弱膠結(jié)軟巖巷道支護(hù)技術(shù)研究

崔跟生

(陽泉煤業(yè)集團(tuán) 大陽泉煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)概況

查干淖爾煤礦副井落底標(biāo)高+858 m，風(fēng)井落底標(biāo)高+837.5 m，埋深200 m，采用主斜、副立混合開拓，全井田劃分為1個(gè)水平，水平設(shè)在2煤，可采煤層：2S2、2Sl、2、2Xl、2X2煤層，主采煤層：2煤，次要可采煤層為2S2煤，其他3層煤均為局部可采不穩(wěn)定煤層。采煤方法與采煤工藝：2S2煤為一次采全厚，2煤為綜采放頂煤及分層綜采采煤方法。該礦煤田為一套山間湖沼相含煤沉積地層，煤層盆地中間厚，向盆緣迅速變薄直至尖滅。主要煤(巖)層綜合柱狀圖見圖1.

1.2 圍巖特性

通過對該區(qū)弱膠結(jié)軟巖巖性分析可知，水對圍巖巖石的物理力學(xué)性質(zhì)具有較大的影響，巖性也有很大的變化，遇水的條件下軟巖表現(xiàn)出更加明顯的變形、流變和易擾動特性。應(yīng)明確含水層的位置，加強(qiáng)對含水段的預(yù)防，以減少水對圍巖影響造成的破壞[1-3].

2 巷道原支護(hù)及破壞狀況

礦井的主要巷道設(shè)在2號煤層中，為中生代白堊紀(jì)地層，成巖年代較晚，巖層膠結(jié)性較差，煤層頂、底板主要以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主。目前主要進(jìn)行的是2煤輔運(yùn)大巷和2煤回風(fēng)大巷的施工，但是由于對侏羅-白堊系弱膠結(jié)軟巖認(rèn)識不足，在水平巷道的支護(hù)中，還沒有形成有效的支護(hù)方法，造成施工緩慢，返修現(xiàn)象嚴(yán)重。

2.1 輔運(yùn)大巷支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞

目前，2煤輔運(yùn)大巷(西翼)已掘進(jìn)施工至159.3 m位置，鋪底至131 m位置。巷道初期設(shè)計(jì)支護(hù)形式為錨網(wǎng)噴+U36聯(lián)合支護(hù)，但在輔運(yùn)大巷掘進(jìn)到67 m處，巷道后方多處出現(xiàn)了嚴(yán)重變形破壞，初始設(shè)計(jì)已不能滿足支護(hù)要求。經(jīng)研究決定，借鑒主斜井支護(hù)方法，確立了鋼管砼支架+錨網(wǎng)+強(qiáng)力抗拉網(wǎng)+網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)的高強(qiáng)度支護(hù)方案，對巷道破壞段進(jìn)行返修及下一步掘進(jìn)施工。

鋼管混凝土支架規(guī)格為西194 mm×10 mm淺底拱型，棚距0.7 m，并沿巷道軸方向鋪設(shè)長3 000 mm、寬1 500 mm、厚5 mm的鋼板，以保證巷道底板的整體性，初次鋪底厚度700 mm，強(qiáng)度為C40，支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較大。

目前，在巷道返修段和迎頭掘進(jìn)中已按此方案進(jìn)行施工，施工中嚴(yán)格按照正規(guī)循環(huán)作業(yè)，目前已取得了一定的效果。但在輔運(yùn)大巷(西翼)134.8～143 m巷道段，因地壓較大，底梁出現(xiàn)了明顯變形，底板出現(xiàn)不同程度的上鼓變形，并且變形速度較快，在兩天內(nèi)部分支架底梁上鼓已達(dá)1.5 m. 而且由于底鼓變形量過大，有多個(gè)底梁出現(xiàn)斷裂，部分巷道段出現(xiàn)沿中間部位整體折斷現(xiàn)象。

圖1 主要煤(巖)層綜合柱狀圖

在后路輔運(yùn)大巷西翼115～131 m段巷道底板發(fā)生較大的變性破壞，底鼓現(xiàn)象明顯，并且變形速度很快。在115～135 m處巷道的底板出現(xiàn)了較大裂縫，同日帶拖拉架稍微有些傾斜，部分底梁斷裂，軌道和皮帶拖拉架嚴(yán)重傾斜，已經(jīng)影響正常施工，底板裂縫較大，并且是從中部鼓起。在輔運(yùn)大巷西翼125 m左右處底板上鼓高達(dá)1.7 m，被迫再次停止施工，進(jìn)行設(shè)備拆除。

