富水弱膠結(jié)軟巖巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)技術(shù)

白立軍 BAI Li-jun

（國(guó)家能源寧夏煤業(yè)公司梅花井煤礦，銀川 751410）

0 引言

富水弱膠結(jié)軟巖是一種特殊的地質(zhì)巖層，主要分布在西部地區(qū)[1]。與普通地質(zhì)巖層不同，富水弱膠結(jié)軟巖結(jié)構(gòu)較為松散，礦物成分主要以親水性礦物為主，很容易軟化碎裂。因此，弱膠結(jié)軟巖的抗壓強(qiáng)度較低，泥化現(xiàn)象嚴(yán)重，巷道內(nèi)力學(xué)性質(zhì)極不穩(wěn)定。在巷道掘進(jìn)開挖的過程中，經(jīng)常出現(xiàn)形變、塌方等災(zāi)害，對(duì)于巷道的掘進(jìn)具有嚴(yán)重影響，也為礦井資源高效開采帶來(lái)了制約條件[2]。為了更加有效地在富水弱膠結(jié)軟巖中進(jìn)行巷道掘進(jìn)，巷道掘進(jìn)過程中頂板支護(hù)技術(shù)開始實(shí)施。傳統(tǒng)頂板支護(hù)技術(shù)主要以錨桿、錨索為主，在富水弱膠結(jié)軟巖區(qū)域施工經(jīng)常出現(xiàn)拔錨脫出的現(xiàn)象，造成弱膠結(jié)軟巖結(jié)構(gòu)松散破碎的現(xiàn)象，無(wú)法有效提高巷道掘進(jìn)效率[3]。基于此，本文研究了富水弱膠結(jié)軟巖巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)技術(shù)這一課題。將巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)固定范圍縮小，減少支護(hù)結(jié)構(gòu)位移偏差值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)頂板支護(hù)的穩(wěn)定施工。

1 工程概況

本文以M煤礦井為例，研究該礦井的富水弱膠結(jié)軟巖巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)施工技術(shù)。M煤礦井位于某市，是國(guó)家批準(zhǔn)的億噸級(jí)大型煤田。其中包括多個(gè)礦區(qū)，設(shè)計(jì)產(chǎn)量為8.56Mt/a，是該地區(qū)主要產(chǎn)煤地。M煤礦井經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的礦產(chǎn)資源開采，資源逐漸減少。目前來(lái)講，僅剩富水弱膠結(jié)軟巖巷道沒有進(jìn)行開采。富水弱膠結(jié)軟巖巷道與普通巷道同時(shí)施工，由于水層條件與土層條件不同，富水弱膠結(jié)軟巖巷道始終沒有進(jìn)行高效的資源開采，而這主要與該巷道的土層條件有關(guān)。巷道內(nèi)部存在含水層，含水層的含水量分別為I級(jí)、II級(jí)、III級(jí)，II級(jí)與III級(jí)含水層的主要巖性基調(diào)為綠、灰、藍(lán)[4]。如圖1所示。

其中，巖性為灰色的巖層以中粒砂巖為主；巖性為綠色的巖層以粉砂巖為主；巖性為藍(lán)色的巖層以石英小礫石為主。根據(jù)巖層中水質(zhì)豐富程度來(lái)看，巖層中膠結(jié)性也分為I級(jí)、II級(jí)、III級(jí)，膠結(jié)程度較差，巖層土質(zhì)較為松散。在此條件下進(jìn)行巷道掘進(jìn)極不容易，原本的巷道頂板在III級(jí)含水層附近，在巷道掘進(jìn)過程中，出現(xiàn)過6次及以上大小規(guī)模不一的涌水現(xiàn)象，造成了較大的礦井開采事故。因此，本文對(duì)頂板支護(hù)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，減少巷道掘進(jìn)出現(xiàn)的涌水現(xiàn)象，提高支護(hù)穩(wěn)定性。

