破碎軟弱圍巖巷道二次高強(qiáng)錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)方案

陳華平

(湖南省煤炭地質(zhì)勘查院)

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破碎軟弱圍巖巷道二次高強(qiáng)錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)方案

陳華平

(湖南省煤炭地質(zhì)勘查院)

摘要為解決某煤礦二三新大巷掘出后不久便出現(xiàn)兩幫內(nèi)移明顯、頂板下沉量大等強(qiáng)烈礦壓顯現(xiàn)難題，根據(jù)二三新大巷圍巖巖性、現(xiàn)有支護(hù)狀況及變形破壞特征分析，認(rèn)為巷道圍巖巖性差、原有支護(hù)設(shè)計(jì)缺乏合理性、203工作面回采后支承壓力是二三新大巷失穩(wěn)破壞的主要影響因素。為提高巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)的承載能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提高二三新大巷長(zhǎng)期支護(hù)效果，提出了二次高強(qiáng)錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)方案，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：二次高強(qiáng)錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)方案可有效控制二三新大巷的圍巖變形，巷道頂?shù)装逡平靠刂圃?6 mm左右，兩幫移近量控制在120 mm左右，對(duì)于類(lèi)似礦山巷道掘進(jìn)支護(hù)有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞破碎軟弱圍巖二次高強(qiáng)錨網(wǎng)支護(hù)巷道支護(hù)承載結(jié)構(gòu)

1工程概況

某煤礦二三大巷是礦井通風(fēng)與運(yùn)輸?shù)难屎硪?，服?wù)年限較長(zhǎng)。因受礦壓等因素影響，該巷道失修嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了礦井的正常生產(chǎn)運(yùn)輸。為保證礦井生產(chǎn)運(yùn)輸系統(tǒng)的正常運(yùn)行，決定掘進(jìn)1條二三新大巷。二三新大巷與周?chē)ぷ髅嫫矫嫖恢藐P(guān)系見(jiàn)圖1。二三新大巷所處層位為三疊系上部巖層，部分地段處于203工作面采空區(qū)下方。巷道頂板距4#-2煤層底板約40 m，4#-2煤層底板由炭質(zhì)泥巖和根土巖組合而成，巖性由上至下依次為：①炭質(zhì)泥巖，黑色，團(tuán)塊狀，多滑面，夾煤線，厚0.2～4.8 m，平均2.29 m；②根土巖，灰色，黏土質(zhì)，全層含粉砂，具可塑性，易破碎，遇水膨脹，厚0～6.8 m，平均1.90 m。

陳華平(1981—)，男，工程師，410014 湖南省長(zhǎng)沙市雨花區(qū)萬(wàn)家麗中路三段76號(hào)。

圖1　二三新大巷平面位置示意

2巷道變形破壞特征及失穩(wěn)原因

2.1巷道現(xiàn)有支護(hù)狀況

二三新大巷設(shè)計(jì)斷面為直墻三心拱型，頂?shù)赘?.75 m，寬5 300 m，凈斷面面積16.9 m2。巷道采用錨網(wǎng)索+U29支架+混凝土聯(lián)合支護(hù)，其中一次支護(hù)采用錨網(wǎng)索+U29支架聯(lián)合支護(hù)。錨桿為φ18 mm×2 250 mm螺紋鋼，端頭錨固長(zhǎng)度700 mm，間排距800 mm×900 mm；錨索采用φ15.24 mm×7 300 mm 鋼絞線，端頭錨固長(zhǎng)度1400 mm，雙排布置，間排距2 000 mm×2 400 mm；U29支架設(shè)計(jì)棚距為800 mm；混凝土設(shè)計(jì)澆筑厚度300 mm。

2.2巷道變形破壞特征

巷道掘出并采用上述支護(hù)方式后不久便出現(xiàn)了嚴(yán)重變形，導(dǎo)致巷道斷面難以滿(mǎn)足使用要求。巷道變形特征主要表現(xiàn)為：①兩幫內(nèi)移明顯，最大內(nèi)移量達(dá)700 mm，平均內(nèi)移量達(dá)500 mm；②頂板下沉量大，U型鋼棚頂梁出現(xiàn)壓平、扭曲現(xiàn)象；③底鼓明顯，底鼓量達(dá)300 mm。

