預(yù)留變形控制技術(shù)在深部巷道支護(hù)中的應(yīng)用探究

元建兵

(山西陽(yáng)城陽(yáng)泰集團(tuán)小西煤業(yè)有限公司， 山西 陽(yáng)城 048100)

1 前言

隨著開(kāi)采深度的不斷向深部延伸，深部巷道支護(hù)問(wèn)題成為了制約深部煤炭資源開(kāi)采的重要瓶頸性問(wèn)題之一。從大量的深部巷道支護(hù)實(shí)踐來(lái)看，僅通過(guò)增強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度，提升支護(hù)密度并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)深部巷道圍巖變形破壞的有效控制，本文以小西煤礦三階段膠帶下山為研究對(duì)象，分析了深部巷道開(kāi)采中應(yīng)采取的支護(hù)對(duì)策，提出了高強(qiáng)度讓壓錨索槽鋼梁+錨網(wǎng)噴支護(hù)方案，實(shí)現(xiàn)了巷道圍巖的有效控制。

2 工程概況

小西煤礦三階段膠帶下山位于軌道下山的南側(cè)，埋深為750～920m，其中頂板以砂質(zhì)泥巖為主，底板為泥巖、粉砂巖為主，在膠帶下山開(kāi)掘之后，出現(xiàn)了較大的變形，兩幫冒落、頂板下沉、底板鼓起，特別是巷道中下部出現(xiàn)嚴(yán)重鼓起，原支護(hù)中錨桿、錨索出現(xiàn)了“空腔”“大肚子”現(xiàn)象，均表明原支護(hù)方式已經(jīng)失效，巷道變形破壞圖如圖1所示。

3 膠帶下山嚴(yán)重變形破壞的機(jī)理探究

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查與理論研究，對(duì)導(dǎo)致膠帶下山出現(xiàn)大范圍嚴(yán)重變形破壞的機(jī)理進(jìn)行了分析，主要是有以下幾個(gè)方面的原因。

圖1 膠帶下山巷道局部變形破壞圖

(1)支護(hù)設(shè)計(jì)不合理性。膠帶下山的埋深已經(jīng)超過(guò)了790m，已經(jīng)屬于深部開(kāi)采范圍，而大量工程實(shí)踐表明，在深部開(kāi)采過(guò)程中，傳統(tǒng)支護(hù)方式提供的支護(hù)阻力，對(duì)巷道圍巖出現(xiàn)的塑性區(qū)范圍、圍巖變形所起到的限制作用非常有限。也就是說(shuō)，在深部高應(yīng)力巷道中，圍巖存在“給定變形”“給定變形”不隨現(xiàn)有支護(hù)強(qiáng)度的增加而大幅度減少，且“給定變形”隨著開(kāi)采深度的不斷增加而不斷增加。所以，針對(duì)膠帶下山所處的實(shí)際條件，在返修支護(hù)時(shí)，應(yīng)給巷道圍巖的“給定變形”留有一定的空間。從膠帶下山原有支護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)看，其過(guò)于強(qiáng)調(diào)“強(qiáng)力支護(hù)”，導(dǎo)致在巷道圍巖的高應(yīng)力作用下，原有支護(hù)出現(xiàn)了徹底失效，這也是導(dǎo)致膠帶下山出現(xiàn)大范圍變形破壞的最為主要的原因[1-3]。

(2)地下水影響。現(xiàn)場(chǎng)勘查得到底板有水體滲出，而底板圍巖中包含有蒙脫石等膨脹型巖體，隨著水體侵入時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，巷道底板巖體強(qiáng)度不斷降低，在高應(yīng)力的作用下，底板向巷道空間擠出。

(3)水平應(yīng)力較大。從現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)定情況來(lái)看，水平主應(yīng)力是其第一主應(yīng)力，達(dá)到了30.26MPa，在較大的水平應(yīng)力下，巷道兩幫向中間空間擠出，同時(shí)在兩幫向中間擠出的過(guò)程中，巷道底板也被進(jìn)一步的擠壓，帶來(lái)更大范圍的底板變形破壞。

(4)抽采瓦斯與開(kāi)采擾動(dòng)影響。由于本礦井總體的瓦斯含量較高，在進(jìn)行開(kāi)采之前對(duì)瓦斯進(jìn)行了抽放，同時(shí)周邊煤層開(kāi)采的過(guò)程中，對(duì)膠帶下山巷道圍巖整體的穩(wěn)定性帶來(lái)了較大的影響。特別是隨著瓦斯的抽放，巷道圍巖中已經(jīng)存在的裂隙會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，增加了巷道圍巖變形量，巷道圍巖松散程度加劇，具體情況如圖2所示。

圖2 周邊采動(dòng)與瓦斯抽放對(duì)巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)的影響

