雙網(wǎng)支護(hù)技術(shù)在煤礦巷道支護(hù)中的應(yīng)用研究

姜 慧

（山西省太原市萬柏林區(qū)西山高級(jí)技工學(xué)校， 山西 太原 030053）

引言

煤礦開采過程中，采煤巷道的安全穩(wěn)定對(duì)煤礦開采意義重大。傳統(tǒng)的支護(hù)方法主要是利用錨桿對(duì)采煤巷道圍巖進(jìn)行加固形成完整連續(xù)的加固帶，從而提高采煤巷道周圍煤巖體的穩(wěn)定性，或者采用金屬支架約束巷道周圍煤巖體的變形，減少巷道失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，提高巷道穩(wěn)定性。用錨桿加固巷道圍巖的工藝復(fù)雜，對(duì)松散破碎的巖體適應(yīng)性差；用金屬支架加固巷道圍巖的方法，本質(zhì)上是利用鋼架自身的支撐力約束巷道周圍煤巖體的變形。雙網(wǎng)支護(hù)技術(shù)利用錨桿和兩層鋼筋混凝土對(duì)巷道圍巖進(jìn)行支護(hù)，在采煤巷道周圍應(yīng)力重平衡后，將錨桿植入巷道圍巖，錨桿入土深度根據(jù)巷道所處位置的水土壓力確定，隨著巷道埋深增大、巷道所處位置水文地質(zhì)條件的變化，適當(dāng)增大錨桿的入土深度后將鋼筋網(wǎng)片使用鉚釘固定在圍巖上，固定牢固，分別在第一層和第二層煤巖體上噴涂不同厚度的混凝土，約束巷道內(nèi)松散圍巖的破碎變形[1-3]。雙網(wǎng)支護(hù)技術(shù)廣泛地適用于粉土、黏土等地質(zhì)條件，在增大巷道周圍煤巖體受力整體性的同時(shí)，對(duì)松散破碎的粉土具有很強(qiáng)的約束作用，可以明顯地改善巷道周圍煤巖體的受力環(huán)境，避免因頂板掉落巖石或側(cè)壁片幫導(dǎo)致應(yīng)力集中，極大地提高了采煤巷道的穩(wěn)定性和安全性。

1 雙網(wǎng)支護(hù)技術(shù)的作用機(jī)理

雙網(wǎng)支護(hù)技術(shù)利用錨桿、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，從內(nèi)部增強(qiáng)巷道圍巖的應(yīng)力強(qiáng)度，從外部約束圍巖的破碎變形，形成內(nèi)外結(jié)合的兩道支護(hù)結(jié)構(gòu)。其中，沿巷道植入錨桿的作用是從內(nèi)部增強(qiáng)巷道圍巖的應(yīng)力結(jié)構(gòu)，同時(shí)改善鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力環(huán)境。利用錨桿沿巷道周長在巷道附近的煤巖體內(nèi)形成一道完整穩(wěn)定殼體結(jié)構(gòu)，對(duì)抗巷道所處位置的水土壓力；在巷道內(nèi)，將鋼筋網(wǎng)片使用鉚釘固定在圍巖上，固定牢固后噴射混凝土，形成第二道支護(hù)結(jié)構(gòu)，防止因頂板掉落巖石或側(cè)壁片幫導(dǎo)致應(yīng)力集中，提高采煤巷道煤巖體的整體穩(wěn)定性和安全性。拱形采煤巷道截面上雙網(wǎng)支護(hù)技術(shù)簡圖如圖1 所示。