2 施工過程

2.1 確定無(wú)偏差頂板巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)

為了減少頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)位移現(xiàn)象，本文分別在錨索、鋼帶、噴射混凝土、鋼纖維混凝土、金屬網(wǎng)、注漿錨桿、抗阻錨索束等支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)方面進(jìn)行設(shè)定。其中，錨索采用D17.5mm×L7000mm規(guī)格的鋼絞線，并以500mm×500mm的間距與鋼帶連接。鋼帶長(zhǎng)度為1500mm，一個(gè)鋼帶連接兩個(gè)錨索[5]。噴射混凝土中水泥、砂石、石料的比例為1∶1∶2。鋼纖維混凝土中水泥、砂石、石料的比例為1:1.6:1.2。金屬網(wǎng)網(wǎng)格規(guī)格為150mm×150mm，網(wǎng)片規(guī)格為1500mm×3000mm。注漿錨桿長(zhǎng)度為2200mm，以2200mm×2200mm的形式排布鋼索。抗阻錨索束最大預(yù)應(yīng)力為300kN，在砂漿灌注的基礎(chǔ)上，保證頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)高精度施工[6]。在確定支護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上，本文對(duì)巷道圍巖狀態(tài)分布情況進(jìn)行分析，如圖2所示。

如圖2所示，B為巷道軟巖彈性區(qū)域；B1為巷道軟巖塑性硬化區(qū)域；B2為巷道軟巖軟化區(qū)域；B3為巷道軟巖殘余應(yīng)力區(qū)域。由于富水弱膠結(jié)軟巖巖層土質(zhì)較為細(xì)軟，硬化區(qū)域在其他巖層中同屬于軟化區(qū)域。本文根據(jù)巷道圍巖狀態(tài)，將巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)分為四個(gè)部分：第一部分，在巷道軟巖彈性區(qū)域B，安裝高強(qiáng)度錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)，保證頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定在巷道周圍，提高支護(hù)穩(wěn)定性；第二部分，在巷道軟巖塑性硬化區(qū)域B1，安裝金屬錨架噴上100mm厚度的鋼纖維混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)，并在支護(hù)樁位置上設(shè)置支護(hù)抗阻鎖束，對(duì)支護(hù)位移進(jìn)行約束，減少支護(hù)受力位移的現(xiàn)象；第三部分，在巷道軟巖軟化區(qū)域B2，安裝注漿錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)，在第一次進(jìn)行巷道支護(hù)的過程中，實(shí)時(shí)觀測(cè)礦井的受力情況，此時(shí)，巷道出現(xiàn)輕微收斂變形情況，立即開始注漿錨桿二次錨注，使支護(hù)結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)硬，控制B2軟化區(qū)域的巷道頂板支護(hù)形變量；第四部分，在巷道軟巖殘余應(yīng)力區(qū)域B3，安裝加固支護(hù)樁結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)幫助了B3區(qū)域卸掉頂板殘余應(yīng)力，使用C30素混凝土的澆灌方式，對(duì)錨索束進(jìn)行多次加固，使支護(hù)樁斷面更加適合富水弱膠結(jié)軟巖巷道施工。

2.2 預(yù)留富水弱膠結(jié)軟巖巷道掘進(jìn)最大錯(cuò)距

富水弱膠結(jié)軟巖自穩(wěn)時(shí)間較短，進(jìn)行頂板支護(hù)施工，對(duì)于減少巷道開采出現(xiàn)的滑塌現(xiàn)象具有重要作用。本文在確定了巷道頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)之后，在支護(hù)固定時(shí)，預(yù)留出巷道掘進(jìn)的最大錯(cuò)距，進(jìn)一步減輕頂板支護(hù)受力位移情況[7]。本文在巷道掘進(jìn)最深處，采集到巖層土質(zhì)，對(duì)其進(jìn)行物理性質(zhì)分析，如表1所示。

