榆樹溝煤礦軟巖巷道支護(hù)方案優(yōu)化研究

李艷輝， 霍江虎， 翟召寧， 榮 輝

(1.沽源金牛能源有限責(zé)任公司， 河北 張家口 075100; 2.河鋼礦業(yè)礦山設(shè)計(jì)有限公司， 河北 唐山 063000)

1 工程概況

礦區(qū)位于河北省張家口市沽源縣榆樹溝村北部，井田內(nèi)可采煤層及局部可采煤層自上而下為15煤、14- 1煤、14煤、12煤、3煤。煤層埋深143.42～697.35m，巷道底板巖石以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，泥巖占34%，砂質(zhì)泥巖38%，砂礫巖占13%，粉砂巖占9%，細(xì)砂巖占6%。巖芯呈柱狀，為泥質(zhì)膠結(jié)，砂礫巖局部松散、破碎。

2 原支護(hù)方案

2.1 原支護(hù)方案

在主副井貫通巷道布設(shè)測(cè)站，該巷道為上半圓拱勺下底拱形斷面，巷道設(shè)計(jì)最大掘進(jìn)寬度5 588mm，最大掘進(jìn)高度5 298mm，支護(hù)后凈高3 700mm，凈寬5 000mm，設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)噴、錨索、U型鋼棚聯(lián)合支護(hù)，支護(hù)材料及支護(hù)參數(shù)見表1，巷道支護(hù)斷面如圖1所示。

2.2 巷道表面變形監(jiān)測(cè)

在主副井貫通巷道內(nèi)依次布置5個(gè)測(cè)站，監(jiān)測(cè)巷道圍巖表面變形、深部圍巖位移的情況，測(cè)站布置示意圖如圖2所示。第一階段監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，巷道兩幫和頂板采用錨桿、索錨一次支護(hù)。巷道表面位移累計(jì)位移量和平均移動(dòng)速度如圖3、圖4所示。

綜合各測(cè)站數(shù)據(jù)分析，主副井貫通巷道圍巖變形較大，且大部分測(cè)站圍巖移近量沒有穩(wěn)定，圍巖變形仍在持續(xù)。在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)所設(shè)各測(cè)點(diǎn)圍巖移近量均在220mm以上，最大達(dá)389mm，圍巖平均移近速度在2.8～5.3mm/d。除測(cè)站5外，其余測(cè)站安裝時(shí)巷道已經(jīng)掘進(jìn)完成，測(cè)站1至測(cè)站5布設(shè)時(shí)距巷道開挖時(shí)間依次變近，因此各測(cè)站數(shù)據(jù)顯示，監(jiān)測(cè)時(shí)間距巷道開挖的時(shí)間越短，在固定監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，圍巖累計(jì)變形量越大，圍巖變形速度越快，符合巷道開挖后的穩(wěn)定過程[1]。同時(shí)，測(cè)站1布置于巷道斷面交界處，圍巖變形量與變形速度比測(cè)站2、測(cè)站3略高，這表明巷道斷面越大，圍巖變形量越明顯[2]。

表1 監(jiān)測(cè)巷道支護(hù)材料及支護(hù)參數(shù)表

圖1 巷道支護(hù)斷面圖

圖2 測(cè)站布置示意圖

圖3 各測(cè)站圍巖累計(jì)移近量

圖4 各測(cè)站圍巖平均移近速度

巷道內(nèi)部巖體位移量如圖5所示，距副井筒22.3m處頂板布置深基點(diǎn)位移測(cè)站，共監(jiān)測(cè)100d。期間巷道頂板深部位移持續(xù)增長(zhǎng)，沒有穩(wěn)定，其中0～1m范圍內(nèi)的巖層累計(jì)變形量40mm，0～1.8m范圍內(nèi)的巖層累計(jì)位移量為120mm，0～4m范圍內(nèi)的巖層累計(jì)位移量達(dá)340mm，即0～1m、1～1.8m、1.8～4m范圍內(nèi)的巖層累計(jì)位移量分別占全部位移量的11.7%、23.5%、64.8%。

圖5 巷道內(nèi)部巖體位移量

在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，巷道圍巖持續(xù)變形，除監(jiān)測(cè)期間巷道臥底影響外，變形速度總體趨緩。但巷道仍然沒有穩(wěn)定，巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平炕颈３滞?，變形量大，各測(cè)點(diǎn)圍巖累計(jì)變形量均在220mm以上；巷道圍巖持續(xù)變形，位移量大，圍巖位移主要發(fā)生在4m范圍內(nèi)，目前采用的長(zhǎng)度為6 500mm錨索僅允許產(chǎn)生195mm的延伸，無法滿足巷道圍巖變形特征，應(yīng)采用適應(yīng)圍巖大變形特征的高延伸率支護(hù)材料[3]。

