松軟破碎圍巖巷道掘進與支護技術研究

摘? 要：為了解決某煤礦煤頂破碎問題，研制了一種新的帶電錨桿。采用預應力錨索對巖體進行加固。從理論上證明了“膨脹錨”和“鐵帶”的支護方案，通過數(shù)值仿真驗證了該支護方案的可行性。從礦山周邊巖體的變形情況來看，本技術支撐方案能較好地滿足煤層巷的安全生產(chǎn)要求。

關鍵詞：松散破碎圍巖;注漿膨脹錨桿;巷道變形;數(shù)值模擬

引言

隨著礦井開發(fā)程度的提高，礦井圍巖失控，頂板破碎等問題時有發(fā)生。錨桿將巷的整體強度增強，但在某些特殊區(qū)域（破壞圍巖），由于預應力不足或損失，常常很難達到礦井的安全要求。

通過對煤層的分析，發(fā)現(xiàn)其上、下均為細砂巖、砂巖、泥巖等。在開挖過程中，由于受施工應力和其他因素的影響，導致巷道圍巖發(fā)生較大的變形，給礦井的正常生產(chǎn)帶來很大的影響。在保證礦井安全、高效的前提下，尋找一種科學、有效的支撐方法。

1.工程地質(zhì)概況

1.1煤層賦存情況

安徽淮北南側的某礦井，煤運輸巷道位于山嶺背斜南西翼，正斷層斜穿過煤田中央，在鄰近處形成褶皺構造。礦體頂部以細砂巖、砂巖、泥巖為主。

1.2原巷道支護情況

煤層巷道在高原應力條件下的變形較大，其圍巖穩(wěn)定性較差，其主要表現(xiàn)為：

（1）"網(wǎng)兜"現(xiàn)象的產(chǎn)生。巷道開挖后，巷道頂部兩側的圍巖往往會向工作面伸出，導致兩條巷道出現(xiàn)較大變形，一些巷道斷面嚴重變形，嚴重影響了巷道的正常使用。

（2）存在著"底鼓"的情況。巷道的直接底板為泥質(zhì)巖石，其強度較差，很難經(jīng)受較大的壓力。當巖石在接近孔表面時，底部的彈性能被釋放出來。

2松軟破碎圍巖巷道支護設計

2.1新型注漿膨脹錨桿設計

采用新型充填式膨脹錨桿，能實現(xiàn)高預應力，確保錨桿的長期穩(wěn)定。在圓臺末端的作用下，螺栓通過套管使膨脹套管的末端膨脹，從而提高螺栓的支承強度。采用灌漿界面，多個孔均勻分布，便于在錨桿四周注漿，使圍巖膠結，提高圍巖支護的穩(wěn)定性;利用相鄰的錨桿，使其與水泥砂漿的粘結強度顯著提高;最終，煤層巷道圍巖的膠結成為一個整體，并與之形成聯(lián)合拱，共同承擔礦井壓力。

2.2巷道圍巖變形破壞機理分析

由于采用了U型鋼棚支護形式，且受巷道開挖的影響，特別是在圍巖較為破碎的情況下，U型鋼棚整體受力不均，容易出現(xiàn)破壞和失效。

2.3巷道支護方案優(yōu)化設計

通過對巷路圍巖及支護結構失穩(wěn)機制的研究，提出采用方案：增強巷路圍巖強度及圍巖強度加固措施，以改善支護結構。填充巷道支承結構與巖體間的間隙會使圍巖中的孔隙減小。依據(jù)以上方法，對巷路支護方案進行了優(yōu)化，使其穩(wěn)定性得到了改善。

3.巷道掘進工藝優(yōu)化

原巷道采用EBZ200帶式掘進機，因其特殊的圍巖狀況及管理問題，在施工過程中，其成巷效率較低。因此，對巷道巖壁的掘進工藝進行了優(yōu)化，并應用了懸臂式掘進機的機械化施工技術。

