深部軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化與監(jiān)測分析

尹志龍 田春光 楊曉杰

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083; 2.黑龍江龍煤礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司鶴崗分公司，黑龍江鶴崗 154107)

0 引言

煤巷在掘進(jìn)施工的過程中，經(jīng)常會遇到落差較大的斷層構(gòu)造。斷層構(gòu)造造成巷道圍巖性質(zhì)發(fā)生變化、頂板碎裂、支護(hù)困難［1，2］。巷道穿過斷層區(qū)域巖石較破碎。巷道圍巖應(yīng)力集中，壓力較大，頂板管理較困難，給巷道施工帶來較大的難度，造成前掘后修、支護(hù)強(qiáng)度不能滿足安全生產(chǎn)需求的局面［3］。因此，如何快速安全地過大斷層，成為人們關(guān)注的問題。鳥山煤礦軌道大巷在掘進(jìn)中穿過多個(gè)斷層，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、圍巖破碎、裂隙發(fā)育、構(gòu)造應(yīng)力大。常規(guī)的巷道支護(hù)技術(shù)和施工方法難以保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此，必須針對該種特殊情況設(shè)計(jì)出針對性強(qiáng)的支護(hù)方案才能保證巷道的穩(wěn)定。

1 工程概況

鳥山井田8號煤層為本區(qū)的穩(wěn)定可采煤層，全區(qū)分布，發(fā)育良好，煤層厚度2.18 m ～10.38 m，平均6.44 m，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾石0層～4層，一般0層～2層。煤層頂?shù)装逡灾苯禹敒橹鳎享敶沃瑤r性主要為泥巖，局部為粉砂巖，直接頂下零星分布有偽頂，厚0.2 m～0.8 m，老頂分布不連續(xù)，巖性為中、粗砂巖或細(xì)砂巖，厚2.9 m～7.0 m。底板巖性主要為砂質(zhì)泥巖、泥巖，在西南部為粉、細(xì)砂巖，在東北部及東部中段邊緣亦由粉、細(xì)砂巖底板分布，底板厚度1.47 m～4.50 m，頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)成果表

鳥山煤礦的軌道大巷穿過多個(gè)斷層，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，圍巖破碎，裂隙發(fā)育，構(gòu)造應(yīng)力大。巷道原設(shè)計(jì)為矩形斷面，錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。巷道在掘進(jìn)后出現(xiàn)嚴(yán)重的片幫破壞現(xiàn)象，兩幫補(bǔ)打加密錨桿也未能對片幫進(jìn)行有效的控制。巷道頂板泥巖屬于典型的膨脹性軟巖遇水泥化軟化無法與錨固劑有效的粘合使錨索支護(hù)失效。

2 巷道斷面設(shè)計(jì)

2.1 斷面設(shè)計(jì)

軌道大巷圍巖穩(wěn)定性較差，松散破碎易產(chǎn)生塑性變形及蠕變變形，巷道存在的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場的影響使巷道具有較大的多向不穩(wěn)定礦壓，因此應(yīng)采用曲墻拱斷面，可減小作用在兩幫的側(cè)向圍巖壓力，可有效降低頂板的下沉和兩幫的片幫。巷道凈斷面尺寸的確定和常用的巷道斷面基本相同。首先，由運(yùn)輸設(shè)備的尺寸，人行道尺寸以及必要的安全間隙構(gòu)成基本矩形斷面，然后，使該矩形斷面內(nèi)接于馬蹄形曲線內(nèi)，使之既符合《煤礦安全規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定，又盡量提高斷面的利用率。巷道斷面尺寸如圖1所示。

2.2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

巷道支護(hù)斷面見圖2，巷道技術(shù)特征見表2。支護(hù)后的巷道現(xiàn)場見圖3。

表2 軌道大巷支護(hù)技術(shù)特征

3 現(xiàn)場監(jiān)測

3.1 測站設(shè)置

測力計(jì)布置圖見圖4。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

監(jiān)測結(jié)果見圖5～圖9。

通過錨桿受力實(shí)時(shí)監(jiān)測的數(shù)據(jù)表明，錨桿受力變化最大值為17 kN，最小值為1 kN，錨桿受力在達(dá)到峰值后逐漸趨于穩(wěn)定，最大值均沒有達(dá)到設(shè)計(jì)錨固力100 kN，處于安全狀態(tài)。

