廖學東,昝趙瓊
(1. 安徽理工大學能源與安全學院,安徽 淮南 232001;2. 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室,安徽 淮南 232001)
軟巖巷道支護,歷來是巷道工程的難題,尤其是動壓影響下軟巖巷道穩(wěn)定控制問題,更是煤礦安全生產(chǎn)亟待解決的關(guān)鍵性技術(shù)之一[1-2]。國內(nèi)外很多專家學者對動壓軟巖巷道支護問題進行了大量的研究[3-8],解決了很多現(xiàn)場實際問題,但是由于煤礦井下地質(zhì)環(huán)境的不同,動壓影響下的軟巖巷道的支護問題也變的更加復雜。因此,對動壓軟巖巷道支護問題需要結(jié)合特定的煤礦井下地質(zhì)環(huán)境進行系統(tǒng)的研究,才能提出合理的支護技術(shù),從而保證煤礦的安全生產(chǎn)。
本文通過對某礦一采區(qū)軌道上山進行現(xiàn)場勘測,分析了該軟巖巷道在動壓影響下圍巖變形失穩(wěn)機理,提出了合理的支護措施,得到了有效的支護結(jié)果,對該礦的安全生產(chǎn)具有重要的意義,同時給類似條件的軟巖巷道及動壓軟巖巷道支護提供參考和借鑒。
某礦一采區(qū)布置三條上山,其中軌道上山、運輸上山、回風上山均為巖石巷道,測試段軌道上山埋深為470~520m,巷道平均傾角為10°,試驗巷道總長約290m。 軌道上山為直墻半圓拱形巖石巷道,斷面規(guī)格:凈寬×凈高=4000mm×3400mm,凈斷面11.75m2,原設計采用“錨噴+錨索”聯(lián)合支護,錨桿規(guī)格為Ф×L=22mm×2400mm,株排距=700mm×1000mm;錨索規(guī)格為Ф×L=18mm×6300mm,每排在中頂及腮頰處布置三根錨索,株距為1.6m,排距為1.4m;內(nèi)鋪設鋼筋網(wǎng),鋼筋網(wǎng)采用橫徑×縱徑=6mm×10mm的橢圓鋼加工而成,網(wǎng)格為100mm×100mm;噴射混凝土強度等級為C20,噴厚為100mm。巷道受工作面采動影響,巷道出現(xiàn)不同程度的破壞,頂部出現(xiàn)剪切破壞,漿皮炸開掉落,部分頂部可見金屬網(wǎng),一些錨桿和錨索失效,兩幫變形量約300~1000mm,頂板變形量約300mm,底鼓量約1200mm,有些地段已返修2~3次,每次返修后,巷道變形量依然較大,無法滿足使用條件。
根據(jù)該礦對該段巷道長期礦壓和巷道表面位移的監(jiān)測結(jié)果,可以得出以下結(jié)論。
1) 巷道圍巖變形量均較大,變形速度快、延續(xù)時間長,存在流變特性。巷道返修后變形速率為10~50mm/d,變形持續(xù)時間一般在4~5個月,甚至更長;圍巖變形量在300~1400mm,尤其是底鼓變形量較大,一般在400~1200mm。該段巷道表面位移變形曲線如圖1所示。
圖1 巷道變形曲線
2) 巷道支護結(jié)構(gòu)大量破壞,頂部漿皮出現(xiàn)剪切破壞,說明巷道圍巖水平應力較垂直應力要大,部分可見金屬網(wǎng),錨桿、錨索部分失效,巷道修復后效果仍不佳,不能保持長時間穩(wěn)定。
通過對鉆孔巖樣分析,該段巷道兩幫和頂板主要為泥質(zhì)砂巖,底板主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖。對巖樣進行實驗室力學試驗,試驗結(jié)果見表1。
表1 巖石力學參數(shù)
由表1可知,泥質(zhì)砂巖試件的單軸抗壓強度最大為29.32MPa,最小為24.19MPa;泥巖試件的單軸抗壓度最強大為19.73MPa,最小為16.64MPa。根據(jù)我國支護專家對煤礦軟巖的分類[1],軟巖的單軸飽和抗壓強度≤30MPa。因此,試驗結(jié)果表明該段巷道屬于軟巖巷道,且巷道圍巖強度較低。
目前,圍巖松動圈測試方法有多種,主要有鉆孔電視法、聲波法、多點位移計量測法、地質(zhì)雷達探測法等[9-10]。
本試驗采用鉆孔電視法,利用YTJ-20型巖層探測記錄儀對該段巷道圍巖松動圈范圍進行測定,測定結(jié)果如圖2所示。
圖2 巷道圍巖松動圈大小(單位:m)
由圖2可知,巷道左幫的松動圈范圍在1.9~2.3m,巷道右?guī)偷乃蓜尤Ψ秶?.6~2.2m,頂板松動圈范圍為2.0~2.2m。根據(jù)巷道支護圍巖松動圈分類[1],巷道圍巖松動圈>1.5m時屬于大松動圈圍巖,因此該試驗巷道屬于大松動圈圍巖。巷道左幫松動圈范圍比右?guī)退蓜尤Ψ秶源?,頂板和拱肩松動圈較大。
根據(jù)研究分析可知,該段巷道圍巖失穩(wěn)機理如下所示。