圖1 拱形采煤巷道截面上雙網(wǎng)支護(hù)的作用簡圖

如圖1 所示，采煤巷道開挖導(dǎo)致巷道周圍應(yīng)力重新分布，待采煤巷道周圍煤巖體受力達(dá)到新的平衡、巷道斷面穩(wěn)定、拱頂松散煤巖體處理后，沿巷道周長植入長度適當(dāng)?shù)腻^桿，在巷道幫部，考慮水土壓力下壓作用，錨桿成一定角度斜向上方植入側(cè)幫，在巷道拱頂，沿弧形拱頂半徑方向植入錨桿。單獨(dú)的一根錨桿ab 植入煤巖體后形成一個(gè)近似菱形的加固區(qū)，在合適的錨桿間距控制下，相鄰的數(shù)個(gè)錨桿的菱形作用區(qū)部分重疊，形成完整的殼型加固帶，在巷道截面上形成穩(wěn)定加固帶，如圖1 所示。圖1 中相鄰錨桿的菱形加固帶部分重疊形成穩(wěn)定的條帶型加固帶AB（圖1 中陰影部分），H 為采煤巷道受到的上覆巖層的水土壓力，錨桿的入土深度根據(jù)巷道所處位置的巖層性質(zhì)、巷道埋深、斷面大小、采煤巷道所處位置的水土壓力、水文地質(zhì)條件等參數(shù)確定。圖1 中CD 為第一層鋼筋網(wǎng)片加固區(qū)，EF 為第二層鋼筋網(wǎng)片加固區(qū)，將第一層鋼筋網(wǎng)片使用鉚釘固定在圍巖上，固定牢固，然后噴射一定厚度的混凝土，待第一層噴射混凝土終凝后，架設(shè)第二層鋼筋網(wǎng)，噴射一定厚度的混凝土，待混凝土終凝后尋找漏水點(diǎn)并進(jìn)行堵漏。第一層鋼筋混凝土主要用來防止菱形加固區(qū)外采煤巷道方向煤巖體的破碎脫落，維持采煤巷道周圍煤巖體的穩(wěn)定。當(dāng)采煤巷道某處頂板或側(cè)幫的煤巖塊從圍巖上脫落時(shí)，第一層鋼筋混凝土在約束巷道變形的同時(shí)，可以通過自身的破斷變形吸收一部分煤巖體變形，避免應(yīng)力和應(yīng)變直接作用在第二層鋼筋混凝土上，起一定的緩沖作用，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性；第二層鋼筋混凝土的剛度和強(qiáng)度應(yīng)大于第一層鋼筋混凝土，作用方向從巷道指向煤巖體內(nèi)部，與水土壓力作用方向相反，起支撐第一層鋼筋混凝土的作用，約束第一層鋼筋混凝土的變形，因此，通常情況下第一層鋼筋混凝土的厚度小于第二層鋼筋混凝土的厚度。單獨(dú)的一個(gè)錨桿形成的加固區(qū)是菱形的，通過設(shè)置適當(dāng)?shù)腻^桿間距，相鄰錨桿的菱形加固區(qū)會(huì)部分重疊形成穩(wěn)定連續(xù)的殼體結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)巷道周圍煤巖體的承壓能力，但是在菱形加固區(qū)重疊部分之外靠近巷道方向存在一塊近似三角形的區(qū)域，錨桿的菱形加固區(qū)無法覆蓋，在上覆巖層水土壓力或沖擊礦壓作用下，容易松散破碎，在破碎點(diǎn)形成應(yīng)力集中，破壞殼體加固區(qū)域完整性和穩(wěn)定性，形成錨桿支護(hù)的的薄弱環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的支護(hù)方法是在錨桿的桿位固定一塊托盤，約束錨桿菱形加固區(qū)外的煤巖體變形，這種方法可以在一定程度上維持殼體結(jié)構(gòu)的完整性，但不能從根本上消除巷道周圍煤巖體松散破碎的現(xiàn)象，錨桿的錨固深度和兩層鋼筋混凝土的噴射厚度與巷道所處位置的水土壓力、水文地質(zhì)等情況有關(guān)，當(dāng)采煤巷道所處位置水土壓力較大或巖石松散破碎時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大錨桿的入土深度，確保錨桿長度超過潛在滑裂面。水土壓力的計(jì)算分為水壓力和土壓力分別計(jì)算及水壓力和土壓力合算兩種，水土壓力合算方法不成熟，對(duì)地層的適用性存在局限性，而且不適用于黏土地質(zhì)。為了采煤巷道的安全穩(wěn)定，采用水壓力和土壓力分別計(jì)算的方法確定采煤巷道所處位置水土壓力，土壓力的計(jì)算如下：

式中：Pa為采煤巷道所處位置的主動(dòng)土壓力，kPa；Pb為采煤巷道所處位置的被動(dòng)土壓力，kPa；qi為采煤巷道上覆煤巖體的重度，kN/m3；hi為采煤巷道上覆煤巖體的厚度，m；Ka為采煤巷道所處位置的主動(dòng)土壓力系數(shù)；Kb為采煤巷道所處位置的被動(dòng)土壓力系數(shù)；C 為采煤巷道所處位置煤巖體的總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

