龐龐塔礦9#煤倉與附近硐室圍巖強(qiáng)化支護(hù)技術(shù)

張躍軍

(霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司 龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200)

1 工程背景

呂臨能化龐龐塔煤礦目前采用斜井運(yùn)輸方式，為了使9#煤倉內(nèi)的煤轉(zhuǎn)運(yùn)到西區(qū)9#煤暗斜井下強(qiáng)力帶式輸送機(jī)上，在西區(qū)9#煤暗斜井帶式輸送機(jī)機(jī)尾處施工溜煤眼與9#煤倉下部收口段貫通，溜煤眼設(shè)計斜長11 m(中至中)，正方形斷面，毛寬、毛高2.2 m，凈寬、凈高1.6 m，目前已施工5.5 m，剩余5.5 m. 9#煤井底煤倉剖面圖見圖1. 但是經(jīng)過論證，該方案會導(dǎo)致9#煤煤倉堵倉，嚴(yán)重影響礦井正常生產(chǎn)。因此，提出了9#煤煤倉上下口的改造工程方案，由于斜溜煤眼已經(jīng)施工了一部分(1/2長度)，必然會對后期改造工程的支護(hù)參數(shù)設(shè)計造成影響。

圖1 9#煤井底煤倉剖面圖

為使9#煤倉內(nèi)的煤轉(zhuǎn)運(yùn)到西區(qū)9#煤暗斜井下強(qiáng)力帶式輸送機(jī)上，需將9#煤倉下部給煤機(jī)硐室與西區(qū)9#煤帶式輸送機(jī)暗斜井帶式輸送機(jī)機(jī)尾處打通并安裝斜溜槽，改造工程包括在給煤機(jī)硐室西側(cè)開口、承重墻上部開槽及西區(qū)9#煤帶式輸送機(jī)暗斜井上段架棚段頂部擴(kuò)刷。具體的工程位置圖見圖2. 改造工程局部處于泥巖圍巖中，在掘進(jìn)過程中應(yīng)注意對泥巖圍巖的控制，加強(qiáng)支護(hù)。

圖2 改造工程位置關(guān)系圖

2 巷道維護(hù)特征分析

1) 應(yīng)力集中區(qū)收縮增載。

9#煤煤倉巷道在改造前，圍巖應(yīng)力集中區(qū)較為穩(wěn)定，改造后，圍巖應(yīng)力集中區(qū)收縮，圍巖應(yīng)力更加集中，即巷道圍巖集中區(qū)發(fā)生收縮增載，致使改造后圍巖發(fā)生大變形以致發(fā)生破壞。

2) 復(fù)雜的圍巖環(huán)境。

在9#煤倉改造前，煤倉與主斜井運(yùn)煤巷道圍巖已經(jīng)發(fā)生了變形破壞，而且在西區(qū)9#煤帶式輸送機(jī)斜井開挖到煤倉附近時，巷道圍巖已經(jīng)開始破壞。在給煤機(jī)硐室西側(cè)開口、承重墻上部開槽及西區(qū)9#煤帶式輸送機(jī)暗斜井上段架棚段頂部擴(kuò)刷等改造工程完成后，開挖空間進(jìn)一步刷大，圍巖環(huán)境更加惡劣，導(dǎo)致圍巖發(fā)生破壞。

3) 巷道斷面的加大。

巷道跨度大、高度高是圍巖發(fā)生大變形甚至破壞的重要原因。改造過程中，在西區(qū)9#煤帶式輸送機(jī)斜井開挖到煤倉附近而后與煤倉之間開挖溜煤眼后，西區(qū)9#煤帶式輸送機(jī)暗斜井上段架棚段頂部又經(jīng)過擴(kuò)刷，此處的巷道斷面進(jìn)一步加大，增加了支護(hù)的難度，巷道圍巖發(fā)生大變形甚至破壞。

4) 圍巖性質(zhì)。

由于煤倉附近硐室及巷道處于泥巖地層中，一般而言，泥巖屬于較軟巖層，變形較大，且不易支護(hù)，因此是巷道及硐室圍巖發(fā)生破壞的重要的地質(zhì)因素。在支護(hù)設(shè)計中應(yīng)考慮這一因素，在掘進(jìn)過程中應(yīng)注意對泥巖圍巖的控制，加強(qiáng)支護(hù)。

