大斷面軟巖巷道支護技術分析

侍大軍 劉書華

（兗礦集團兗州煤業股份有限公司濟寧二號煤礦，山東 濟寧272000）

軟巖構成的巷道穩定性差,整體強度不足。使用錨噴支護的情況下,錨的支撐作用有限,無法有效增強巖體的穩定性,巖體在易變形、要進行數次整修。當前,錨噴支護下的軟巖巷道上部巖體下沉,容易塌落,兩幫朝巷空運動。如果支護結構可以適應不穩定的巖體,而且還能承受外力,則巷道能保持穩定。因此,在軟巖環境下設置具有大橫截面的巷道,并解決巖體易流變,穩定性不足以及隨著采礦深入支護難度加大等問題對于煤礦安全高效開采來說意義重大。

1 大斷面軟巖巷道支護方法選用

多數情況下大斷面軟巖巷道支護需要綜合運用多種支護方法。許多學者研究出幾種適用于大斷面軟巖巷道支護的方法,多數方法都是基于錨桿支護優化而來, 具體來說主要包括以下幾種支護方法:

1.1 錨桿、錨索、金屬絲網聯合支護(錨網索聯合支護)。錨桿、錨索、金屬絲網聯合運用,以支護大斷面軟巖巷道。三者既能發揮自身的支護作用,也可以發揮聯合支護作用,有效控制巖體變形,通過與巖體耦合,在維持巖體的穩定性方面發揮作用。錨網索聯合支護施工難度不大,支護效果好,經過實踐驗證已被許多礦井認可,應用廣泛。

1.2 錨網注漿聯合支護(錨漿聯合支護)。在錨桿、金屬絲網支護的基礎上通過注漿加固來增強支護效果,有效增益巖體強度,提升其自穩性和承載力,達到增強巖體穩定性的目的。然而,該方法施工難度大,注漿施工效果往往不理想。加固的效果和巖體孔隙率有很大的關系;因而只能特殊的巖體環境中應用。

1.3 錨網砌碳聯合支護(錨碳聯合支護)。利用錨桿支護的優點增強巖體承載力,輔助使用砌碳支護封閉巖體,避免巖體因風化導致強度降低,并且碳體承載能力較強,可以有效減少巖體變形,錨碳聯合支護主要用于使用壽命長,弧形截面的巷道。

1.4 采用硬質層和軟質層支護,軟質層吸收巖體變形并釋放過程中產生的能量,硬質層控制巖體變形。由于能夠實現強度、剛度、結構的耦合,因此有效保持軟巖巖體穩定性,但技術復雜度高,施工難度大,難以掌握支護結構與巖體的耦合程度,因此,應用不廣泛。

以上提到的支護方法在控制大斷面軟巖道路的穩定時效果較好,在比較分析了上述各種支護方法的優劣勢基礎上,選擇施工難度低的錨網索結合支護方法。

2 工程概況

濟二煤礦9309 回采工作面走向長度255m, 平均傾斜長度98m。開采面位于礦井西側,北側是未開發的煤層,東側是已經采空的煤層,南側為未開采煤層,厚度0.8 m -2.9m,平均厚度為2.2m,傾斜角為6°-9°。2309 回采工作面是一個完全機械化開采的工作面。開采路徑沿煤層延伸,開采巷道橫截面積為15.5 m2,屬于大斷面巷道。9309 回采工作面巷道上部巖性較軟,遇水后很容易膨脹,屬于代表性的軟巖巷。

3 大斷面軟巖巷道支護參數設定

在選定了大斷面軟巖巷道支護方法后, 就應該設定合適支護參數。本次研究采用FLAC3D數值建模分析技術,對錨桿間距,錨桿排距、錨索數量等參數進行分析,根據巷道巖體變形量來設定的可接受的參數,具體步驟如下:

3.1 分析錨桿間距為800mm,1000 mm,1200 mm 對應的巖體變形量。隨著錨桿之間的距離減小,巷道上部以及兩側的巖體變形量逐漸減小。基于減小錨桿之間的距離對巖體變形的影響以及支護施工的經濟可行性,最終確定錨桿之間的合理距離為1000 mm,此時巖體變形幅度明顯減小。當錨桿之間的距離減小到1000mm時,錨桿間距繼續減小時,巷道頂部、兩幫的巖體變形程度減小幅度也明顯減小。

3.2 在確定了錨桿之間的合理距離之后,改變錨桿排距對巷道上部和周圍巖體變形有影響,并且基本上不影響巷道下部變形。隨著錨桿排距減小,巷道上部和下部以及兩側的變形量逐漸減小。錨桿排距1400 mm,1200 mm,1000 mm 時, 巷道上部變形量分別為252 mm,191 mm,174 mm,減少量為26%、8%、1.5%,兩側變形量分別為345mm,274mm,257mm,減少量依次為22%、8%、0%。錨桿排距降低至1200mm后,繼續減小時,對錨桿巷道上部、下部及兩側變形量影響很小。

