砂墩子煤礦猴車巷支護(hù)技術(shù)研究與工程實(shí)踐

米建強(qiáng)

摘要： 針對砂墩子煤礦猴車巷巷道兩幫受壓變形明顯、巷道支護(hù)工程量大等問題，為達(dá)到最大限度地保障安全生產(chǎn)、提高掘進(jìn)速度和控制圍巖穩(wěn)定的目的，決定優(yōu)化既有巷道支護(hù)方案。通過巷道破壞變形分析、圍巖地質(zhì)力學(xué)測試和動態(tài)信息支護(hù)設(shè)計法，提出了三種支護(hù)方案，采用“錨網(wǎng)索梁噴”支護(hù)，優(yōu)化了支護(hù)方案，在后期的工程實(shí)踐中，取得了良好的效果。

Abstract： In view of the problems that the compressive deformation of the two sides of Houche Lane roadway of Shadunzi Coal Mine is obvious and roadway support requires large constructin quantity， and in order to ensure production safety， improve the tunnelling speed and control the surrounding rock stability， we decided to optimize the existing roadway support scheme. Through roadway destruction deformation analysis， surrounding rock geological mechanics test and dynamic information supporting design method， three support schemes are put forward. Wire mesh cable beam spray support is used to optimize the support scheme and good effect has been achieved is the later construction.

關(guān)鍵詞： 開拓巷道；支護(hù)優(yōu)化；地質(zhì)力學(xué)測試；錨桿支護(hù)

Key words： roadway opening；support optimization；geological mechanics test；bolting

中圖分類號：TD353 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）09-0114-03

1 工程背景

砂墩子煤礦猴車巷沿4號煤層頂板掘進(jìn)，是為礦井北1采區(qū)、北2采區(qū)和南翼采區(qū)通風(fēng)、運(yùn)人服務(wù)的永久性巷道，巷道北側(cè)為集中輔運(yùn)大巷，南側(cè)為S4001回采工作面，巷道直接頂以砂質(zhì)泥巖為主，遇水易軟化、遇風(fēng)易泥化，故該巷道初始設(shè)計參照與其地質(zhì)條件相近的集中輔運(yùn)大巷的支護(hù)設(shè)計采用了錨網(wǎng)索噴+29U鋼聯(lián)合支護(hù)（如圖1）。在巷道施工了400m后經(jīng)實(shí)地觀測后發(fā)現(xiàn)該支護(hù)變形量大尤其是靠近S4001回采工作面幫變形嚴(yán)重，且巷道支護(hù)密度過大、工程量大、成本高，嚴(yán)重威脅安全生產(chǎn)，影響掘進(jìn)進(jìn)度和采掘銜接?；诖吮疚耐ㄟ^綜合考慮巷道圍巖性質(zhì)、實(shí)地測試垂直、水平應(yīng)力和巷道南北兩幫壓力不平均的實(shí)際情況提出新的支護(hù)方法以求支護(hù)科學(xué)性和安全性，達(dá)到減少巷道掘進(jìn)量、減化勞動強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率的目的。

2 原支護(hù)方案及破壞變形分析

2.1 原支護(hù)方案

斷面為半圓拱（如圖1），采用29U型鋼+錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)，錨桿選用Φ22×2400mm左旋無縱筋螺紋鋼，間排距1000×900mm；錨索采用？覫18.96×6300mm鋼絞線，間排距1600×1800mm；雙金屬網(wǎng)采用？覫6.5mm圓鋼制作；29U型鋼棚，棚間距900mm，；噴射混凝土強(qiáng)度為C20，噴漿厚度321mm。

2.2 分析

①原支護(hù)方案采用聯(lián)合支護(hù)，該支護(hù)方案支護(hù)剛度較大但對整體支護(hù)強(qiáng)度的提高不明顯，未考慮砂墩子煤礦猴車巷水平應(yīng)力較大、兩幫壓力不平均的實(shí)際條件從而未對巷道幫部支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)，而且巷道左幫靠近S4001回采工作面，礦壓顯現(xiàn)更加明顯。

