＋786 m水平車場(chǎng)交岔點(diǎn)支護(hù)與施工工藝研究

呂兆海趙長(zhǎng)紅張藝耘王 震岳曉軍

(1.神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,寧夏回族自治區(qū)銀川市,750004; 2.西安科技大學(xué)能源學(xué)院,陜西省西安市,710054)

＋786 m水平車場(chǎng)交岔點(diǎn)支護(hù)與施工工藝研究

呂兆海1,2趙長(zhǎng)紅1張藝耘1王 震1岳曉軍1

(1.神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,寧夏回族自治區(qū)銀川市,750004; 2.西安科技大學(xué)能源學(xué)院,陜西省西安市,710054)

清水營(yíng)煤礦井田屬弱－中等富水性,二煤頂?shù)装鍘r層導(dǎo)水性好、富水性強(qiáng),大巷交岔點(diǎn)施工難度較大,易變形破壞失穩(wěn),基于錨網(wǎng)索耦合支護(hù)設(shè)計(jì)思路,在工程地質(zhì)條件綜合分析和地質(zhì)力學(xué)評(píng)估前提下,提出大巷交岔點(diǎn)采用拱形斷面及錨噴＋錨索＋可縮性鋼支架的支護(hù)工藝,有效解決了交岔點(diǎn)變形、破壞問(wèn)題。

巷道交岔點(diǎn) 巷道支護(hù) 聯(lián)合支護(hù) 施工工藝

針對(duì)傳統(tǒng)支護(hù)設(shè)計(jì)方法和施工過(guò)程中的不足,從巷道富水頂板變形破壞機(jī)理入手,提出錨網(wǎng)索耦合支護(hù)＋鋼支架支護(hù)設(shè)計(jì)的思路,采取經(jīng)濟(jì)有效的支護(hù)方式解決清水營(yíng)煤礦大巷交岔點(diǎn)支護(hù)難題,降低了支護(hù)成本,避免了巷道的返修。

1 概況

清水營(yíng)煤礦副立井＋786 m水平車場(chǎng)巷道主要布置在二煤頂、底板中,部分巷道穿二煤煤層。二煤頂板巖性總體由粗粒砂巖構(gòu)成,次為粉砂巖、泥巖。厚度為0.57～71.09 m,平均11.55 m,偽頂主要發(fā)育于井田南部,巖性以泥巖為主,厚度小于0.5 m;底板巖性以粉砂巖為主,次為細(xì)粒砂巖及泥巖,厚度0.53～21.14 m,平均5.06 m,一般小于5 m;頂板的侏羅系上統(tǒng)安定組－中統(tǒng)直羅組裂隙孔隙含水層(III)厚度3.4～372.33 m,平均厚度127.12 m,層位較穩(wěn)定、滲透性強(qiáng)及導(dǎo)水性好。該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、煤巖層結(jié)構(gòu)松散、節(jié)理裂隙發(fā)育、抗壓強(qiáng)度低,具有可塑性、膨脹性、崩解性,屬于軟巖范疇。二煤為黑色塊狀,半暗型煤,弱瀝青光澤,節(jié)理及裂隙發(fā)育,平均厚度5.74 m。＋786 m水平車場(chǎng)一號(hào)巷道交岔點(diǎn)埋深615 m,巷道斷面最大寬度10.763 m,最大高度7.3 m。二煤頂?shù)装逑锏绹鷰r承載力5～12 MPa,為膨脹粘土巖類。頂?shù)装鍘r層強(qiáng)度及水理性、交岔點(diǎn)巖性分別如表1、圖1所示。

表1 頂?shù)装鍘r層強(qiáng)度及水理性

圖1 交岔點(diǎn)層位柱狀圖

2 交岔點(diǎn)破壞特征及受力分析

2.1 交岔點(diǎn)破壞特征

富水頂板交岔點(diǎn)圍巖變形是圍巖性質(zhì)、地下水影響、圍巖應(yīng)力分布、工程體相互擾動(dòng)等綜合作用下的巖層彎曲、流變的綜合反映。交岔點(diǎn)巖柱作為交岔點(diǎn)區(qū)域應(yīng)力最集中的部位,反復(fù)受主巷及支巷施工擾動(dòng)、破壞及交接巷道頂板卸壓區(qū)和兩幫的支承壓力區(qū)相互疊加影響,造成巖柱處噴漿層開(kāi)裂、變形、底臌。

