高應力松軟圍巖煤倉失穩分析及聯合支護技術

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高應力松軟圍巖煤倉失穩分析及聯合支護技術

張鵬

(中煤平朔集團 山西小回溝煤業有限公司,山西太原030400)

摘要針對高應力松軟圍巖煤倉失穩破壞面臨的支護難題，通過理論分析，研究了復雜條件下煤倉破壞的機理，提出了“一次高強錨網噴支護+二次結構補強”的聯合支護技術，并進行了工程應用和圍巖變形量監測。結果表明，采用該支護修復技術后，煤倉圍巖變形得到有效控制，支護效果良好，保障了煤倉正常安全使用。為類似條件下煤倉軟弱圍巖支護提供了一種有效的支護方法。

關鍵詞高應力；松軟圍巖；煤倉失穩；聯合支護

收稿日期：2015-02-01

作者簡介：張鵬(1986—)，男，河南虞城人，2010年畢業于河南理工大學，助理工程師，主要從事煤礦技術工作

中圖分類號：TD353

文獻標識碼：B

文章編號：1672-0652(2015)03-0020-03

AbstractAiming at the supporting problem of coal bunker instability under high stress soft surrounding rock, studies the mechanism of coal bunker damage under complicated conditions through theory analysis, puts forward the combined supporting technology, which includes first high-strength anchor net spray support and secondary structure reinforcement, and carries out the engineering application and surrounding rock deformation monitoring. The results show that by adopting the recovery technique for support, the surrounding rock deformation of coal bunker is effectively controlled, the supporting result is well, and safety and normal use of coal bunker is ensured. It provides an effective support method for coal bunker soft surrounding rock supporting under the similar condition.

1工程概況

煤倉作為礦井各生產系統中最后且必不可少的環節，直接影響著礦井正常生產的連續性和可靠性。一旦井底煤倉出現故障，勢必阻礙礦井的正常生產經營，造成企業直接或間接的經濟損失。

中煤平朔集團山西小回溝煤礦井底煤倉原有支護采用錨網+碹體，澆筑碹體厚300 mm，煤倉d6 m，全長41.9 m，穿過多巖層，圍巖巖性較為復雜，多為軟弱圍巖，且處于保護煤柱內，周邊圍巖應力大。煤倉建成至今，曾多次出現幫部圍巖垮塌，雖多次維修，但煤倉圍巖仍變形、垮落，修復施工難度大，施工工藝復雜。為此，必須分析造成煤倉失穩破壞的原因，研究煤倉的合理修復支護技術，保證煤倉的安全穩定使用。

2煤倉失穩破壞原因分析

1) 硐室圍巖巖體整體強度較低。

煤倉埋深為400～450 m，且處于保護煤柱內，圍巖整體應力水平較高，在使用過程中多次出現局部垮塌，為維持正常使用，對跨落處進行普通錨網支護后噴漿維護處理。從維護的實際效果來看，后期噴射的漿體容易破壞，破壞后圍巖的控制主要依靠錨網作用。由于普通錨網無法滿足高應力圍巖要求，且無法及時對垮落部位實施補救，故圍巖主要靠自承載形成自穩結構[1-2]。

2) 圍巖承載壓力增大。

在開采深度和圍巖性質一定的條件下，圍巖應力變化主要受到周圍采動空間應力變化的影響。受采動影響越大，煤體及圍巖受到的支承壓力也越高。由于煤倉附近存在多個采空區且距離較近，停采線至煤倉的煤體處于支承壓力影響范圍內，使煤倉圍巖處于高應力環境，極易造成圍巖薄弱部位變形破壞，而使圍巖承載結構失去應有的控制圍巖穩定作用，這是導致煤倉圍巖破壞失穩的重要影響因素。支承壓力分布見圖1.

圖1　支承壓力分布示意圖

3) 煤倉斷面成型較差，輪廓不平整。

煤倉斷面輪廓不平整，成型較差，煤倉穩定性受到影響，主要表現在兩個方面：

a) 由于斷面成型差，造成局部超挖或欠挖，尤其是超挖部位圍巖形成應力集中，加速煤倉圍巖的變形破壞[3-5]。大量研究表明，在各向同性情況下，圓形巷道周圍的塑性區半徑r及周邊位移u與圓形巷道的半徑r0成正比。當圓形煤倉圍巖超挖嚴重時，引起煤倉半徑增大，而造成影響圍巖破壞的塑性區半徑以及圍巖位移增大，從而使淺部圍巖破壞加劇，塑性區范圍向深部巖體擴散，圍巖整體破碎區域擴大，圍巖深部彈性區轉變為塑性變形區，承載能力大幅度下降。圍巖應力分布見圖2.