②一次錨網(wǎng)支護(hù)錨桿間排距過大、預(yù)緊力低導(dǎo)致總體支護(hù)強(qiáng)度不高，造成大斷面巷道破壞變形，加之原有錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)設(shè)計存在不合理，使部分錨桿隨著圍巖變形或失效，從而未能形成完整的錨固結(jié)構(gòu)。

③二次架棚支護(hù)屬被動支護(hù)且支護(hù)前前巷道圍巖已發(fā)生破壞，已超出巷道有效控制的最佳時期，架棚時背幫背頂不實(shí)、噴漿支護(hù)滯后等都對巷道圍巖體的加速破壞變形提供了空間，最終導(dǎo)致二次架棚支護(hù)依然未能有效控制圍巖穩(wěn)定[1-2]。一次支護(hù)與二次支護(hù)不協(xié)調(diào)，這種僅僅考慮加強(qiáng)巷道支護(hù)剛度不考慮有效控制圍巖穩(wěn)定的支護(hù)思路不適應(yīng)目前的支護(hù)要求。

3 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測試

測點(diǎn)位于軌回聯(lián)巷，該處距猴車巷直線距離為30m，測點(diǎn)處巷寬3.7m，巷道3.5m，埋深413m，U鋼+錨網(wǎng)索支護(hù)。

3.1 測試的第一項(xiàng)是圍巖結(jié)構(gòu)觀測，采用電子鉆孔窺視儀進(jìn)行觀測，其結(jié)果如圖2及表1所示。

4#煤層底板以粉、細(xì)砂巖為主，局部為中、粗砂巖。

3.2 測試第二項(xiàng)是地應(yīng)力測試，根據(jù)測試，其具體結(jié)果如表2所示。

根據(jù)判斷標(biāo)準(zhǔn)0～10MPa為低應(yīng)力區(qū)，10～18MPa為中等應(yīng)力區(qū)，因此判斷所測區(qū)域應(yīng)力區(qū)域應(yīng)力場從量級上劃分屬于中等應(yīng)力值區(qū)域。

從測試結(jié)果來看，測點(diǎn)最大水平應(yīng)力大于垂直主應(yīng)力，測點(diǎn)最大水平應(yīng)力方向?yàn)镹36.2°W，在進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計和巷道破壞原因分析時應(yīng)該考慮應(yīng)力場類型和最大水平應(yīng)力方向的綜合影響作用。

3.3 測試第三項(xiàng)是圍巖強(qiáng)度測試，地應(yīng)力測試結(jié)束后，在測控中利用WQCZ-56型圍巖強(qiáng)度測試裝置對頂板以上及巷幫10m范圍內(nèi)的煤巖體進(jìn)行原位強(qiáng)度測試，測試數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)計、分析和換算后得到該測點(diǎn)頂板和煤體強(qiáng)度分布情況如圖3、圖4。

4 新支護(hù)方案

4.1 支護(hù)參數(shù)確定的依據(jù)

臨近工作面類似巷道現(xiàn)有支護(hù)狀況和地質(zhì)條件、地質(zhì)資料以及地質(zhì)力學(xué)測試數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬計算結(jié)果、現(xiàn)有科技成果和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[3-5]。

4.2 數(shù)值模擬計算及方案對比

結(jié)合猴車巷組采掘條件及地質(zhì)力學(xué)測試結(jié)果，建立數(shù)值計算模型。進(jìn)行了三個方案的模擬計算，分別為：

方案一：頂板錨桿間排距800×800mm，幫錨桿間排距800×800mm，幫錨索排距900mm，左右兩幫各一根。

方案二：頂板錨桿間排距900×900mm，幫錨桿間排距900×900mm；幫錨索排距900mm，左幫兩根，右?guī)鸵桓?/p>

方案三：頂板錨桿間排距1000×1000mm，幫錨桿間排距1000×1000mm，幫錨索排距1800mm。

從表3中可以看出，當(dāng)錨桿間排距較小時，控制變形有一定的效果，間排距變大時，變形隨之變大，幫錨索對控制兩幫的變形起到重要作用；但錨桿間排距過小會導(dǎo)致支護(hù)成本增加、掘進(jìn)速度變慢，因此應(yīng)取合理的支護(hù)密度，使得支護(hù)經(jīng)濟(jì)合理，而變形量又在可控范圍內(nèi)。結(jié)合表中變形量數(shù)據(jù)，選擇方案二作為最佳方案。