3.3 在確定錨點之間的距離,錨桿排距以及錨桿長度的前提下,分別分析錨索數量1、2、3 根的情況下巖體的變形量, 對比分析確定合理的錨索數目。錨索數量的變化并不主要影響巷道底板的變形。隨著錨索數量的增加,巷道上部和兩側巖體變形量逐漸減小,同時也減小幅度不隨錨索數量增加而衰減。綜合考慮選定錨索數量為3 根。

4 大斷面軟巖巷道支護施工工藝

4.1 頂部錨桿施工

4.1.1 9309 工作面使用一次全斷面掘進,巷道掘進尺寸的誤差不得大于300mm。4.1.2 隨著掘進面的前進要應及時使用錨桿,空頂距離不能大于3m。一旦發現巷道頂部、兩側破碎,就可以根據需要減小空屋空頂距。4.1.3 使用單錨氣動鉆機打孔,使用2.8 m 長、直徑28 mm 的鉆桿鉆孔。4.1.4 在鉆孔之前要檢查巷道的橫截面是否符合標準。如不符合就需要先進行一定的處理之后再鉆孔;在鉆孔之前要先清除危險活動巖石塊, 確認工作環境安全后在開始作業。要精確定位錨桿孔,誤差控制在80 mm 以內,并且錨桿孔眼要和巷道輪廓線垂直。嚴格根據錨桿的長度鉆孔,孔深與長度的誤差要可控制在±25 mm,鉆至既定的深度后,拆掉錨桿,清潔孔眼。4.1.5 將裝有螺母等配件的頂板錨桿插入孔內,設置攪拌套筒,頂推錨桿,將錨固劑打入孔內。4.1.6 當錨固劑到達孔洞底部時開始中速攪拌,主要做頂推+旋轉動作。然后加快旋轉速度,持續45s,主要做旋攪動作,使錨固劑混合均勻。托盤接近頂網時用鉆桿將其和頂網壓緊3min。攪拌全程用時不得超出80s,按錨固劑凝固所需時間等待一會,等其完全凝固再上緊螺母。4.1.7 仔細確認錨桿與頂板是否結合緊密,錨桿露在外部的部分長度是否滿足施工要求,不符合則必須補打。裝好中間首根錨桿后,再依次安裝巷道中線兩側的該排錨桿。

4.2 錨索施工

4.2.1 用單錨氣動鉆機,八根長1200mm 的鉆桿鉆孔,孔眼深度要在設計范圍內。4.2.2 用錨索推送樹脂藥卷達到孔眼底部。4.2.3錨索下部通過攪拌器連接鉆機,啟動鉆機,錨索轉動,推向孔底,攪拌過程先慢后快,當錨索外露250mm 左右時,全速旋轉越25 秒停機。4.2.4 3min 后拆除攪拌器、鉆機,用千斤頂張拉錨索,直到預緊力達到既定值。

4.3 兩側錨桿施工

4.3.1 兩側錨桿用煤電鉆鉆孔,確保孔深符合要求。4.3.2 將藥卷推送到孔底,然后將錨桿插入孔眼。4.3.3 裝好攪拌套筒,旋轉錨桿推送到孔底, 當錨桿外露95mm 左右時, 使錨桿旋轉25s 后停機。4.3.4 2min 后產出攪拌套筒,鋪設錨網,上緊螺母。4.3.5 仔細確認錨桿、托盤、露在孔外的錨桿長度是否滿足施工標準,如不符合需要重新打孔。4.3.6 巷道兩側的錨桿施工順序是從上到下、從外向內逐排布設,結合巷道兩側巖體情況先對面積較大、留空時間長的區域進行施工。

5 結論

綜上所述,錨網索聯合支護方法綜合考慮到巷道巖體復雜多變的情況,通過錨固使錨桿、巖體相互作用,聚集破碎巖塊形成整體,有效發揮巖體自身的承載力, 從而防止巖體強度的進一步減弱,保持巖體整體穩定性。同時,錨桿可以隨著巖體變形移動,支護效果穩定。錨網起到阻止錨桿間隙煤巖體松動掉落,可以有效提高巖體的完整性和支護結構的穩定性。由于錨固很深,錨索能有效發揮深部巖體的承載力,有效組織淺表巖體的破壞。同時可施加預應力支撐巖體。通過數值模擬和現場實踐可以驗證該支付方法的可靠性。