2.3巷道失穩(wěn)原因2.3.1巷道圍巖巖性差

巷道掘進(jìn)過(guò)程中揭露的巖層主要為炭質(zhì)泥巖和根土巖，圍巖膠結(jié)程度差、松軟破碎、易風(fēng)化、遇水膨脹；巖石強(qiáng)度低，黏聚力一般小于0.3 MPa，且內(nèi)摩擦角較小；節(jié)理發(fā)育充分，巖體較破碎，圍巖整體強(qiáng)度較低；巷道開(kāi)掘后，圍巖自穩(wěn)時(shí)間短、來(lái)壓快。

2.3.2原有支護(hù)設(shè)計(jì)缺乏合理性

巷道掘出后，應(yīng)盡快完成支護(hù)的主體結(jié)構(gòu)，使圍巖由二向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)為三向應(yīng)力狀態(tài)，從而提高圍巖的殘余強(qiáng)度[1]。原有支護(hù)中錨桿支護(hù)強(qiáng)度較弱，雖采用錨網(wǎng)索+U型鋼棚+混凝土等多種支護(hù)，但明顯存在分次承載、各個(gè)擊破的問(wèn)題。原支護(hù)設(shè)計(jì)中的缺陷有：①原有支護(hù)的一次支護(hù)中，未配合使用梯子梁或鋼帶等護(hù)表構(gòu)件，錨桿主要發(fā)揮點(diǎn)錨桿作用，無(wú)法形成支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性；②由于原設(shè)計(jì)方案無(wú)梯子梁、鋼帶等剛度較高的護(hù)表構(gòu)件，當(dāng)圍巖變形強(qiáng)烈時(shí)，鋼筋網(wǎng)易隆起或拉開(kāi)，導(dǎo)致護(hù)表能力降低；③架設(shè)U型棚時(shí)，壁后殘留過(guò)大變形空間，架棚支護(hù)屬被動(dòng)支護(hù)，當(dāng)主動(dòng)支護(hù)仍無(wú)法較好地控制巷道圍巖變形時(shí)，被動(dòng)支護(hù)便無(wú)法控制圍巖的強(qiáng)烈變形；④支護(hù)方案缺乏針對(duì)性，二三新大巷的不同地段，圍巖條件及構(gòu)造、采動(dòng)影響等各不相同，采用同一支護(hù)方案，無(wú)法有效控制圍巖變形。

2.3.3203工作面回采后支承壓力的影響

由現(xiàn)場(chǎng)巷道圍巖變形程度可知，在203工作面切眼附近，巷道圍巖變形最為明顯。由平面位置關(guān)系圖(圖1)可知，二三新大巷部分地段位于203工作面運(yùn)輸順槽及203工作面切眼附近下方，當(dāng)203工作面采過(guò)后，順槽附近形成了側(cè)向支承壓力[1-2]，同時(shí)在切眼前方50～100 m，圍巖處于應(yīng)力增高區(qū)，為正常原巖應(yīng)力的4～5倍，在相同的支護(hù)方式、強(qiáng)度下，必然造成巷道圍巖強(qiáng)烈變形，故需采用更為合理的支護(hù)方案控制巷道圍巖變形。

3二次高強(qiáng)錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)方案

3.1支護(hù)方案

一次支護(hù)采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)支護(hù)，在巷道淺部圍巖形成可靠的承載結(jié)構(gòu)；二次支護(hù)采用高強(qiáng)度小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)一次支護(hù)形成的承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)償，充分利用巷道深部圍巖的承載能力，提高支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的承載能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而有效控制巷道圍巖強(qiáng)烈變形[3-5]。

3.1.1一次支護(hù)

