大直徑煤倉圍巖穩定性控制技術研究與應用

張智令

（鶴壁煤電股份有限公司第三煤礦，河南 鶴壁 458000）

隨著礦井機械化程度大幅度的提升，礦井的生產能力日益增大，對礦井運輸保障能力的要求也越來越高。煤倉能容納短期運輸中斷和阻塞的煤量，保證工作面連續出煤，充分發揮設備性能。煤倉一旦出現故障，會對礦井連續生產造成嚴重影響。張海志等[1]針對平煤十一礦大埋深高地應力條件下煤倉的變形，提出了錨桿、錨網、錨索及噴漿+注樹脂漿聯合支護的方式有效地控制了煤倉的整體變形；石花軍[2]針對萬利一礦31 煤煤倉倉壁變形嚴重，提出了使用高強度鋼纖維混凝土修補的維修方案，提升了煤倉倉體加固強度，大大減少了煤倉的維修工期；盧爭艷等[3]針對興盛煤礦采區煤倉巖層破碎導致煤倉頻繁破壞，提出采用“錨網噴+扎筋+澆注混凝土”復合支護技術，增強井壁的抗壓強度，解決了以往采區煤倉經常出現倉壁破裂的現象。

鶴煤三礦三水平煤倉受上部巷道集中布置、采動、煤流沖刷、淋水等因素的影響，倉體變形，嚴重影響礦井高效安全生產。該文通過對該煤倉變形特征分析及數值模擬研究，提出了相應的圍巖控制對策，并進行了現場應用，為同類地質條件的煤倉支護提供了借鑒。

1 工程概況

礦井位于鶴壁煤田中部，東西傾向寬3.1 km，南北走向長5.5 km，井田面積14.88 km2，主采煤層為山西組二1 煤層，煤層賦存穩定，結構簡單，煤層傾角8°～48°，平均21°，平均煤厚7.89 m。礦井絕對瓦斯涌出量53.10 m3/min，相對瓦斯涌出量25.76 m3/t，屬煤與瓦斯突出礦井；二1 煤層自然發火等級為Ⅲ類，煤層自然發火期91～226 天，屬不易自燃煤層；煤塵爆炸性指數為16.13%，具有爆炸危險性。礦井水文地質類型為中等，正常涌水量為170 m3/h，最大涌水量為310 m3/h。礦井井下運煤系統主要采用膠帶輸送機+臨時煤倉的方式，因此煤倉作為該礦井生產運輸系統的一個瓶頸，一旦其煤倉發生變形等，將直接導致其礦井停產。三水平卸載倉變形破壞圖如圖1。

圖1 三水平卸載倉變形破壞圖（mm）

2 三水平煤倉變形狀況及支護對策分析

2.1 三水平煤倉變形狀況

鶴煤三礦三水平煤倉于2002 年施工完成，位于井田中部，主要承擔礦井煤炭運輸、存儲任務，為礦井主要運煤環節。近年來該煤倉受上部巷道集中布置、采動、煤流沖刷、淋水等因素影響，倉體、上鎖口變形嚴重。該煤倉施工先后分別依次揭露砂質泥巖、二1 煤層、砂質泥巖、砂巖，其煤、巖層傾角為30°。該煤倉原設計直徑6 m，垂深30 m，煤倉原支護及期間維修支護均采用錨網噴支護。該煤倉在正常使用期間由于上部巷道集中布置，因受采動、裂隙出水等影響，壓力顯現極為明顯。其中，倉體上部脫落現象尤為嚴重，脫落深度達到10～16 m 左右；倉口中部及下部也有不同程度的脫落，平均片落深度6～8 m 左右。且倉體內原有錨桿支護已失效，噴漿層已脫落，加之倉壁自然脫落、淋水、放煤、沖煤以及自身壓力釋放，造成倉體上部及上鎖口已全部坍塌。煤倉倉口坍塌后形成一個不規則圓形坑，直徑約16 m，深16 m，坑體體積約3200 m3，其煤倉已無法正常投入使用。依據該礦井采區接替現狀及該區域巷道布置、運輸性質等，目前主要布置有41、42 運輸上山皮帶巷，均需連接三水平煤倉，完成采區運煤任務。因此，該煤倉服務年限設計還需20 a。為滿足生產需要，需對煤倉重新整修加固。