3 9#煤倉改造與附近硐室圍巖強(qiáng)化支護(hù)方案

1) 給煤機(jī)硐室開口頂板支護(hù)。

因給煤機(jī)需要轉(zhuǎn)向，因此需要在給煤機(jī)硐室西側(cè)開口以安置給煤機(jī)前端，開口斷面為矩形，斷面尺寸為寬2 000 mm×高1 800 mm. 開口后會造成原有頂部承載鋼梁失去下部支撐，因此需要對開口處的給煤機(jī)硐室頂板進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)。采用錨索+對棚聯(lián)合支護(hù)。具體支護(hù)參數(shù)如下：

錨索：每排5根錨索，鋼絞線規(guī)格為d21.8 mm×8 300 mm，錨索間距為1 150 mm，排距為1 000 mm，兩側(cè)錨索帶外扎角30°進(jìn)行施工。錨鎖穿過焊接的對棚帶角度向上施工以避開煤倉下部漏斗，第一排錨索帶前扎角45°施工，第二排錨索帶前扎角40°施工。錨索每孔采用1支K2360、2支Z2360樹脂藥卷加長錨固，以保證錨固效果。錨索預(yù)緊力80 kN，錨固力不低于280 kN；錨索托盤規(guī)格300 mm×300 mm×14 mm. 對棚采用兩節(jié)5 m長工字鋼利用鋼板焊接而成。

對拉錨索：第一排中間錨索的施工角度會穿透已施工的斜溜煤眼，在斜溜煤眼露出端采用托盤、鎖具固定，形成對拉錨索，錨索長度改為6.6 m，鎖具、托盤規(guī)格同上。支護(hù)方案見圖3.

圖3 給煤機(jī)硐室開口頂板支護(hù)方案圖

2) 承重墻小斷面通道支護(hù)。

給煤機(jī)硐室緊靠西區(qū)9#煤帶式輸送機(jī)暗斜井上段承重墻，因此需要在該承重墻上部開一個矩形斷面以安置斜溜槽上端，斷面尺寸為寬2 000 mm×高1 800 mm，采用工字鋼棚+短錨桿聯(lián)合支護(hù)。

工字鋼棚：頂棚及棚腿均選用工字鋼，緊貼壁面，棚間距為600 mm.

錨桿：斷面頂部施工一排3根d20 mm×1 500 mm左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿。錨桿間距800 mm，每根錨桿采用一支Z2360樹脂藥卷進(jìn)行錨固。兩側(cè)錨桿帶外扎角15°施工，中央錨桿垂直頂板巖面施工。預(yù)緊力不小于200 N·m，錨固力不小于200 kN；錨桿托盤規(guī)格120 mm×120 mm×10 mm. 支護(hù)方案見圖4.

3) 西區(qū)9#煤帶式輸送機(jī)暗斜井上段架棚強(qiáng)化段支護(hù)。

由于過煤斜溜槽開挖時需要穿透西區(qū)9#煤帶式輸送機(jī)暗斜井上段的架棚段，并對頂部進(jìn)行擴(kuò)刷，會導(dǎo)致架棚段棚腿失效，全斷面U型棚失去支護(hù)能力。因此，需要全斷面拆除U型棚。對于拆除斷面需要重新架設(shè)U型棚，以對溜煤眼、煤倉及硐室形成的三角區(qū)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。巷道斷面形狀為直墻半圓拱，斷面尺寸為：巷寬4 500 mm，墻高3 250 mm，拱高2 250 mm，巷高5 500 mm. 采用錨網(wǎng)索+U型棚聯(lián)合支護(hù)。

錨桿：巷道頂部及兩幫均采用d20 mm×2 400 mm左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿。錨桿間距800 mm，排距600 mm. 每根錨桿采用K2360和Z2360樹脂藥卷各一支進(jìn)行錨固。底角錨桿帶下扎角15°施工，幫部及頂部錨桿垂直巖面施工。預(yù)緊力不小于200 N·m，錨固力不小于200 kN；錨桿托盤規(guī)格120 mm×120 mm×10 mm. 金屬網(wǎng)選用d6.0 mm鋼筋點(diǎn)焊而成，網(wǎng)孔規(guī)格100 mm×100 mm，聯(lián)網(wǎng)間距為200 mm.

