高應力開拓巷道底鼓控制技術

·試驗研究·

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高應力開拓巷道底鼓控制技術

李鵬，李磊

(洛陽義安礦業有限公司，河南 新安 471800)

摘要義安礦西翼開拓大巷埋深大，同時受斷層的集中影響，巷道底鼓問題突出，嚴重影響巷道的掘進速度，為控制其穩定性，針對西翼大巷周圍的圍巖力學環境及地質條件對底鼓原因進行深入分析，依據該區域底鼓機理及成因，在全錨網索一次支護的基礎上，制定二次長環形支架剛性支護。通過該方案的工業性試驗，西翼大巷應力分布狀況明顯改善，有效控制了該區域的底鼓問題，煤巷頂板下沉量為50 mm，而巷道兩幫的移近量<15 mm.

關鍵詞高應力；開拓巷道；二次支護；底鼓控制

收稿日期：2015-01-29

作者簡介：李鵬(1988—)，男，河南新安人，2012年畢業于平頂山工業職業技術學院，助理工程師，主要從事煤礦采煤掘進生產管理工作

中圖分類號：TD327.3

文獻標識碼：B

文章編號：1672-0652(2015)03-0036-03

AbstractBecause the burial depth of Yi'an coal mine westside developing roadway is large and of which centrally affected by fault, the floor heave issues is outstanding, it seriously affects the roadway driving speed. In order to control the stability of surrounding rock, deeply analyzes the reason of floor heave aiming at the surrounding rock mechanics environment and geological conditions around the westside alleys. According to the mechanism and cause of floor heave, formulates the secondary long ring support rigid supporting on the basis of first supporting of full-time anchor net cables. Through the industrial test of the program, the stress distribution of westside roadway obviously improves, effectively controls the heaving floor in the region, the subsidence quantity of roadway roof is 50 mm, and the displacement of roadway two sides is less than 15 mm.

洛陽義安礦為新建礦井，為適應沿煤掘進巷道支護的發展趨勢，該礦西翼大巷沿煤層頂板掘進，但面臨著采深大、地應力高的問題，巷道掘進過程中底鼓問題突出，嚴重影響巷道掘進速度[1-2]，因此，有必要對該區域圍巖力學環境及地質條件進行調研分析，查明底鼓原因，尋找合理的巷道支護方式，維持巷道長期穩定，減小巷道維護成本，同時為類似開拓巷道支護及底鼓控制提供參考。

1工程概況

義安礦西翼大巷開拓過程中，巷道沿煤層頂板進行掘進，巷道設計寬度為5 m，高度為4 m，上距砂鍋窯砂巖49.10～75.33 m，平均58.20 m，下距L8石灰巖24.09～39.89 m，平均31.94 m，層位穩定。二1煤賦存標高為-800～-300 m，埋藏深度410～860 m，巷道斷面為矩形。原支護參數：幫、頂為錨桿(索)支護，底板無支護，錨桿為d20 mm×2 400 mm無縱筋左旋螺紋鋼高強伐套錨桿(強度500 MPa)，幫、頂的間排距均為900 mm×900 mm，錨索為17.8 mm×5 000 mm高強度低松弛鋼絞線制，錨索排距1 400 mm，見圖1.

巷道變形特征為：1) 膠帶大巷兩幫最大移近量

圖1　巷道一次支護示意圖

為1 668 mm，給行人運輸造成不便。2) 軌道大巷底鼓量達到1 500 mm，嚴重影響正常運輸。

2巷道底鼓原因分析

2.1構造的影響

義安礦井田斷層較發育，斷層位置存在有擺動性且多為導水斷層。東翼大巷附近的巷道可能受F16、DF41、DF43三條斷層的影響，尤其受落差15~150 m的F16毛屯大斷層影響較大，巷道的最大水平主應力方向與F16毛屯斷層面成45°-φ/2. 假定斷層的內摩擦角為12°~20°，則最大的水平主應力方向與F16毛屯斷層面成35°~39°. 根據目前對地應力的研究成果[3-5]，垂直應力與上覆巖層的重量成正比，且比例系數為上覆巖層的平均容重，水平應力與地質構造影響的程度有關。在地質構造復雜時，水平應力大于垂直應力，礦井最大水平應力與主要構造應力方向成一定夾角。對義安礦開拓巷道地應力分布進行估算。

義安礦開拓巷道埋深在600 m左右，假設上覆巖層的平均容重取27 kN/m3.