2.2 三水平卸載倉支護對策研究

深部巖體工程是一個緩慢長期的過程，鶴煤三礦三水平煤倉已使用21 a 的時間，使用期間多次維修[4-5]。通過現場查看發現，三水平煤倉經過多次維修后，長期的變形導致圍巖的松動范圍大，由原倉體設計直徑Ф6 m 擴大至倉體最大直徑Ф16 m。故在修復時不宜再采用讓壓支護，需要加大三水平煤倉支護強度，擴大巷道的支護范圍，把深部圍巖強度調動起來，提高煤倉周圍圍巖的穩定性，提高圍巖的整體性和自承載能力，并對圍巖起到加固效果，實現對煤倉圍巖的主動支護[6-7]。鑒于此，三水平煤倉的修復應采用錨桿+錨索的支護方式。考慮到水對倉壁的影響，還需對煤倉進行扎緊和澆注混凝土支護。

3 數值模擬研究

3.1 數值模型

根據模擬區域的巖層分布特征，建立了簡化的三維數值模型，如圖2 所示。

圖2 三水平煤倉數值模型測點布置圖

模型底部邊界和前后邊界采用位移約束，兩側和頂部邊界自由，采用荷載加載，模擬采動應力發生變化以及水平應力發生變化的情況下圍巖的穩定性。依據煤層埋深模型，頂部荷載11 MPa 模擬垂直地應力，水平方向施加載荷6 MPa 模擬側向應力，在模型的上表面載荷壓力均布分布。模型尺寸為長× 寬× 高=140 m×140 m×80 m，共計39 538 個單元。根據三水平煤倉的變形破壞特征，將三水平煤倉原倉體直徑由Ф6 m 變為Ф10 m，采用FLAC3D對煤倉進行錨桿、錨索支護方案模擬，并分別在煤倉數值模型上取A～E 五個觀測點來反映煤倉位移和塑性區的變化特征。首先，模擬煤倉分別在600 mm×600 mm、700 mm×700 mm、800 mm×800 mm、900 mm×900 mm、1000 mm×1000 mm、1100 mm×1100 mm 和1200 mm×1200 mm 七種錨桿間排距下的位移和塑性區變化特征，然后再模 擬1100 mm×1100 mm、1300 mm×1300 mm、1500 mm×1500 mm、1700 mm×1700 mm 和1900 mm×1900 mm 五種錨索間排距下的位移和塑性區變化特征，進而得到最佳的錨桿-錨索聯合支護效果。

3.2 錨桿支護條件下煤倉圍巖變化特征

3.2.1 三水平煤倉不同錨桿間排距圍巖位移變化特征

從圖3 可以看出，隨著錨桿間排距逐漸擴大，三水平煤倉各測點的最大位移分為兩個階段：在錨桿間排距小于800 mm×800 mm 時，煤倉的最大位移變化趨勢相對緩慢，圍巖位移最大變化點在B 測點，變化量為81 mm；當間距超過800 mm×800 mm 時，三水平煤倉各位移點的變化趨勢較為迅速，位移最大變化點在B 測點，變化量為365 mm。由此說明當錨桿間排距超過一定的距離時，三水平煤倉圍巖的穩定性變化較為明顯。