錨索：頂板每2排錨桿中間位置布置一排錨索，每個斷面共7根，頂板錨索鋼絞線規(guī)格為d21.8 mm×8 300 mm，幫部錨索鋼絞線規(guī)格為d21.8 mm×6 000 mm，錨索間距1 600 mm，排距1 200 mm，錨索垂直巖面施工。錨索每孔采用1支K2360、2支Z2360樹脂藥卷加長錨固，以保證錨固效果。錨索預(yù)緊力80 kN，錨固力不低于280 kN；錨索托盤規(guī)格300 mm×300 mm×14 mm. 第一排頂部中央錨索會穿透已施工的斜溜煤眼，在斜溜煤眼露出端采用托盤、鎖具固定，形成對拉錨索，截斷多余長度的錨索，鎖具、托盤規(guī)格同上。

U型棚：設(shè)計采用U型棚可縮支架，選用材質(zhì)為20 MnK的29 U型棚，全斷面共由4節(jié)組成，搭接長度500 mm，搭接處采用兩副限位卡纜和一副普通卡纜進(jìn)行固定，卡纜扭矩不小于300 N·m，棚距600 mm. 棚腿采用錨桿進(jìn)行鎖腿處理。具體參數(shù)見圖5.

圖5 西區(qū)9#煤帶式輸送機(jī)暗斜井上段支護(hù)方案圖

4 工業(yè)性試驗

支護(hù)方案確定后進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗，對支護(hù)改造區(qū)域的圍巖位移進(jìn)行了觀測，西區(qū)9#煤帶式輸送機(jī)暗斜井上段測點(diǎn)的離層變化情況見圖6.

圖6 頂板離層量隨時間變化曲線圖

由圖6可知，觀測深度為2 m、4 m、6 m、8 m時，覆巖累計離層量為6.2 mm、8.3 mm、12.4 mm、16.5 mm，該測點(diǎn)附近上覆巖層離層主要集中在0～6 m的頂板，達(dá)到12.4 mm，6～8 m的頂板離層僅為4.1 mm，離層量較小。

經(jīng)30天的表面位移監(jiān)測，得到了表面位移的實測值，由監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制各監(jiān)測斷面的表面位移與監(jiān)測時間關(guān)系曲線圖，見圖7，8.

圖7 表面位移與時間關(guān)系曲線圖

圖8 表面位移速率與時間關(guān)系曲線圖

兩個測站頂板下沉量隨時間變化逐漸增加，不同位置的穩(wěn)定時間有所差異，西區(qū)9#煤帶式輸送機(jī)暗斜井上段經(jīng)歷二次擾動影響較大，頂板下沉穩(wěn)定時間為16天，圍巖最大位移速度9.4 mm·d-1，平均位移速度為4.6 mm·d-1，累計位移量73.6 mm. 通過對觀測結(jié)果分析可知，兩處巷道頂板變形較小、圍巖穩(wěn)定，支護(hù)效果好。

對圍巖變形過程的監(jiān)測結(jié)果表明，在開挖初期，圍巖變形速率較大，并且每天都處于變化中，圍巖變形具有變形量大、變形速率快、巷道穩(wěn)定性差、變形持續(xù)時間長等特點(diǎn)。頂板下沉是變形的重點(diǎn)。頂板下沉在15 d左右能達(dá)到穩(wěn)定，兩幫在10 d左右能達(dá)到穩(wěn)定，頂板下沉最為明顯，兩幫也早于頂板穩(wěn)定。

由圖8可知，巷道頂板變形經(jīng)歷3個階段：在開挖0～4 d，變形速率較大，但持續(xù)時間較短，為加速變形階段，變形量占總變形量的40%左右；在開挖4～7 d，變形速率減緩，此階段為緩慢變形階段，占總變形量的60%左右；在測點(diǎn)距開挖面7 d后，變形曲線開始收斂，為基本穩(wěn)定階段，變形量占總變形量的40%左右。

5 結(jié) 語

通過對龐龐塔礦9#煤倉進(jìn)行改造并對大跨度巷道的支護(hù)效果進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)頂板離層變形小，屬于平穩(wěn)不變型離層，圍巖變形小，錨桿(索)錨固力大，圍巖控制較好。可見，支護(hù)后巷道的安全穩(wěn)定性得到提高。