如表1所示，巖土中體積模量、剪切模量、抗拉強(qiáng)度、粘聚力、摩擦角、殘余粘聚力、殘余摩擦角等巖性均低于基礎(chǔ)值。為了加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度，減輕支護(hù)水平位移情況，本文在原本支護(hù)斷裂處向外延伸1.0cm。同時(shí)在原支護(hù)斷裂位置正上方放置頂板，由于矸石、煤柱、實(shí)體煤共同承擔(dān)軟巖對(duì)巷道施加的壓力[8]。在此基礎(chǔ)上，本文對(duì)原本支護(hù)斷裂位置的最大錯(cuò)距進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

表1 巖土物理性質(zhì)參數(shù)表

式（1）中，Cmax為最大錯(cuò)距；Ca為工作面位置；tan α為摩擦角正弦值；t為常數(shù)；α與β為摩擦角與殘余摩擦角；m為基本彈性模量；f為頂板抗拉強(qiáng)度；cos α為摩擦角的余弦值。根據(jù)M煤礦井的實(shí)際情況，本文將相關(guān)參數(shù)代入到支護(hù)施工中，為支護(hù)結(jié)構(gòu)提供最大受力形變位置。根據(jù)支護(hù)最大錯(cuò)距的計(jì)算，本文將R作為斷裂支護(hù)的荷載，由此得出的最大位移值如下：

式（2）中，R為斷裂支護(hù)荷載；K為支護(hù)節(jié)點(diǎn)斷裂長(zhǎng)度；λ為頂板受力系數(shù)；M為頂板支護(hù)的最大位移值；△F為頂板受力荷載差值。根據(jù)原始支護(hù)的最大錯(cuò)距與最大位移值，本文預(yù)留出約1.0cm的錯(cuò)距與位移區(qū)域，最大限度減少支護(hù)斷裂情況，支護(hù)位移距離更小。

2.3 安裝垂直支護(hù)固定樁

在安裝垂直支護(hù)固定樁之前，本次工程鋪設(shè)了彈性位移趨向支護(hù)型鋼結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。支護(hù)型鋼結(jié)構(gòu)鋪設(shè)在巷道支護(hù)工作面的順槽中，上下凈寬為2200mm，凈高度為1600mm。在錨網(wǎng)、鋼帶、錨索全錨支護(hù)形式的基礎(chǔ)上，支護(hù)型鋼結(jié)構(gòu)采用Ф11×1200mmKMG250高強(qiáng)度的螺旋鋼結(jié)構(gòu)，其預(yù)緊力≥120N/m。鋼身采用Ф10×1000mmKMG200螺旋鋼結(jié)構(gòu)，預(yù)緊力≥60N/m；鋼結(jié)構(gòu)的頂部位置采用Ф8.9×3100mm高強(qiáng)度的鋼絞線結(jié)構(gòu)，錨索預(yù)緊力≥100N/m。由于巷道原始順槽穩(wěn)定性較差，頂板支護(hù)破碎情況明顯。本文在鋪設(shè)支護(hù)型鋼結(jié)構(gòu)時(shí)采用挑頂?shù)姆绞剑潭ㄗ∠锏理敳浚乐姑襟w脫落，在一定程度上延長(zhǎng)了富水弱膠結(jié)軟巖的自穩(wěn)時(shí)間。為了更進(jìn)一步加強(qiáng)頂板支護(hù)的穩(wěn)定性，減少支護(hù)位移情況，本文在支護(hù)型鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，安裝垂直支護(hù)固定樁，如圖3所示。