A—破裂區 　B—塑形區 　C—彈性區　D—原巖應力區

b) 碹體支護屬于被動承載，圍巖不變形不承載，煤倉超挖引起周邊澆筑的碹體支護承載結構非均勻承載，受力狀況見圖3. 碹體抗彎矩能力較弱，不均勻承載造成未承載區域優先出現失穩破壞，加速煤倉圍巖整體的內移，使先前超挖部位出現嚴重的變形縫，破壞支護承載結構的穩定性。

圖3　非均勻承載結構承載模型圖

4) 原有支護設計缺少針對性，支護強度偏低。

理論上來說，原有的支護體系能夠較好地改善圍巖的穩定性，但由于使用的錨桿為d18 mm×2 250 mm等強螺紋鋼錨桿，配合鐵絲網聯合支護，未使用高強度鋼筋網聯合支護。因此，在圍巖壓力顯現強烈時，鐵絲網極易屈服破壞，錨網支護承載能力大大減弱。且錨桿錨固段強度隨著錨桿間巖體的碎脹變形而降低，錨桿承載能力隨之下降，錨網支護承載能力難以滿足要求。

3修復支護方案

1) 錨固方式采用全錨代替端錨；采用高強度金屬網與桁架托梁結合，發揮錨桿-錨網-桁架托梁聯合支護性能，提高圍巖自承能力；采用快速安裝預應力錨桿，可有效實現高強預應力錨固效果。

2) 采用一次支護控制圍巖變形，適當讓壓、允許適當變形，并進行二次支護形成補強承載結構，提高圍巖穩定性。

具體支護技術方案如下：

一次支護主要采用錨桿支護輔以錨索支護，控制淺部圍巖變形。錨桿選取d20 mm×2 250 mm的螺紋鋼錨桿，錨固方式為全錨固，間排距700 mm×700 mm；錨索選取d15.24 mm×7 300 mm的鋼絞線，矩形布設，間排距為2 100 mm× 1 400 mm；桁架托梁選取d12型號，將錨桿(索)在水平方向上連接成一個整體；鋼筋網規格取d6 mm×1 000 mm×2 000 mm.一次支護完成后噴射混凝土，噴射厚度為200 mm，保證圍巖表面有較好的成形。一次支護錨桿(索)具體布置參數見圖4.

圖4　一次支護錨桿索布置圖

二次支護主要是錨索補強加固，使一次支護形成的承載結構通過錨索與深部圍巖緊密牢固，提高圍巖穩定性。二次支護中錨桿(索)間排距仍是700 mm×700 mm，錨桿與錨索間隔呈五花布置，布置位置上與一次支護錯開半個間排距，錨索為d15.24 mm×7 300 mm鋼絞線，錨索托盤里必須加上150 mm×150 mm平托盤，防止錨索托盤被拉穿，同時用d12 mm鋼筋梯力梁在豎直方向上將錨桿(索)連接起來，鋼筋網規格為d6 mm×1 000 mm×2 000 mm. 二次支護完后噴射混凝土，此次噴射混凝土蓋住網、錨桿外端頭即可。二次支護中錨桿(索)具體布置參數見圖5.

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圖5二次支護錨桿索布置示意圖

4現場應用及效果檢驗

為保證施工安全，且便于現場施工，先將煤倉裝滿，每3 m為一個循環。每次放煤3 m后，對裸露空間煤倉圍巖分別進行一次支護、二次支護。

為保證煤倉的正常安全使用，采取在每月底正常檢修期間抽出人力、物力，將煤倉放空，從煤倉頂部到底部采用紅外線測距儀實時測量圍巖狀況。煤倉開始投入使用后，從煤倉內探測情況可知，在垮落區未發現掉漿皮或漿皮開裂現象等，在煤倉中下部雖有部分漿皮脫落，但長期觀察中并未發現繼續擴大現象，且不像圍巖變形破壞造成的常見破壞特征，從現場推測應是煤倉在裝煤過程中，掉落煤塊沖擊造成的漿皮脫落。總體上來看，煤倉在采用支護修復技術后，煤倉圍巖變形得到有效控制，基本保障了煤倉正常安全使用。

5結語

通過對高應力松軟煤倉破壞原因分析，提出了“一次高強錨網噴支護+二次結構補強”的支護方案，現場應用結果表明，該種支護修復技術能改善圍巖受力狀態，有效控制煤倉圍巖變形，取得良好的支護效果，為類似條件下煤倉軟弱圍巖支護提供了借鑒。得到如下結論：1) 井壁覆巖結構存在一定程度的薄弱環節，局部破壞、失穩有可能導致相鄰部位的破壞，進一步發展為整個煤倉的嚴重破壞與失穩。因此，要及時采取有效措施控制薄弱部位圍巖變形，以免影響周邊穩定圍巖。2) 在高強錨網支護基礎上，需對承載結構薄弱部位進行結構補強，提高承載結構的整體穩定性。

參考文獻

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[2]馮浩亮.聯合修復煤倉支護技術在平煤十一礦的應用[J].中州煤炭,2013(10):52-53.

[3]陳國清.高地應力松散破碎巖體煤倉修復實踐[J].能源技術與管理,2008(4):94-95.

[4]李靜.井下采區煤倉修復加固技術的應用[J].山東煤炭科技,2012(5):27-28.

[5]李乃祿.大斷面煤倉修復過程及技術初探[J].煤礦現代化,2006(5):68-69.

High Stress Soft Surrounding Rock Coal Bunker Instability

Analysis and Combined Support Technology

ZHANG Peng

Key wordsHigh stress; Soft surrounding rock; Coal bunker instability; Combined support