4.3 新支護(hù)方案參數(shù)設(shè)計

根據(jù)方案二結(jié)果可知，一次錨網(wǎng)索噴支護(hù)即可有效保持圍巖穩(wěn)定，因此新設(shè)計方案采用“錨-網(wǎng)+索+梁+噴”支護(hù)形式，其設(shè)計如圖5所示，支護(hù)參數(shù)如下：

①巷道掘進(jìn)方案及斷面：巷道斷面呈矩形，掘進(jìn)寬5.3m，掘進(jìn)高3.75mm，沿4#煤層頂板掘進(jìn)。

②錨桿參數(shù)：錨桿間排距為900×900mm，矩形布置，錨桿為22#左旋無縱筋螺紋鋼，長度2400mm，采用兩支樹脂錨固劑，一支規(guī)格為MSCK2335，另一支規(guī)格為MSK2360，錨固力不低于127kN，預(yù)緊力300N·m。

③錨索參數(shù)：幫錨索長度4300mm，靠近回采面的幫部（即左幫）打設(shè)兩根，分別距底板1000mm、2500mm，遠(yuǎn)離回采面一側(cè)（即右?guī)停┟颗乓桓?，距?000mm，排距1800mm，在無頂錨索排打設(shè)，錨索預(yù)緊力要求達(dá)到250kN。頂錨索長度6300mm，間排距1800×1800mm，采用一支MSCK2335樹脂錨固劑和兩支MSK2360樹脂錨固劑，錨索張拉要求達(dá)到300kN。

④網(wǎng)片參數(shù)：10#鐵絲金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格50×50mm，網(wǎng)片搭接100mm，用16#鐵絲聯(lián)接，雙絲雙扣，孔孔相連。

⑤錨桿托梁參數(shù)：錨桿托梁采用Φ12mm鋼筋焊制的托梁，托梁橫梯采用雙鋼筋滿焊加工，要求錨桿限位孔中心距900mm。錨桿托梁將沿同一斷面的錨桿成排連接，呈橫向布置。

⑥噴漿支護(hù)：國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)都表明，噴層一般在100～300mm之間。當(dāng)噴層厚度小于100mm時，由于材料的收縮而常常導(dǎo)致噴層的滲水和結(jié)構(gòu)的破壞，故新支護(hù)方案選取噴漿厚度為150mm。

5 實(shí)踐效果觀測

新支護(hù)效果觀測結(jié)果見表4。

6 結(jié)論

①針對砂墩子煤礦猴車巷在巷道支護(hù)方面存在的主要問題，通過現(xiàn)場測試、理論分析、現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)等手段，系統(tǒng)地分析了圍巖地質(zhì)力學(xué)狀態(tài)、巷道圍巖變形破壞的原因、優(yōu)化支護(hù)材料剛度和強(qiáng)度匹配和支護(hù)參數(shù)，提高了支護(hù)系統(tǒng)的合理性，實(shí)現(xiàn)一次支護(hù)、保持巷道圍巖穩(wěn)定，大大減少了掘進(jìn)量、支護(hù)量和工人的勞動強(qiáng)度，大幅加快了巷道掘進(jìn)速度，保障了礦井掘進(jìn)銜接。

②支護(hù)設(shè)計經(jīng)本次優(yōu)化后，在巷道掘進(jìn)過程中圍巖迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，基本避免了巷道“前掘后修、反復(fù)維修、套棚修復(fù)”的局面，由此大大降低了巷道的維修工程量和維護(hù)費(fèi)用，屬于一項(xiàng)安全工程、效益工程。

③本次支護(hù)設(shè)計優(yōu)化采用高預(yù)應(yīng)力一次支護(hù)系統(tǒng)，在保證錨桿（索）支護(hù)系統(tǒng)的可靠性的同時，大幅減少了支護(hù)密度和勞動強(qiáng)度，提高了巷道圍巖支護(hù)可靠性，避免了巷道長期連續(xù)的變形與破壞，杜絕了冒頂事故的發(fā)生，最大程度地保證了巷道支護(hù)的安全，為礦井安全生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

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