高應(yīng)力軟巖巷道成功實(shí)現(xiàn)一次支護(hù)的實(shí)踐探索

劉新文 馮紅耀

煤礦井巷設(shè)計(jì)施工中,經(jīng)常遇到具有流變性和膨脹性的各種松軟巖體。傳統(tǒng)工藝基本都是采用硬巖巷道支護(hù)技術(shù),針對一次支護(hù)出現(xiàn)的問題進(jìn)行二次支護(hù)修復(fù),面臨著巷道經(jīng)常出現(xiàn)前掘后垮、多次采動巷道圍巖和反復(fù)維修巷道等維護(hù)困難問題,硬巖巷道支護(hù)一般不允許圍巖進(jìn)入塑性狀態(tài),而高應(yīng)力軟巖巷道的獨(dú)特之處就是其巨大的變形能必須以某種形式釋放出來,允許圍巖進(jìn)入塑性狀態(tài)。因而在一般硬巖巷道采用的錨噴網(wǎng)、砌碹等單一的支護(hù)技術(shù)手段,在高應(yīng)力軟巖巷道往往不能解決問題,巷道處于多次返修但仍很難維護(hù)的窘境。因此改變傳統(tǒng)工藝的思路——增加或是改變軟巖巷道開挖階段的變形空間,釋放圍巖中存在的變形能是解決高應(yīng)力環(huán)境下軟巖巷道支護(hù)問題的關(guān)鍵。

1 高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的原則

1)改善圍巖力學(xué)性質(zhì),充分發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力,盡量避開高地應(yīng)力區(qū)。2)加強(qiáng)錨網(wǎng)的強(qiáng)度和剛度,以增強(qiáng)圍巖表面約束能力,限制破碎區(qū)向縱深發(fā)展。3)適時進(jìn)行二次支護(hù)且二次支護(hù)適當(dāng)?shù)乜刂棋^網(wǎng)的強(qiáng)度,保證初期支護(hù)具有一定的柔性,在巷道不失穩(wěn)的前提下,允許圍巖有較大的變形,讓其充分地釋放能量。4)實(shí)現(xiàn)深部高應(yīng)力軟巖巷道厚壁支護(hù)。a.采用全長錨固全螺紋鋼等強(qiáng)錨桿;b.采用錨索加固,增加圍巖自承圈厚度;c.改變支護(hù)結(jié)構(gòu),在巷道的兩底腳增加斜拉錨桿或巷道底板開挖成反底拱形并錨噴(梁)支護(hù),從而形成完整的、封閉的支護(hù)整體。5)嚴(yán)格控制超挖量,減少對圍巖的擾動。

2 松動放矸卸壓支護(hù)方案設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬

結(jié)合以上提出的設(shè)計(jì)原則,根據(jù)控制高應(yīng)力軟巖巷道大變形的理論分析,并針對目前軌道石門采取的支護(hù)方式,主要考慮了以下四種方案:方案1:單一工字鋼拱形支架支護(hù);方案2:錨網(wǎng)噴加錨索支護(hù);方案 3:拱形支架、松動放矸卸壓;方案4:全封閉圓形支架+全斷面松動放矸卸壓。

工字鋼支架參數(shù):彈性模量E=200 GPa,慣性矩 I=2.37e-6 m4,橫截面積為2.5e-3 m2,密度d=7 800 kg/m3,寬度為0.15 m。錨桿支護(hù)參數(shù):間距為850 mm,橫截面積為3.14e-4 m2,彈性模量 E=100 GPa,屈服力為17.35 kN,粘結(jié)力為2 000 kN/m,粘結(jié)剛度為1.5 GPa。

設(shè)計(jì)模擬過程為:巷道按照設(shè)計(jì)斷面開挖后,沿著巷道周邊架設(shè)拱形支架(并采用梁單元模擬支架支護(hù)),計(jì)算200時步后停止,主要是為了模擬巷道開挖后在卸壓前圍巖發(fā)生的變形,然后沿著支架四周松動放掉一定范圍的圍巖(松動范圍500 mm),使圍巖與支架之間有一定的變形空間,釋放圍巖的變形能,從而實(shí)現(xiàn)巷道周邊(除了底板)松動放矸卸壓。

針對秦源煤礦目前井下的支護(hù)類型,僅給出拱形支護(hù)和全斷面支架支護(hù)的數(shù)值模擬模型,即方案3和方案4放矸卸壓前后的數(shù)值模型,分別如圖1,圖2所示。

3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及分析

數(shù)值模擬結(jié)果從頂板下沉量、底鼓量、兩幫最大移近量等三方面展開,其計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同支護(hù)方案圍巖控制效果 mm

數(shù)值分析結(jié)果表明,采用全封閉圓形支架+全斷面松動放矸卸壓技術(shù)后,能使巷道圍巖淺部的高應(yīng)力轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)離巷道的深部,巷道處于相對較低的應(yīng)力區(qū)中。不但能有效控制兩幫及頂板的初期劇烈變形,而且巷道兩底角及底板經(jīng)過松動放矸卸壓后,消除了這些部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象,兩底角和底板處的圍巖變形大幅度減小,控制巷道底鼓的效果也非常明顯。

4 實(shí)際操作施工工藝研究

秦源煤業(yè)有限公司的煤層屬于三軟煤層,開采深度400 m左右。煤層頂板為砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、中細(xì)砂巖互層,一般4 m～5 m,最大厚度22.5 m,巖石較松軟,易破碎塌陷。煤層底板為泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖,致密塊狀。

在上述地質(zhì)條件下,針對一次支護(hù)方式結(jié)合原有掘進(jìn)工藝提出了一種分步有控的卸壓支護(hù)方式:即巷道掘進(jìn)時緊跟迎頭打設(shè)頂板錨桿保證安全,架設(shè)棚式支架,當(dāng)圍巖變形擠壓支架時,每次都主動松動放掉一定厚度的圍巖,使圍巖與支架之間留有一定的變形空間,使高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移,并控制放掉圍巖的次數(shù),調(diào)整圍巖的變形空間,從而可以控制圍巖變形能的釋放,并將其作為高應(yīng)力軟巖巷道的一次支護(hù)方式。

最終形成了全斷面錨網(wǎng)噴+錨索+圓形鋼梁聯(lián)合支護(hù)的施工工藝,具體如下:

1)采用光面爆破掘進(jìn),使巷道成行規(guī)整,減少對圍巖的工程擾動,必要時,對圍巖進(jìn)行注漿加固;

2)掘進(jìn)后立即噴射一層厚度為30 mm～50 mm的混凝土,及時封閉圍巖;

3)及時打錨桿掛網(wǎng),錨桿長度在1.6 m～2.4 m之間,且長短結(jié)合,底板錨桿長度為1.6 m,并全部使用全螺紋鋼等強(qiáng)錨桿全長錨固,二次噴射混凝土;

4)安裝圓形鋼梁可縮性支架,鋪鋼筋網(wǎng)及隔離層;

5)進(jìn)行架后充填,充填材料可用煤矸石粉或者砂袋;

6)用混凝土澆筑底板。

5 結(jié)語

根據(jù)秦源煤業(yè)有限公司軌道石門采用上述施工工藝的運(yùn)營情況分析,人為放矸預(yù)留支架與圍巖之間的空間結(jié)構(gòu),保證變形能向預(yù)留空間傳遞釋放,防止了變形能往圍巖縱深發(fā)展,減少了一次支護(hù)后的巷道維修工作,也說明了主動或是預(yù)留變形空間更有利于高應(yīng)力環(huán)境下軟巖巷道的一次支護(hù)和后期維護(hù)。

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