如圖3所示，P為軟巖土在支護(hù)固定樁的高度，H為頂板長(zhǎng)度。本文將支護(hù)固定樁固定在軟巖土工作面上，從順槽處直接進(jìn)行巷道掘進(jìn)，軟巖土的直接底與老底相對(duì)堅(jiān)硬，巷道掘進(jìn)效率較高。當(dāng)巷道掘進(jìn)距離增加時(shí)，軟巖土自穩(wěn)性能逐漸下降，此時(shí)將錨樁與拉桿箱靠近頂板處傾斜，傾斜到一定程度之后，頂板支護(hù)處于穩(wěn)定固定在軟巖中的狀態(tài)，在頂板處施加一個(gè)應(yīng)力，即可進(jìn)一步延長(zhǎng)富水弱膠結(jié)軟巖的自穩(wěn)時(shí)間，為巷道繼續(xù)掘進(jìn)提供保障。巷道掘進(jìn)完成并不是最終目的，提升開采效率才是本文的終極目標(biāo)。因此，本文將頂板與支護(hù)固定樁呈90°固定，軟巖土距離錨樁與拉桿較長(zhǎng)，此種形式有效地控制了圍巖的壓力，減少巷道出現(xiàn)剪切變形的情況。同時(shí)，垂直支護(hù)固定樁的安裝，將頂板支護(hù)進(jìn)一步固定，最大限度地減輕了支護(hù)位移現(xiàn)象，使支護(hù)穩(wěn)定性更強(qiáng)。

3 施工結(jié)果與討論

在上述施工條件下，本文隨機(jī)選取巷道掘進(jìn)深度節(jié)點(diǎn)，給定相對(duì)應(yīng)的集中應(yīng)力，利用如圖4所示的位移測(cè)量?jī)x測(cè)量頂板支護(hù)位移值。

如圖4所示，根據(jù)該測(cè)量?jī)x量程大，三維測(cè)量，可以精確到mm，誤差較小等能力，測(cè)量出適用本文設(shè)計(jì)的支護(hù)技術(shù)后，頂板支護(hù)的位移值，如表2所示。

表2 施工結(jié)果

如表2所示，支護(hù)穩(wěn)定性與巷道掘進(jìn)深度、集中應(yīng)力、頂板支護(hù)最大位移值等方面有關(guān)。如圖5所示。

由圖5所知，隨著巷道掘進(jìn)深度的增加，頂板受到的集中應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)增加，支護(hù)位移情況隨之加重，影響支護(hù)穩(wěn)定性。在巷道掘進(jìn)深度與集中應(yīng)力增加的環(huán)境下，對(duì)應(yīng)的支護(hù)位移存在一個(gè)最大指標(biāo)，超出最大支護(hù)位移值，就會(huì)喪失支護(hù)穩(wěn)定性，影響最終的施工結(jié)果。使用本文設(shè)計(jì)的支護(hù)技術(shù)后，頂板支護(hù)位移值得到了明顯的改善，在低于最大支護(hù)位移值的基礎(chǔ)上，支護(hù)位移值始終低于1.91cm。因此，使用本文設(shè)計(jì)的支護(hù)技術(shù)，在集中應(yīng)力與巷道條件一致的情況下，位移偏差較小，支護(hù)穩(wěn)定性更高，符合本文研究目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

礦產(chǎn)資源開采成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的主要原因，隨著開采水平的提高，礦區(qū)每年礦產(chǎn)資源的開采深度不斷增加。礦井區(qū)域的開采深度增加，地質(zhì)巖層也會(huì)發(fā)生變化。富水弱膠結(jié)軟巖是礦井中常見的土質(zhì)，遇到水會(huì)發(fā)生泥化，巷道挖掘過程中的力學(xué)性質(zhì)極不穩(wěn)定。基于此，本文研究了富水弱膠結(jié)軟巖巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)技術(shù)。在確定支護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，預(yù)留出支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大掘進(jìn)錯(cuò)距，減少了支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移偏差值。同時(shí)，鋪設(shè)支護(hù)型鋼結(jié)構(gòu)之后，安裝支護(hù)結(jié)構(gòu)的固定樁。最終結(jié)果得出本文設(shè)計(jì)的支護(hù)技術(shù)頂板支護(hù)位移值更小的結(jié)論，為巷道安全穩(wěn)定掘進(jìn)提供保障。