巷道的開挖方式對巷道的開挖速度及成巷效果有很大的影響，而巷道開挖方式的選取則與巷道的圍巖強度有關。當巖石硬度較小時， 先用截割頭在左下角掏槽后， 向上按S型進行切割;當巖石硬度不同時， 先在較軟位置進行掏槽， 然后再進行全斷面截割;當巖石較硬時， 根據(jù)巖石硬度及節(jié)理裂隙發(fā)育情況綜合確定鉆進深度， 再逐步擴大到全斷面。

巷道底板軟弱導致掘進機行走困難

當?shù)装遢^軟時， 可通過在履帶下墊木板來加強其行走能力， 若底板積水較多， 先進行上部截割， 待截割下來的物料與水混合后再進行下部的截割;在積水較多區(qū)域可隔一段區(qū)域建立蓄水池， 來收集巷道上部流下的泥水， 并通過泥漿泵進行排水。

在進行巷道技術優(yōu)化的同時，必須對巷道進行適當?shù)膬?yōu)化。每一個巷道班組必須做兩次巷道截割。在巷道施工中，采用機械開挖方式替代人工手動作業(yè)，使掘進班組的作業(yè)效率大大提高，掘進速度明顯加快。

4.效果分析

在巷道圍巖開挖時，采用巷道支護技術和輔助開挖技術。在開挖10天后，圍巖的變形速度很快，而且變形速度很快。10天以后，巖體的變形趨于平穩(wěn)，并達到最大。巷道頂?shù)鬃畲笪灰茷?87毫米，兩側最大位移為135毫米，巖體變形以頂板沉降為主。在一個多月的時間里，巷道開挖量已達102m，巷道開挖速率由1.8m/d增加至3.4m/d，巷道開挖速率得到了顯著的改善。通過對圍巖變形的分析，表明圍巖變形控制在可接受的范圍之內(nèi)，圍巖的穩(wěn)定性得到較大改善，采用合理的支護技術和掘進技術，能夠確保其穩(wěn)定。

5.巷道支護參數(shù)模擬分析

FLAC3D數(shù)值模擬軟件FLAC3D在已有煤層賦存條件的基礎上，構建了FLAC3D數(shù)值分析模型，模型的左、右、前、后兩個邊界分別建立變形約束，下側為極限豎向位移，上側為應力邊界，豎向荷載為15MPa，并應用了摩爾-庫侖結構模式。利用現(xiàn)巷支護的數(shù)值仿真方法，對目前巷道支護結構的影響進行研究，為現(xiàn)行的支護設計提供了可靠的理論基礎。

新的支護方案實施后，圍巖的應力分布沒有顯著的改變，而新的支護方案使巷道頂部和兩側的應力發(fā)生了顯著的變化，頂板的應力范圍也比較小。結果表明，這種支護結構比以往的支護方案有更大的提高，由-20MPa降至-15MPa。另外，由于巷道附近巖石對圍壓非常敏感，因此圍護壓力的變化很小，可以大幅度降低河道的變形。

6.巷道支護效果評價

根據(jù)這一支持方案，在航道中每隔25米設一站，設4個站點，對航道的圍巖變形進行監(jiān)測。該方法應用于煤層軟巖巷度100m的工業(yè)試驗。

煤層軟巖巷公路的初始變形率高，施工結束50d后，變形量減小，并趨于平穩(wěn)。在穩(wěn)定性條件下，巷道底板的變形最大，達到300mm，最小的變形達到70mm，左側和右側的變形分別為105mm和120mm。綜上所述，通過優(yōu)化支撐方案，圍巖巷整體變形較小，能夠滿足煤層安全生產(chǎn)的需要。

7結語

為解決礦井大巷圍巖破裂、穩(wěn)定性差的問題，本文對巷道圍巖的變形破壞機理進行了分析，并采用管棚超前支護、注漿補強的技術措施，對巷道施工技術進行了優(yōu)化。通過對工程實例的分析，證明了這種支護技術能有效地改善巷道圍巖的穩(wěn)定。采用優(yōu)化巷道施工技術后，巷道的掘進速度得到了顯著的改善，表明方案的合理性。

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劉偉（1988.7），男，漢族，籍貫甘肅定西，防災科技學院，助理工程師，學士，淮北礦業(yè)集團祁南煤礦234000研究方向：礦井設計及巷道支護