巷道掘出后，首先進(jìn)行一次高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)支護(hù)，在巷道淺部圍巖形成可靠的承載結(jié)構(gòu)，同時(shí)距迎頭3～5 m按一次支護(hù)設(shè)計(jì)要求打2根結(jié)構(gòu)補(bǔ)償錨索，控制巷道頂板變形。采用φ20 mm×2 500 mm高強(qiáng)樹(shù)脂錨桿，尺寸為150 mm×150 mm×10 mm的鼓形托盤(pán)，每根錨桿使用2支Z2350樹(shù)脂藥卷，錨桿預(yù)緊力矩不低于300 N·m。為使幫腳錨桿有效控制底鼓，幫腳錨桿距底板高度不大于300 mm，并下扎15°；錨索選用φ17.8 mm×6 000 mm鋼絞線(最小抗拉強(qiáng)度不小于1 860 MPa)，錨索托盤(pán)采用尺寸為300 mm×300 mm×15 mm的A3型鋼大托盤(pán)，每根錨索使用3支Z2350樹(shù)脂藥卷，錨索預(yù)緊力不低于100 k·N；錨桿間排距800 mm×800 mm，錨索間排距2 400 mm×1 600 mm，呈矩形布置(圖2)。護(hù)表構(gòu)件采用φ6 mm×100 mm×100 mm高強(qiáng)度鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)推薦采用電阻焊技術(shù)加工的自連網(wǎng)，該焊接工藝不僅焊接過(guò)程中鋼筋強(qiáng)度損失小、焊點(diǎn)強(qiáng)度高，而且金屬網(wǎng)搭接部位連接方便，連接強(qiáng)度高，采用該鋼筋網(wǎng)可有效提高錨網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)的護(hù)表能力。沿巷道走向布置高強(qiáng)度鋼筋梯子梁，鋼筋梯子梁采用φ14 mm鋼筋整體焊接。

圖2　一次支護(hù)斷面示意(單位：mm)

3.1.2二次支護(hù)

在一次支護(hù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)一次支護(hù)后的巷道成形情況，進(jìn)行二次支護(hù)。錨桿采用φ20 mm×3 000 mm高強(qiáng)樹(shù)脂錨桿，錨桿托盤(pán)采用M4型鋼帶配套托盤(pán)，每根錨桿使用2支Z2350樹(shù)脂藥卷。錨索選用φ17.8 mm×6000 mm鋼絞線(最小抗拉強(qiáng)度不小于1 860 MPa)，錨索托盤(pán)采用300 mm 18#槽鋼托盤(pán)壓住鋼帶，同時(shí)槽鋼托盤(pán)內(nèi)加尺寸為150 mm×150 mm×10 mm的平托盤(pán)，幫腳2根錨索無(wú)鋼帶構(gòu)件，用1 500 mm 18#槽鋼梁相連，同時(shí)槽鋼梁內(nèi)加尺寸為150 mm×150 mm×10 mm的平托盤(pán)，每根錨索使用3支Z2350樹(shù)脂藥卷。鋼帶采用2 700 mm×160 mm的M4型鋼帶(圖3)。

圖3　二次支護(hù)(含一次支護(hù))方案(單位：mm)

3.2支護(hù)效果

二三新大巷剩余段的掘進(jìn)采用了二次高強(qiáng)錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)方案，由圖4可知：采用二次高強(qiáng)錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)方案后的第60 d左右，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平勘阙呌诜€(wěn)定，其中巷道頂?shù)装逡平靠刂圃?6 mm左右，兩幫移近量控制在120 mm左右?？梢?jiàn)，二次高強(qiáng)錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)方案有效保障了二三新大巷的斷面使用要求。

圖4　巷道表面位移觀測(cè)結(jié)果

4結(jié)語(yǔ)

在分析某煤礦二三新大巷變形破壞特征及失穩(wěn)原因的基礎(chǔ)上，提出了二次高強(qiáng)錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)方案。實(shí)踐結(jié)果表明，該技術(shù)方案可有效控制二三新大巷的圍巖變形，保證巷道的正常安全使用。

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(收稿日期2016-04-15)