2.2 回風(fēng)大巷支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞

2煤回風(fēng)大巷現(xiàn)已施工至222 m，在0～50 m段初始支護(hù)設(shè)計(jì)采用12#礦工字鋼+錨網(wǎng)噴支護(hù)形式；在50～165.5 m段改進(jìn)設(shè)計(jì)，調(diào)整為U36支架+錨網(wǎng)索噴+壁后水泥漿聯(lián)合支護(hù)；施工至165 m處，揭露一個(gè)落差為17 m的正斷層，于169 m處完全揭露，見斷層后，加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度，從165.5 m位置開始采用鋼管混凝土支架+網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)形式，其鋼管支架為西194 mm×12 mm淺底拱型支架，棚距0.7 m，同時(shí)在底板增加錨索束，并沿巷道軸方向鋪設(shè)5 mm×900 mm×3 000 mm的鋼板以增加支護(hù)的整體性，底梁上鋪設(shè)一層d20 mm×250 mm鋼筋網(wǎng)，鋼筋保護(hù)層為100 mm，鋪底厚為1 244 mm，強(qiáng)度為C40，同時(shí)底板做水窩攔水防止底板水流向迎頭，減少水對圍巖的影響，按此支護(hù)方案已掘進(jìn)施工至222 m.

在回風(fēng)大巷成巷約2個(gè)月后，在后路177～194 m段巷道右?guī)统霈F(xiàn)底板開裂、上鼓現(xiàn)象。為保證安全次日即進(jìn)行臥底返修，但在開挖臥底過程中底板泥巖膨脹速度迅速，人工無法挖到設(shè)計(jì)深度，同時(shí)巷道兩側(cè)出現(xiàn)開裂，底梁發(fā)生明顯彎曲現(xiàn)象。而回風(fēng)大巷188～200 m段底鼓變形速度也明顯加快，局部變形已經(jīng)超過1 m腰線位置，位于2煤回風(fēng)大巷183 m處右側(cè)兩架棚腿出現(xiàn)斷開，而且底板鋼筋嚴(yán)重變形，需要對該巷道變形嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行重新支護(hù)設(shè)計(jì)。

3 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

3.1 支護(hù)方案研究

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析，巷道變形嚴(yán)重段采用加強(qiáng)支護(hù)：一次高強(qiáng)、均勻讓壓，先柔后剛、柔讓適度；二次強(qiáng)剛、阻抗防水，強(qiáng)化圍巖、整體穩(wěn)定。在支護(hù)(事件)、時(shí)間、空間(位置)三者關(guān)系上達(dá)到最佳結(jié)合[4-5].

軟巖巷道的變形破壞往往是從局部開始的，支護(hù)不僅要有高強(qiáng)度，更要有整體穩(wěn)定性。

1) 巖巷一次支護(hù)。

根據(jù)巖層情況可選用錨網(wǎng)噴+可縮性U型鋼支架+抗阻樁方式。無法鉆錨桿孔時(shí)，用射釘槍發(fā)射釘固定鋼筋網(wǎng)。其工藝順序?yàn)椋簢娚?0 mm厚砼—錨網(wǎng)或射釘鋪網(wǎng)—復(fù)噴50 mm厚混凝土—立即架設(shè)可縮性U型鋼支架—在巷道兩側(cè)鉆孔安裝抗阻樁進(jìn)行礦壓觀測，待巷道進(jìn)入緩慢變形階段時(shí)即采用加強(qiáng)支護(hù)。

2) 巖巷加強(qiáng)支護(hù)。

加強(qiáng)支護(hù)采用圈梁封閉支架+圍巖錨注加固+讓壓、防水、混凝土復(fù)合反底拱方式。選用12號礦用工字鋼圓形封閉雙排梁結(jié)構(gòu)形式。該支護(hù)結(jié)構(gòu)具有較高的強(qiáng)度和剛度，在封閉圈梁連接處設(shè)有硬質(zhì)膠墊；在封閉圈梁外均衡架設(shè)100～150 mm厚的緩沖讓壓層；圍巖錨注加固采用高強(qiáng)螺旋式注漿錨桿和高強(qiáng)高壓注漿錨索。混凝土復(fù)合反底拱采用爐渣混凝土可壓縮層+納米防水層+混凝土剛性層。

3.2 支護(hù)參數(shù)

在巷道破壞嚴(yán)重區(qū)段，結(jié)合圍巖條件通過理論計(jì)算確定支護(hù)參數(shù)：

1) 自鉆式螺旋錨桿：長度2 000 mm；錨桿間距1 000 mm，排距500 mm.