1)巷道圍巖主要為泥質(zhì)砂巖、泥巖。由于圍巖強度等力學性能較差,在巷道支護結(jié)構(gòu)選擇不合理的情況下,巷道圍巖巖體較易破碎,且變形具有流變特性,當前的支護形式不能有效控制圍巖的變形,進而導致支護破壞。
2)巷道開掘會導致圍巖應力重新分布,巷道周圍會形成范圍或大或小的松動圈,由于工作面開采的動壓影響,圍巖中出現(xiàn)集中應力,集中應力進一步重新分布,在沒有得到有效治理的情況下,圍巖松動圈的范圍進一步擴大,即巷道圍巖內(nèi)破碎巖體的范圍較原來要大,圍巖出現(xiàn)強度衰減的特性,圍巖的力學的參數(shù)也進一步惡化,且巷道如此反復,最終導致支護體破壞失效,巷道失穩(wěn)。
通過對巷道圍巖失穩(wěn)機理的分析,針對該段巷道,要增加圍巖強度,提高圍巖的自承載能力,同時改進目前的支護形式,有效的控制巷道圍巖的變形,進而防止巷道失穩(wěn)。因此,采用錨網(wǎng)噴+錨索+底板錨桿+全斷面注漿聯(lián)合支護技術(shù)進行返修。
全斷面均采用高性能左旋螺紋桿錨桿,幫、頂錨桿規(guī)格為Ф×L=22mm×2400mm,株排距=700mm×700mm;底板錨桿規(guī)格為Ф×L=22mm×2000mm,株排距為1000mm×700mm;錨索規(guī)格為Ф×L=18mm×6300mm,每排在中頂及腮頰處布置三根錨索,株距為1.6m,排距為1.4m;兩幫錨索規(guī)格為Ф×L=18mm×4800mm,排距為1.4m,內(nèi)鋪設鋼筋網(wǎng),鋼筋網(wǎng)采用橫徑×縱徑=6mm×10mm的橢圓鋼加工而成,網(wǎng)格為100mm×100mm;噴射混凝土強度等級為C20,噴厚為100mm 。支護結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 巷道支護結(jié)構(gòu)(單位:mm)
巷道沿軸向采用深、淺孔注漿交錯布置方式加固圍巖,先淺孔注漿,后深孔注漿。
5.3.1 淺孔注漿
巷道幫、頂淺孔注漿孔間距1500mm,底板注漿孔間距為1000mm,幫、頂注漿管采用中空特種鋼制成的注漿錨桿,底板采用普通鋼管,規(guī)格均為Φ25mm×1500mm;巷道底角處采用中空特種鋼制成的注漿錨桿,規(guī)格為Φ25mm×3500mm,巷道水溝側(cè)距底板500mm,另一側(cè)距底板300mm,傾斜向下布置,與水平線的夾角30°。注漿材料類型為單漿液,選用P.O 42.5硅酸鹽水泥。水灰比0.8~1.0,注漿壓力控制在1.0MPa左右。注漿孔布置如圖4所示。
圖4 淺孔注漿孔布置(單位:mm)
5.3.2 深孔注漿
巷道幫、頂深孔注漿孔間距1500mm,底板注漿孔間距為1000mm,幫、頂注漿管采用中空特種鋼制成的注漿錨桿,底板采用普通鋼管,規(guī)格均為Φ25mm×3000mm;巷道底角處采用中空特種鋼制成的注漿錨桿,規(guī)格為Φ25mm×3500mm,巷道水溝側(cè)距底板500mm,另一側(cè)距底板300mm,傾斜向下布置,與水平線的夾角30°。注漿材料類型為單漿液,選用P.O 52.5硅酸鹽水泥。水灰比0.5~0.6,注漿初期壓力控制在3.0MPa左右,待注漿一定時間后,調(diào)整注漿壓力至5MPa,并要求穩(wěn)壓 5MPa 10 min以上。注漿孔布置如圖5所示。深、淺孔排距為2000mm,如圖6所示。
圖5 深孔注漿孔布置(單位:mm)
巷道修復后,設4個表面位移監(jiān)測站,利用徠卡手持激光測距儀對圍巖表面變形進行測量。圖7為2#、3#測站巷道表面位移收斂情況。
圖6 深淺注漿孔相對位置(單位:mm)
圖7 修復后巷道表面位移收斂曲線
監(jiān)測結(jié)果顯示:巷道返修后監(jiān)測期間,圍巖變形速率一般在0~1mm/d,最大約2mm/d,頂板變形量為50~80mm,兩幫變形量為 90mm左右,底鼓量為90~100mm,巷道修復后2個月左右圍巖變形趨于穩(wěn)定,巷道整體穩(wěn)定性增強。
1) 分析可知,軟巖巷道力學性能較差,工作面開采等動壓對其影響,巷道圍巖體極易破碎,形成較大的松動圈;在巷道底板沒有支護的的情況下,底臌變形量遠大于頂板變形量和兩幫變形量。
2) 采用錨網(wǎng)噴+錨索+底板錨桿+全斷面注漿聯(lián)合支護技術(shù),有效減小巷道松動圈的大小,提高巷道圍巖整體性,改善了巷道圍巖力學性能,為錨桿支護提供了有效的著力基礎,達到巷道圍巖和支護結(jié)構(gòu)協(xié)同承載的目的,有效控制了巷道圍巖變形。
3) 在對動壓軟巖巷道進行支護時,首先應了解巷道圍巖力學性質(zhì)及變形特征,然后合理選擇支護結(jié)構(gòu),使之與巷道圍巖力學特征相適應。
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