σv=γH=16.2 MPa

考慮到義安礦西翼開拓大巷附近有3條傾角為70°的斷層，DF41落差為0～8 m，DF43落差為0～3 m，DF44落差為0～9 m，開拓巷道可能存在較大的構造應力的影響。從巷道嚴重的變形，可以看出，開拓巷道存在較大的構造應力，其值可能是垂直應力的數倍。

2.2巖性的分析

鉆孔資料顯示，巷道基本處于煤、泥巖、砂質泥巖等較軟層位。底板中存在一薄層中、細砂巖，厚度不一，節理發育，而且完整性差。距離1 m之外的砂質泥巖完整性較差，節理、裂隙較為發育。在距離煤層14 m處存在富含水層的L9灰巖。因此，巷道底板巖層完整性并不好，節理、裂隙較為發育，容易引起底鼓。

2.3支護的影響

西翼大巷屬于高應力巷道，由于一次支護對頂板和兩幫進行錨網索支護，巷道底板沒有進行支護，所以，巷道容易產生底鼓。

從巷道底鼓的地點和頻率來看，局部地質技術條件變化和支護質量是引起急速底鼓的主要原因。如開拓巷道與回采巷道的交叉口，局部應力集中就非常嚴重。因此，有必要加強巖性和構造探測。

3工業性試驗

根據義安礦主采煤層圍巖結構特點以及圍巖支護要求，開拓巷道圍巖控制采用在一次支護錨桿錨索網噴支護的基礎上，二次長環形支架剛性支護。

3.1一次支護效果分析

經過錨網索一次支護后，巷道變形情況見表1.

表1西翼大巷變形量表

由表1可以得出，經過錨網索一次支護后，西翼大巷的變形規律如下：

1) 多數巷道的變形在3~4個月后變形仍有增加，但并不能達到完全穩定，因此，進行二次支護是非常必要的。

2) 若以變形速率基本趨于穩定為基準進行判斷，西大巷在一個半月能基本達到穩定，可以作為二次支護的支護時機。

3) 每條巷道內變形量差異較大，在各種復雜條件的作用下，巷道的局部地段兩幫和底板都有快速發生變形的可能。對于局部巷道變形嚴重的巷道段，應進行加強支護，對錨桿或錨索破斷的巷道段應進行破碎圍巖并重新補打錨桿和錨索的工作。

總體來看，西翼大巷開掘以后，巷道整體表現為四周來壓，經過錨網索一次支護兩個月以后，巷道并未達到完全穩定。底鼓現象在整個大巷幾乎全線發生，并在局部巷道地段有急速底鼓的現象。這些都充分說明，僅靠高強度錨網索一次支護難以維持大巷的長期穩定，有必要進行針對底板治理的全封閉金屬支架的二次支護。

3.2二次支護方案效果考察

綜合考慮巷道底鼓和兩幫移近十分強烈，需選用圓形或方環形支架，見圖2.

圖2　長環形支架的形狀參數圖

采用應變片法長期監測支架的受力。試驗架Ⅰ應變片測試的2012年12月13日—2013年3月9日周邊應力分布情況見圖3，試驗架Ⅱ應變片測試的2012年12月13日—2013年3月9日周邊應力分布情況見圖4.

由圖3，圖4可以看出：支架上所有測點的軸向應力小于彈性極限350 MPa，大部分應力值并未超過彈性極限的30%，支架受力安全。但是第二個支架右上部分支架2月2日后也存在應力較高現象，其應力最高達到了彈性極限的80%，但隨著時間推移，其應力有所降低；到3月9日時，應力降低到彈性極限的57%.從應力的正負情況來看，基本上在靠近長環形金屬支架兩幫處的U型鋼承受壓縮載荷，在靠近支架頂底板處的U型鋼承受拉伸載荷。觀測期間，盡管支架的受力并沒有達到穩定，但試驗支架測試的環形支架的軸向應力增加的幅度已經減慢。目前支架的受力是處于安全的范圍，基本上是合理的。

圖3　試驗架Ⅰ應變片測試的周邊應力分布圖

圖4　試驗架Ⅱ應變片測試的周邊應力分布圖

此外，對二次支護后的長環形支架進行“十字”布點法的巷道變形監測，變形監測結果見表2.

表2長環形支架二次支護后巷道變形監測結果表

從表2中可以看出，在連續3個月的監測過程中發現，巷道頂底板的移近量為50 mm，而巷道兩幫的移近量<15 mm. 在支架架設1個月后，支架四周巷道頂底板和兩幫變形速率基本保持為零，大巷不再發生變形，這也說明全封閉長環形支架二次支護保證了巷道的穩定，取得了顯著的效果。

4 結論

1) 西翼大巷原先采用的單純錨網索支護方式，巷道變形相當嚴重；通過對西翼大巷圍巖性質分析制定出二次支護方案。2) 通過應變片法對2個試驗支架近4個月的測試數據，得到大部分應力值并未超過彈性極限的30%，支架受力安全。支架的受力是處于安全的范圍，基本上是合理的。3) 巷道變形觀測數據顯示，巷道頂底板的移近量為50 mm，巷道兩幫的移近量<15 mm，效果明顯。

參考文獻

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High Stress Developing Roadway Floor Heave Control Technology

LI Peng, LI Lei

Key wordsHigh stress; Development roadway; Secondary support; Floor heave control