水壓力計(jì)算公式如下：

式中：Pw為采煤巷道所處位置的靜水壓力強(qiáng)度，kPa；hw為采煤巷道所處位置的水頭高度，m；Yw為采煤巷道上覆含水層的水的重度，kN/m3。

從式（1）、式（2）中可以發(fā)現(xiàn)，采煤巷道所處位置的主動(dòng)土壓力與采煤巷道上覆煤巖體的重度、厚度和采煤巷道所處位置煤巖體的總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)成正比例關(guān)系，其中采煤巷道上覆煤巖體的重度取值受地下水位的影響，在地下水位之上的巖層取天然重度，在地下水位之下的取水下重度；采煤巷道所處位置的被動(dòng)土壓力與采煤巷道上覆煤巖體的重度、厚度成正比例關(guān)系。從式（3）中可以發(fā)現(xiàn)，采煤巷道所處位置的靜水壓力強(qiáng)度與采煤巷道所處位置的水頭高度及水的重度有關(guān)，在計(jì)算采煤巷道所處位置的靜水壓力強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)充分考慮地勢高處的含水層與采煤巷道上覆承壓水聯(lián)通的可能性，水頭高度測算時(shí)應(yīng)取最大值并留有裕量，確保采煤巷道安全性。

2 雙網(wǎng)支護(hù)技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用

采用雙網(wǎng)支護(hù)技術(shù)對(duì)某礦+1 200 m 聯(lián)絡(luò)巷道進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)：

1）錨桿采用20 mm 螺紋鋼錨桿，錨桿沿巷道周長和巷道走向呈800 mm×800 mm 布置，在巷道幫部錨桿與兩幫成小于15°向斜上方植入錨桿，兩幫部錨桿長度2 000 mm，在巷道拱頂位置，錨桿沿弧形半徑方向植入錨桿，錨桿長度2 500 mm。

2）鋼筋網(wǎng)片采用6.5 mm 圓鋼加工成4 000 mm×900 mm 鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)孔尺寸150 mm×150 mm，沿采煤巷道掘進(jìn)方向搭接布置，搭接長度不小于100 mm，第一層鋼筋混凝土主要用來防止松散破碎地質(zhì)下采煤巷道周圍煤巖體的破碎脫落，起緩沖作用，設(shè)計(jì)混凝土噴射厚度5 mm，第二層鋼筋混凝土起支撐第一層鋼筋混凝土的作用，約束第一層鋼筋混凝土的變形，設(shè)計(jì)厚度15 mm，分層噴射混凝土，待下層混凝土終凝后噴射上層混凝土。待混凝土終凝后尋找漏水點(diǎn)并及時(shí)進(jìn)行封堵，使用雷達(dá)掃描鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)背后空洞時(shí)及時(shí)進(jìn)行二次注漿，使支護(hù)結(jié)構(gòu)背后密實(shí)，確保其支撐作用。

在該礦+1 200 m 聯(lián)絡(luò)巷道支護(hù)運(yùn)用中的結(jié)果表明，雙網(wǎng)支護(hù)技術(shù)比單一的錨桿支護(hù)或鋼架支護(hù)系統(tǒng)的可靠性更高。植入采煤巷道圍巖的錨桿有效改善了巷道圍巖的應(yīng)力環(huán)境，錨桿加固區(qū)重疊形成的殼體結(jié)構(gòu)極大地提高了采煤巷道的抗壓能力；采煤巷道內(nèi)部的兩層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)能保證錨桿加固區(qū)重疊形成的殼體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性，減少了后期的維護(hù)工作，提高了采煤巷道的安全性。雙網(wǎng)支護(hù)技術(shù)工藝簡單，支護(hù)效果好，能較大提高采煤巷道的安全性和穩(wěn)定性，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)語

將本文設(shè)計(jì)的雙網(wǎng)支護(hù)技術(shù)運(yùn)用于某礦+1 200 m聯(lián)絡(luò)巷道支護(hù)系統(tǒng)中，結(jié)果表明，雙網(wǎng)支護(hù)技術(shù)能充分發(fā)揮錨桿和雙層鋼筋混凝土的支護(hù)作用，提高了采煤巷道的安全性和穩(wěn)定性，具有一定的實(shí)用性。