2.2 交岔點(diǎn)受力分析

＋786 m水平井底車場(chǎng)埋藏較深,壓力相對(duì)較大;巷道頂板滲透性強(qiáng)、導(dǎo)水性好,為富水性較強(qiáng)含水層,頂板淋水加速圍巖弱化是導(dǎo)致交岔點(diǎn)失穩(wěn)主要誘因。另外大巷交岔點(diǎn)存在跨度大,二次施工擾動(dòng)、破壞影響。根據(jù)交岔點(diǎn)圍巖應(yīng)力分布符合多工程體并存特征,將交岔點(diǎn)內(nèi)的主、支巷近似看作圓形斷面工程體,根據(jù)克斯特納方程,則極限平衡區(qū)的范圍Rp為:

式中:Rp——交岔點(diǎn)極限平衡區(qū)的范圍,m;

C——內(nèi)聚力,取4.63 MPa;

φ——內(nèi)摩擦角,取35.7°;

γ——巖石容重,取24.0 k N/m3;

H——交岔點(diǎn)埋深,取615 m;

R0——主(支)巷周圍劇烈影響半徑,m;

r0——主(支)巷的外接圓半徑,取2.7 m。

將各數(shù)據(jù)代入式(1)、(2),計(jì)算得主(支)巷周圍劇烈影響的范圍為7.3 m,交岔點(diǎn)極限平衡區(qū)的范圍為13.14 m。

由于交岔點(diǎn)內(nèi)主支巷之間最小距離為500 mm,相鄰距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于主(支)巷周圍劇烈影響的范圍,因此在主、支巷的相互影響下,造成交岔點(diǎn)周邊極限平衡區(qū)范圍較主(支)巷影響范圍明顯增大,交岔點(diǎn)周邊產(chǎn)生的切向壓力集中系數(shù)明顯集中,交岔點(diǎn)周圍地壓明顯增大,加劇了交岔點(diǎn)變形破壞。

3 交岔點(diǎn)支護(hù)對(duì)策

巷道開(kāi)挖后破碎區(qū)范圍內(nèi)圍巖壓力以松動(dòng)壓力為主,而彈塑性區(qū)范圍內(nèi)圍巖壓力以變形壓力為主。交岔點(diǎn)支護(hù)不僅要對(duì)破碎區(qū)內(nèi)圍巖進(jìn)行加固,同時(shí)要抑制塑性區(qū)變形發(fā)展。

巖柱作為交岔點(diǎn)支護(hù)的關(guān)鍵部位,通常采用噴漿封閉已破碎的圍巖而形成,此時(shí)巖柱的支撐強(qiáng)度大大降低,嚴(yán)重影響交岔點(diǎn)頂板圍巖的整體強(qiáng)度。所以,交岔點(diǎn)巖柱必須采用高強(qiáng)度的混凝進(jìn)行澆筑,確保自身及圍巖整體強(qiáng)度滿足支護(hù)要求。

因此,富水頂板交岔點(diǎn)的支護(hù)過(guò)程必須依據(jù)分區(qū)支護(hù)、剛?cè)嵯酀?jì)、及時(shí)封閉、緩沖讓壓、重點(diǎn)加強(qiáng)的原則選擇支護(hù)方案和工藝,提高交岔點(diǎn)的穩(wěn)定性。

3.1 巷道錨網(wǎng)噴支護(hù)及可縮性鋼支架支護(hù)

采用錨網(wǎng)噴支護(hù)及可縮性鋼支架對(duì)破碎區(qū)圍巖進(jìn)行加固。錨桿支護(hù)主要承受松動(dòng)巖體或冒落巖體重量。U29型鋼支架豎向承載能力較大,自穩(wěn)性較高,有利于控制交岔點(diǎn)圍巖松動(dòng)變形。根據(jù)普氏平衡拱理論,交岔點(diǎn)潛在冒落高度(破碎厚度)為:

式中:b——潛在冒落高度,m;

a——巷道有效高度一半,取1.7 m;

ky——頂板巖層完整性系數(shù),取0.5;

fr——頂板普氏系數(shù),取3.0;

α——巖層傾角,取12°;

c——擠壓破碎深度,取1.47 m。

將各數(shù)據(jù)代入式(3),計(jì)算得交岔點(diǎn)潛在冒落高度為2.07 m,因此,錨桿長(zhǎng)度定為2500 mm。

交岔點(diǎn)采用錨帶網(wǎng)＋鋼支架聯(lián)合支護(hù),全斷面支護(hù)采用?20 mm×2500 mm左旋無(wú)縱筋錨桿,間排距800 mm×800 mm,錨桿預(yù)緊力矩大于200 N·m,錨固力大于50 k N。可縮性鋼支架采用U29型鋼,間距800 mm,每架支架由4節(jié)組成,搭接長(zhǎng)度0.6 mm,采用卡纜連接,滑動(dòng)阻力大于230 k N。為提高支架的穩(wěn)定性,每個(gè)鋼支架安設(shè)7組聯(lián)接板,腿部打設(shè)鎖腿錨桿。

錨索錨固可穿過(guò)破裂區(qū)、塑性變形區(qū),錨入原巖應(yīng)力區(qū)堅(jiān)固巖層,對(duì)塑性區(qū)內(nèi)圍巖進(jìn)行加固,使塑性區(qū)圍巖釋放彈性變形能,并抑制其圍巖變形破壞。根據(jù)相關(guān)條件經(jīng)相關(guān)公式得到錨固長(zhǎng)度大于2.5 m,錨索長(zhǎng)度大于5.12 m,即選用?17.8 mm ×8300 mm錨索,間排距2000 mm×2000 mm可滿足支護(hù)要求。破斷力大于260 k N,預(yù)緊力120～230 k N,每根錨索用5節(jié)MSK23/70樹(shù)脂藥卷。

3.2 巷道交岔點(diǎn)巖柱支護(hù)

交岔點(diǎn)由于受主巷、支巷多次施工擾動(dòng),造成交岔點(diǎn)巖柱圍巖破碎,支撐強(qiáng)度大大降低。保持巖柱的穩(wěn)定性對(duì)交岔點(diǎn)頂板圍巖整體強(qiáng)度極其重要,在施工過(guò)程中對(duì)長(zhǎng)度2 m范圍內(nèi)的巖柱采用混凝土進(jìn)行加固,混凝土強(qiáng)度大于C30,保證巖柱的完整性和支撐強(qiáng)度;2 m范圍外采用錨網(wǎng)噴＋鋼支架支護(hù)。

3.3 交岔點(diǎn)施工工藝

交岔點(diǎn)整體采用臺(tái)階法工藝施工,即先施工上部臺(tái)階,再施工下部臺(tái)階。上下臺(tái)階的分界線位于拱基線下100～200 mm位置,上下臺(tái)階相距3～5 m。交岔點(diǎn)施工工藝見(jiàn)圖2,按圖2中Ⅰ部分、Ⅱ部分、Ⅲ部分的順序首先施工上部臺(tái)階,每循環(huán)0.8 m,待拱部爆破后在臨時(shí)支護(hù)下及時(shí)進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)并噴漿封閉,隨后施工錨索。待臺(tái)階長(zhǎng)度滿足施工要求后退回,再第二次按Ⅰ部分,Ⅱ部分,Ⅲ部分、Ⅳ部分的順序施工下部臺(tái)階并用混凝土澆筑交岔點(diǎn)巖柱,完成交岔點(diǎn)整體施工及初次支護(hù)后方可架設(shè)可縮性鋼支架、張緊錨索并噴漿成巷。

圖2 交岔點(diǎn)施工工藝

3.4 工程效果評(píng)價(jià)

