弱膠結軟巖巷道支護實踐與合理支護形式探討

亓榮強,王 勇

(內蒙古魯新能源有限責任公司, 內蒙古錫林郭勒盟 026321)

弱膠結軟巖巷道支護實踐與合理支護形式探討

亓榮強,王 勇

(內蒙古魯新能源有限責任公司, 內蒙古錫林郭勒盟 026321)

基于弱膠結軟巖巷道變形破壞現狀,簡述了內蒙古魯新礦井 +570 m軌道石門支護實踐,總結了弱膠結軟巖巷道合理的支護形式和支護原則,對于類似條件下的礦井建設具有指導意義。

弱膠結軟巖;巷道變形;支護形式

1 魯新礦井弱膠結軟巖巷道概況

內蒙古魯新礦井煤田屬中生代晚侏羅～早白堊含煤建造體系,賦存于受各級構造控制的陸相含煤盆地中,巖層軟弱,膠結性差,煤礦軟巖多為泥巖、炭質泥巖、砂質泥巖等,其單軸抗壓強度都比較低,普氏系數僅為 0.79～2.0,易風化、怕風、怕水,受施工影響大。

該區層狀分布的地層使得在頂板處易產生離層現象,在自重應力作用下使得頂板破碎,而兩幫變形較頂板小。圍巖自穩時間短,來壓快,要立即支護或超前支護,方能保證巷道圍巖不致冒落。

2 魯新礦井支護狀況

魯新礦井 +570 m軌道石門在施工過程中進行了多次支護實踐。初次支護采用錨網噴支護,錨桿長度 2200 mm,間排距 600 mm ×600 mm,錨固長度700 mm,鋼筋網采用經緯網,Φ6 mm鋼筋,網格間距 100 mm×100 mm。穿過炭質泥巖層時經過一段時間的穩定后,1個月時便表現出明顯的變形增大現象,頂板變形量達到 500 mm以上,同時兩幫變形也在 300 mm以上,變形速率達到 11 mm/d,超出了錨桿支護所允許的極限變形。同時在錨桿支護下出現了托盤內陷現象,如圖1所示。

托盤與噴層之間的脫離以及錨桿陷入圍巖中的現象是由錨桿體系與支護結構和噴層之間的剛度不耦合造成的。在一定的原巖應力作用下,由于巖性軟弱,開挖卸壓后,圍巖隨之發生大變形,并向支護結構施加壓力,這時,錨桿由于剛度較大,其受拉力作用后的伸長量遠小于周圍圍巖向巷道的移近量,造成錨桿內陷現象,同時鋼筋網噴層是柔性支護體,剛度遠小于錨桿托盤體系的剛度,在托盤與噴層交接處的拉剪應力的綜合作用下,噴層內鋼筋網屈服伸長甚至斷裂,導致托盤與噴層脫離,進而使得噴層體系失去支撐,喪失支護能力。

圖1 錨桿內陷現象

后在錨桿支護的基礎上增加了錨索支護,錨索采用Φ15.4 mm的鋼絞線,長度 6000 mm,錨固長度1100 mm,并且增加了鋼筋梯子梁,提高支護的護表能力。支護后巷道變形得到了較大的改善,開挖后10 d時頂板下沉降至 1.5 mm/d左右。分析認為該支護仍無法滿足長期穩定要求,后又增加 29U型鋼可縮性支架支護,間距 800 mm,通過 4個月的監測,巷道變形速率維持在 0.08 mm/d以下,達到了長期穩定性要求。

3 弱膠結軟巖巷道支護對策分析

3.1 巷道支護變形受力情況分析

開挖導致巷道周邊的巖體沿垂直于巷道表面方向的應力卸除,沿巷道切向的應力加大,這樣就使得巷道兩幫豎向承受著壓應力,水平向基本不受力;在頂板處受水平向壓應力,在豎向受到重力作用而產生豎向受拉,并且由于該處巷道圍巖為弱膠結的層狀沉積巖,容易產生離層,導致頂板破碎,而破碎巖體的重力作用在噴層上,首先沿噴層搭接處和錨桿與噴層連接處破壞,如果繼續發展甚至會導致巷道整體不穩定。因此,在弱膠結軟巖巷道支護中應特別重視頂板的維護。

在 +570 m軌道石門施工過程中,施工至煤層與下部泥巖交接處時頂板出現離層,錨桿支護下頂板破碎。后加強了頂板的維護,緊跟迎頭間距 2 m排距 3 m處打 6.0 m長錨索,順利通過了該段巷道。

3.2 弱膠結軟巖巷道合理支護形式探討

通過魯新礦井支護的實踐,認為弱膠結軟巖巷道自穩能力較差,單純的主動支護形式對于提高巷道自身穩定能力有限,很難保證巷道的長期穩定;同時普通的錨桿和錨索支護在變形上不能適應軟巖巷道變形大的特點,而采用主動支護和被動支護相結合的支護形式,能較好地維持巷道穩定。

根據魯新礦井弱膠結軟巖巷道變形的特點,對于弱膠結軟巖巷道支護采取了先 1次主動支護、后2次被動高阻可縮支護的措施,并總結形成了以下支護原則:

(1)前期要加強頂板維護,及早支護,盡量避免頂板離層。

(2)后期要對巷道表面提供足夠大的支護阻力,才能改善巷道表面處圍巖的受力條件,控制巷道的變形量。

(3)盡早進行被動支護。由于弱膠結軟巖巷道自穩時間短,應盡早實施被動支護,保證支護強度。在礦壓監測的基礎上,魯新礦井總結認為在軌道石門軟弱泥巖條件下的 U型鋼支護應在初次支護后3～5 d內支設。

(4)被動支護應該采用高阻可縮的支護方式。一方面提供足夠高的支護阻力;另一方面適應軟巖巷道變形大的特點,防止支護結構過早破壞。高阻力的目的是及早施加較高的支護力,強力限制變形,為弱膠結軟巖巷道變形控制爭取時間;采用可縮性支護是由于剛性支護下支護結構受力較大,增加了對支護結構強度的要求,而可縮性支護結構可允許巷道產生一定量的變形,使支護結構不致由于受力過大而破壞。

4 結 論

魯新礦井 +570 m軌道石門施工 5個月以來,巷道穩定,支護后巷道未出現漿皮開裂等現象,多個斷面的礦壓監測數據顯示,巷道表面變形速率穩定在 0.08 mm/d以下。

通過對魯新礦井弱膠結軟巖巷道的實踐,認為該類巷道支護應該遵循支護 -圍巖受力關系,采取先 1次主動支護、后 2次被動高阻可縮支護的支護措施,在把握原則的基礎上合理施工,完全可以保證巷道穩定,滿足使用和安全要求。

[1]羅 曼.軟巖巷道能量釋放規律與適時支護研究[J].采礦技術,2007,7(3):19-21.

[2]張 浩.礦井深水平軟巖巷道礦壓觀測及聯合支護效果評析[J].煤礦安全,2010,(5).

[3]何滿潮,孫曉明.中國煤礦軟巖巷道工程支護設計與施工指南[M].北京:科學出版社,2004.

[4]張 強.大跨度軟巖巷道的錨注修復[J].采礦技術,2009,9(2).

[5]何滿潮,景海河,孫曉明.軟巖工程力學 [M].北京:科學出版社,2002.

2010-09-11)

亓榮強 (1963-),男,山東萊蕪人,高級工程師,碩士,致力于巷道支護、礦壓觀測及采煤技術研究,Email:zsh_2003_2003@163.com。