4 表面位移監(jiān)測

4.1 監(jiān)測方案

選取巷道開挖后的50 m內(nèi)作為監(jiān)測段，共設(shè)置3個(gè)觀測站來測量巷道收斂變形，若發(fā)現(xiàn)有圍巖破損嚴(yán)重的斷面可在此處增設(shè)觀測站。

測站處的觀測斷面設(shè)置3個(gè)收斂量測點(diǎn)，即在兩幫、頂?shù)装甯髟O(shè)一個(gè)測點(diǎn)，參見圖10。方法如下:

1)使用儀器:采用尼康TC-452全站儀，測角精度2″，測距精度±(2 mm+2 ppm)。2)A，B，C三組點(diǎn)的觀測:任意擺儀器測出22號點(diǎn)，A號點(diǎn)，B號點(diǎn)，C號點(diǎn)四個(gè)點(diǎn)的相對點(diǎn)高。以22號點(diǎn)為參照點(diǎn)求出三組點(diǎn)的相對高差，對比每次測出的相對高差觀察頂點(diǎn)的下沉情況。3)三組點(diǎn)兩幫的觀測:任意擺儀器測出B號點(diǎn)，C號點(diǎn)對應(yīng)兩幫點(diǎn)的水平距離(L)及兩幫點(diǎn)的水平夾角(A)，根據(jù)三角形余弦定理算出兩幫點(diǎn)的相對距離(S)。S2=L2左+L2右－2×L左×L右×cosA。

對比每次測出的相對距離來觀察兩幫點(diǎn)的相對位移。

4.2 監(jiān)測結(jié)果及分析

監(jiān)測結(jié)果如圖11～圖22所示。

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示:測站1頂板與兩幫在開挖23 d后變形穩(wěn)定，累計(jì)收斂量均為31 mm;測站2頂板在開挖完成后出現(xiàn)頂板上隆現(xiàn)象，但持續(xù)時(shí)間較短，1 d后開始下沉，30 d后變形趨于穩(wěn)定，累計(jì)下沉量為27 mm。測面兩幫在開挖31 d后收斂量趨于穩(wěn)定，累計(jì)收斂量56 mm;測站3在開挖完成23 d后頂板收斂趨于穩(wěn)定，累計(jì)下沉量達(dá)到35 mm。兩幫在25 d后穩(wěn)定，累計(jì)收斂量為72 mm。

綜合上述分析，巷道在開挖后呈現(xiàn)一定時(shí)間的加速變形，但一般在25 d～30 d左右變形基本穩(wěn)定。頂板、兩幫收斂量分別為35 mm，72 mm。

此外，在大巷1號測站出現(xiàn)兩幫向外輕微擴(kuò)張、2號測站頂板出現(xiàn)輕微的向上隆起、3號測站出現(xiàn)巷道兩幫變形量大等現(xiàn)象，分析認(rèn)為應(yīng)該是不同圍巖條件對巷道斷面的影響造成的，因此，應(yīng)該堅(jiān)持監(jiān)測，根據(jù)圍巖情況靈活優(yōu)化巷道斷面和支護(hù)方案，實(shí)現(xiàn)信息化施工。

5 結(jié)語

1)通過將矩形斷面改為曲墻拱形，減弱了地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場對巷道產(chǎn)生的具有較大的多向不穩(wěn)定礦壓，該斷面可有效降低頂板的下沉和兩幫的片幫。2)通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn):采用錨噴網(wǎng)支護(hù)技術(shù)，可有效改善軟巖巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，防止井巷冒頂與片幫，進(jìn)而穩(wěn)定和控制圍巖松動圈的進(jìn)一步發(fā)展。3)在總結(jié)現(xiàn)有錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，針對深部軟巖巷道的特點(diǎn)，依據(jù)巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)，提出了“工程地質(zhì)資料分析—初始設(shè)計(jì)—現(xiàn)場監(jiān)測—信息反饋—設(shè)計(jì)優(yōu)化”的巷道支護(hù)參數(shù)動態(tài)性、系統(tǒng)性、信息化的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法，將設(shè)計(jì)與監(jiān)測有效的結(jié)合在一起。4)本方案使鳥山軌道大巷支護(hù)平均月單進(jìn)提高36.9 m，直接節(jié)約經(jīng)濟(jì)投資1 026.70元/m。對于減少巷道維護(hù)工作量，增加礦井產(chǎn)量、提高礦井的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益、改善礦井安全生產(chǎn)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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