從圖2中可看出，隨著采動(dòng)的影響與瓦斯抽放的影響，膠帶下山巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)相對(duì)于開(kāi)采有了較大的變化，很多巖體已經(jīng)由先前的三維應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)榱硕S應(yīng)力狀態(tài)，巷道圍巖極限承載能力大幅度下降。

4 膠帶下山支護(hù)對(duì)策研究

4.1 支護(hù)機(jī)理分析

針對(duì)深部高應(yīng)力軟巖巷道在變形過(guò)程中存在明顯的“給定變形”的情況，在進(jìn)行膠帶下山巷道支護(hù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)適應(yīng)深部圍巖變形破壞特點(diǎn)，這就要求在進(jìn)行膠帶下山返修時(shí)，設(shè)定的支護(hù)方案應(yīng)當(dāng)為巷道圍巖預(yù)留出一定變形的空間。同時(shí)，不能任由巷道圍巖無(wú)限制的變形破壞，這就要求設(shè)計(jì)的支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)在適應(yīng)巷道圍巖變形的過(guò)程中，能夠提供出巷道支護(hù)阻力[4-6]。

為達(dá)到上述控制效果，本次支護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)采用了高強(qiáng)度讓壓錨索槽鋼梁+錨網(wǎng)噴支護(hù)方式。其中，高強(qiáng)度讓壓錨索槽鋼梁是對(duì)傳統(tǒng)支護(hù)方式的優(yōu)化，高強(qiáng)度讓壓槽鋼梁如圖3所示。

圖3 高強(qiáng)度讓壓槽鋼梁

其中讓壓槽鋼梁主要作用是配合錨索進(jìn)行支護(hù)，在錨索支護(hù)后，在高應(yīng)力的作用下，巷道圍巖會(huì)進(jìn)入變形階段，整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力也在不斷的上升，錨索上承受的壓力也在不斷增加，隨著壓力不斷增加，錨索會(huì)擠壓活動(dòng)板，活動(dòng)板會(huì)向中間靠攏，進(jìn)而壓縮彈簧，整個(gè)槽鋼會(huì)向中部移動(dòng)，這就實(shí)現(xiàn)了對(duì)巷道圍巖“給定變形”的適應(yīng)，同時(shí)也提供了較高的支護(hù)阻力，實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道圍巖的變形的有效控制。隨著槽鋼不斷被壓縮，其提供的支護(hù)阻力將會(huì)更高，達(dá)到了高阻效果，形成了高強(qiáng)度讓壓錨索槽鋼梁支護(hù)系統(tǒng)。該種支護(hù)系統(tǒng)，不僅可克服傳統(tǒng)僅使用錨索支護(hù)情況下，錨索延展率較低存在的弊端，能夠有效將巷道深部穩(wěn)定圍巖的支護(hù)作用有效調(diào)動(dòng)起來(lái)，且實(shí)現(xiàn)了與錨網(wǎng)噴支護(hù)方式的耦合，提升錨網(wǎng)噴支護(hù)的效果。

4.2 具體支護(hù)設(shè)計(jì)

錨桿支護(hù)參數(shù)：φ20mm×2 600mm，間排距左幫均為750mm，右?guī)蜑?60mm，錨固力80kN，預(yù)緊力為50kN。鋼筋網(wǎng)采用高強(qiáng)度鋼筋網(wǎng)，參數(shù)為100mm×100mm。噴漿混凝土強(qiáng)度為C20。高強(qiáng)度讓壓錨索槽鋼梁支護(hù)系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)：兩端采用φ17.8mm×4 500mm錨索，中間采用φ17.8mm×6 500mm，錨索預(yù)緊力為70kN。支護(hù)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 支護(hù)設(shè)計(jì)圖

4.3 支護(hù)效果分析

采用十字布點(diǎn)法對(duì)返修后的膠帶下山進(jìn)行了巷道表面位移觀測(cè)，得到兩幫收斂量、頂?shù)装逡平孔兓€(xiàn)，變化曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 支護(hù)后巷道圍巖變形曲線(xiàn)圖

從圖5中可看出，在對(duì)膠帶下山重新支護(hù)后，巷道在80d達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，兩幫收斂量穩(wěn)定到240mm，頂?shù)装逡平孔畲蟮?80mm。巷道圍巖變形情況均滿(mǎn)足了巷道實(shí)際使用的要求，這表明設(shè)計(jì)采用的新支護(hù)方案，取得了較好的支護(hù)效果。

5 結(jié)論

從深部巷道圍巖穩(wěn)定控制實(shí)踐可知，應(yīng)從充分調(diào)動(dòng)圍巖自身承載能力的角度入手，確保支護(hù)體與圍巖形成一個(gè)整體性支護(hù)結(jié)構(gòu)，做到“讓抗適度”，才能適應(yīng)深部圍巖巷道支護(hù)的要求。