該支護(hù)方案在＋786 m水平井底車場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)施,通過(guò)近3個(gè)月的礦壓監(jiān)測(cè),交岔點(diǎn)處表面位移和底臌量控制在允許范圍內(nèi),未出現(xiàn)開(kāi)裂及底臌;巷道兩幫的最大位移量30 mm,頂?shù)装遄畲笠平?5 mm。

4 結(jié)論

(1)交岔點(diǎn)圍巖變形是圍巖性質(zhì)、地下水、圍巖應(yīng)力分布、工程體相互擾動(dòng)的耦合作用,其應(yīng)力分布呈多工程體并存特征,交岔點(diǎn)周邊極限平衡區(qū)的范圍明顯增大,切向壓力明顯集中,加劇了交岔點(diǎn)變形破壞。

(2)對(duì)巷道交貧點(diǎn)附近采取分區(qū)支護(hù)進(jìn)行加固,即對(duì)圍巖松動(dòng)區(qū)采用 錨網(wǎng)噴支護(hù)＋鋼支架,彈(塑)性區(qū)范圍采用預(yù)應(yīng)力錨索,交岔點(diǎn)巖柱采用澆筑混凝土的支護(hù)方案是可行的。由支架、錨索、錨網(wǎng)噴支護(hù)組成的聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)形式具有較好的整體性、穩(wěn)定性,較強(qiáng)的承載力和抗變形能力,能夠滿足交岔點(diǎn)硐室的長(zhǎng)期穩(wěn)定需要。

[1] 邱天德,程子厚.深井井底車場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性分析及合理形式確定[J].中國(guó)煤炭,2014(7)

[2] 呂兆海,閆學(xué)忠,朱海魚(yú)等.掘進(jìn)巷道過(guò)含水?dāng)鄬铀Ψ治黾笆┕すに嘯J].中國(guó)煤炭,2014(3)

[3] 周敏,黃興,時(shí)凱.深井井底車場(chǎng)高地應(yīng)力硐室群穩(wěn)定性分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2012(2)

[4] 祁和剛.煤巷交岔點(diǎn)大斷面聯(lián)合支護(hù)研究[J].礦山壓力與頂板管理,1997(3/4)

[5] 郭志飚.煤礦深部Y型大斷面交岔點(diǎn)雙控錨桿支護(hù)技術(shù)及工程應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010 (29)

[6] 李鳳儀等.巖體開(kāi)挖與維護(hù)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2003

[7] 張建華,翟錦,呂兆海.富水軟巖巷道變形分析及控制研究[J].煤炭工程,2013(5)

[8] 王鐵牛.三軟煤層底板巖巷變形分析與加固技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2012(5)

[9] 趙長(zhǎng)紅,丁學(xué)福,張忠凝.清水營(yíng)煤礦軟巖巷道支護(hù)實(shí)踐[J].煤礦安全,2013(3)

(責(zé)任編輯 張毅玲)

Study on intersection supporting and construction technology ofthe＋786m level shaft station

Lv Zhaohai1,2,Zhao Changhong1,Zhang Yiyun1,Wang Zhen1,Yue Xiaojun1
(1.Shenhua Ningxia Coal Group Co.Ltd.,Yinchuan,Ningxia 750004,China; 2.School of Energy Engineering,Xi＇an University of Science&Technology,Xi＇an,Shaanxi 710054,China)

Qingshuiying Coal Mine has weak-medium water-rich property,the roof and floor rock of 2＃coal has good water conductivity and strong water-rich property,the intersection of main roadway is difficult in construction,unstable easily to deformate and breaking.Based on the ideas of the bolt mesh cable coupling support design and in a comprehensive analysis of the engineering geological conditions and evaluation of geological mechanic premise,the intersection of main roadway using the supporting technique including arched section and bolt spray-anchor-retractable steel stent,which solved the questions of the intersection deformation and breaking.

intersection of roadways,roadway support,combined support,construction technology

TD353

A

呂兆海(1980－),男,寧夏靈武人,工程師,博士,主要從事采礦工程和采空區(qū)衍生災(zāi)害預(yù)報(bào)研究。