(xiàn)場實踐證明，采用錨網(wǎng)索加鋼帶支護，并對底板開挖反拱進行錨注，能有效控制巷道的破壞和變形。

3? 結(jié)論

①通過加強支護，圍巖成為統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)，圍巖頂?shù)装逡平繙p小70%以上，兩幫移近量減小37.5%。巷道圍巖基本穩(wěn)定，底角部位受損已消除，底鼓較小，底角部位的應(yīng)力以基本消除，巷道圍巖控制效果良好。②根據(jù)典型深井軟巖巷道支護方法和三河尖礦-980m車場巷道特殊的圍巖環(huán)境，制定了頂板和幫部采用錨網(wǎng)噴支護;底臌嚴重的巷道，拉低，形成反拱結(jié)構(gòu)，并對反拱結(jié)構(gòu)打錨桿，槽鋼梁加固，注漿支護方式。巷道破碎并有淋水段，采用全斷面錨網(wǎng)加U型鋼聯(lián)合支護，即在全斷面錨桿加頂錨索支護基礎(chǔ)上，實施帶底拱的29U型鋼支架和注漿聯(lián)合支護的方式。礦壓觀測表明該巷道的兩幫變形總體較小，兩幫及頂?shù)装逦灰屏枯^同類型巷道減少75%，而且主要是整體位移。巷道圍巖完整、穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)破壞，支護效果良好。

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