2) 頂板錨索束：巷道頂部正中、兩肩(拱部45°處)各布置錨索束1組，每組由3根鋼絞線組成，鋼絞線規(guī)格d17.8 mm，錨索束長度8 000 mm，間距2 000 mm，排距1 000 mm. 采用單液水泥漿注漿，水灰比0.6，摻加1.0%的高效早強(qiáng)減水劑，注漿壓力1.5 MPa. 設(shè)計(jì)錨索束預(yù)應(yīng)力100 kN×3=300 kN.

3) 金屬網(wǎng)：采用d6.5 mm鋼筋制作，網(wǎng)格100 mm×100 mm，網(wǎng)片1 200 mm×600 mm.

4) 礦用工字鋼U形支架：礦用工字鋼圓形支架由4塊12號礦用工字鋼拼接而成，重量31 kg/m，每架540 kg，4條螺栓連接，連接處墊10 mm厚硬質(zhì)橡膠，以緩沖壓力。

5) 底板抗阻錨索束：在巷道底板設(shè)置3組抗阻錨索束，中部一組，兩側(cè)距幫部200 mm各一組，幫部錨索束向墻幫傾斜15°.抗阻錨索孔徑75 mm，內(nèi)裝3根d17.8 mm鋼絞線組成錨索束，錨索束長度8.0 m，設(shè)計(jì)錨索束預(yù)應(yīng)力100 kN×3=300 kN，排距1 000 mm，錨索束用砂漿灌注。錨索束托盤為250 mm×250 mm×20 mm鋼板。

4 支護(hù)效果分析

在對該礦弱膠結(jié)軟巖巖巷支護(hù)加固的同時(shí)，進(jìn)行了礦壓監(jiān)測，通過采集現(xiàn)場實(shí)際數(shù)據(jù)來觀測支護(hù)情況。

1) 巷道表面位移監(jiān)測。

巷道表面位移包括巷道兩幫收斂變形量、頂?shù)装迨諗孔冃瘟?、頂板下沉量和底鼓量。巷道表面位移采用測槍、卷尺進(jìn)行測量。

2) 錨桿、錨索受力監(jiān)測。

通過對錨桿錨索受力大小的檢測，可以宏觀地了解錨桿錨索工作狀態(tài)，判斷巷道圍巖應(yīng)力狀況，從而確定巷道的穩(wěn)定性與安全性，判斷錨桿錨索在支護(hù)設(shè)計(jì)中的合理性，為支護(hù)設(shè)計(jì)提供實(shí)際理論數(shù)據(jù)。本次監(jiān)測采用泰安科大洛賽爾傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)的錨桿、錨索測力計(jì)、智能檢測儀，測力計(jì)MGH-200(MGH-300)、智能檢測儀GSJ-2A.監(jiān)測曲線圖見圖2.

圖2 監(jiān)測曲線圖

由圖2可知，通過錨噴與架設(shè)U型鋼支架的一次支護(hù)，改善了巷道圍巖的整體性，提高了整體強(qiáng)度，兩幫收斂變形與頂板位移量都被控制在一定范圍內(nèi)，并沒有持續(xù)增長。加強(qiáng)支護(hù)采用了圈梁封閉支架與圍巖錨注加固的支護(hù)形式，均勻讓壓并采用了混凝土復(fù)合反底拱方式，增強(qiáng)了圍巖強(qiáng)度，防止了冒頂與底鼓的發(fā)生。巷道表面的收斂變形量、錨桿錨索測力計(jì)數(shù)據(jù)顯示均在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)變化，這驗(yàn)證了本支護(hù)方案設(shè)計(jì)參數(shù)在工程實(shí)踐中的合理性與可行性，能夠維持弱膠結(jié)軟巖巖巷的長期穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

本文針對查干淖爾礦輔運(yùn)大巷、回風(fēng)大巷變形嚴(yán)重的問題，對礦區(qū)的水文地質(zhì)條件、圍巖特性進(jìn)行分析，得出巷道屬于弱膠結(jié)軟巖巷道。結(jié)合“一次高強(qiáng)、均勻讓壓，先柔后剛、柔讓適度；二次強(qiáng)剛、阻抗防水，強(qiáng)化圍巖、整體穩(wěn)定”的原則對巷道支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為查干淖爾礦類似的弱膠結(jié)軟巖巖巷支護(hù)設(shè)計(jì)起到了一定的參考作用。