3 巷道支護(hù)方案優(yōu)化

為適應(yīng)榆樹溝煤礦軟巖巷道圍巖持續(xù)變形，總體位移量大的特點(diǎn)，進(jìn)行了支護(hù)材料特性試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果顯示：長(zhǎng)度為4m的φ20mm可接長(zhǎng)錨桿、φ17.8mm錨索、φ15.24mm錨索的最大延伸長(zhǎng)度分別為685mm、135mm、125mm。φ20mm可接長(zhǎng)錨桿的延伸率可以達(dá)到17.1%，分別是φ17.8mm錨索、φ15.24mm錨索的5.1倍、5.5倍。

研究表明，軟弱圍巖巷道支護(hù)宜采用一次支護(hù)讓壓，充分釋放圍巖的變形能，二次支護(hù)提供高強(qiáng)度工作阻力補(bǔ)償軟弱圍巖體因流變而產(chǎn)生的應(yīng)力降低，促進(jìn)圍巖體向長(zhǎng)期強(qiáng)度和巷道穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化，避免巷道圍巖在應(yīng)力狀態(tài)下承載力降低再次失穩(wěn)。高強(qiáng)二次支護(hù)工作阻力通過高強(qiáng)支架提供，因此二次支護(hù)主要考慮能夠提供高強(qiáng)支護(hù)阻力的支架[4]。

基于以上分析，建議采用可接長(zhǎng)錨桿、剛性長(zhǎng)螺紋錨桿等新型支護(hù)材料。

(1)可接長(zhǎng)錨桿采用專用連接頭將兩段桿體對(duì)接而成，連接頭強(qiáng)度與桿體一致，具有比錨索更合理的延伸特性，可以與圍巖協(xié)調(diào)變形，能夠克服錨索延伸率低、圍巖變形后易被各個(gè)擊破的缺點(diǎn)[5]，可接長(zhǎng)錨桿如圖6所示。

圖6 可接長(zhǎng)錨桿

(2)剛性長(zhǎng)螺紋錨桿采用專用連接頭將剛性長(zhǎng)螺紋錨尾與錨桿桿體連接而成，該錨桿的螺紋部分剛性大，不變形，擴(kuò)幫后錨桿螺母可繼續(xù)擰緊，無需重新補(bǔ)打新錨桿。同時(shí)，因?yàn)榧庸さ穆菁y長(zhǎng)，可有效避免錨桿安裝時(shí)因螺紋長(zhǎng)度不夠、難于緊固托盤導(dǎo)致的錨桿報(bào)廢[6]，具體如圖7所示。

圖7 剛性長(zhǎng)螺紋錨桿

基于以上分析，榆樹溝軟弱圍巖巷道建議一次支護(hù)采用可接長(zhǎng)錨桿+剛性長(zhǎng)螺紋錨桿的協(xié)調(diào)支護(hù)技術(shù)，二次支護(hù)采用以工字鋼高強(qiáng)支架為骨架的混凝土充填封閉圍巖的高強(qiáng)支護(hù)體系[7-9]，優(yōu)化后的巷道支護(hù)斷面如圖8所示，支護(hù)材料消耗見表2、表3。

圖8 優(yōu)化后的巷道支護(hù)斷面圖

表2 一次支護(hù)消耗材料對(duì)比表

表3 二次支護(hù)消耗材料對(duì)比表

4 結(jié)論

(1)榆樹溝軟巖巷道一次支護(hù)采用可接長(zhǎng)錨桿+剛性長(zhǎng)螺紋錨桿的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，二次支護(hù)采用以工字鋼高強(qiáng)支架為骨架的混凝土充填封閉圍巖的高強(qiáng)支護(hù)體系。

(2)優(yōu)化后的支護(hù)方案取消錨索，克服了錨索伸長(zhǎng)率低、不適應(yīng)圍巖變形大的弊端，基本消除冒頂隱患；每米巷道減少鉆孔工程量39.1m，提高掘進(jìn)支護(hù)速度；節(jié)省支護(hù)材料，降低支護(hù)成本。

(3)16#工字鋼單位重量的正向承載能力是U29型鋼的2.2倍；工字鋼支架巷道斷面利用率高，每米巷道節(jié)約成本約670元。