圖3 三水平煤倉不同錨桿間排距位移變化圖

3.2.2 三水平煤倉不同錨桿間排距圍巖塑性區變化特征

從圖4 可以看出，隨著錨桿間排距的變化，三水平煤倉圍巖塑性區的變化范圍從煤倉周邊逐漸向煤倉圍巖深部不斷地延伸，且三水平煤倉塑性區的變化趨勢和圍巖位移變化有一定的相似性。在錨桿間排距小于800 mm×800 mm 時，煤倉圍巖塑性區最大深度增加較為明顯，增加幅度最明顯的為D 測點的56%；在錨桿間排距大于800 mm×800 mm 時，煤倉圍巖塑性區最大深度增加更為急促，增加幅度最明顯的為A 測點的61%。

圖4 三水平煤倉不同錨桿間排距塑性區變化圖

3.3 錨網索聯合支護條件下圍巖變化特征

3.3.1 三水平煤倉不同錨索間排距圍巖位移變化特征

從圖5 可以看出，三水平煤倉在增加錨索支護后圍巖位移明顯減小。其位移變化特征也分為兩個階段：錨索間排距在小于1500 mm×1500 mm 時，三水平煤倉圍巖位移增加趨勢相對平緩，最大變化值出現在C 測點，其值為48 mm；在間排距大于1500 mm×1500 mm 時，煤倉圍巖位移增加量相對比較明顯，最大變化值出現在D 測點，其值為97 mm。從位移變化可以看出，三水平煤倉在加入錨索支護之后，大大提高了圍巖支護強度，有效控制了三水平煤倉圍巖位移改變量。

圖5 三水平煤倉不同錨索間排距位移變化圖

3.3.2 三水平煤倉不同錨索間排距塑性區變化特征

從圖6 可以看出，三水平煤倉圍巖塑性區隨錨索間排距的增加呈現逐漸增大的趨勢。錨索間排距小于1500 mm×1500 mm 時為第一階段，最大變化量出現在C 測點，其值為0.92 m；當間排距大于1500 mm×1500 mm 時為第二階段，最大變化量出現在D 測點，其值為1.54 m。變化趨勢與圍巖位移的變化趨勢一致。

圖6 三水平煤倉不同錨索間排距塑性區變化圖

綜上所述，通過分析三水平煤倉在錨桿和錨索不同支護條件下的煤倉圍巖位移和塑性區的變化特征，同時結合工程建設經濟性，確定三水平煤倉圍巖錨網索聯合支護的支護參數為錨桿間排距為800 mm×800 mm，錨索間排距為1500 mm×1500 mm。

4 工程實踐

錨桿采用Φ22 mm×2400 mm 樹脂錨桿，間排距800 mm×800 mm，鋼筋點焊網采用Φ6.5 mm 鋼筋加工而成，規格2000 mm×1000 mm，網格100 mm×100 mm，采用網邊壓茬和拉握方式聯網，錨桿打在壓茬處。錨索采用Φ18.4 mm×5300 mm 鋼絞線，錨索間排距1500 mm×1500 mm，錨索托盤規格：長×寬×厚=250 mm×250 mm×20 mm。噴射砼厚度以蓋嚴網為宜，砼等級C20。在錨桿支護完成后，再對煤倉自下而上進行扎筋、立模、澆筑混凝土。混凝土等級C30，鋼筋采用Φ18 mm，倉體直徑為Φ10 000 mm，縱筋環筋間距為300 mm×300 mm，內環與外環間距390 mm，倉體與鋼筋間使用混凝土澆筑。具體現場實施過程如下：

1）施工前準備

① 施工前將上倉口附近電纜、管路進行調整，將倉口周圍開裂巷道、頂部漿皮、裸露巖石進行維修，噴漿打錨桿、錨索進行加固后，再進行入倉作業。在三水平煤倉距倉口兩側10～20 m 處各安裝一臺JH-14 型回柱絞車，并在煤倉上口安裝一個25 t的定滑輪，一臺升降人員，一臺升降物料。

② 加工吊桶，作為人員和物料升倉、入倉的容器。

③ 為保證煤倉通風，在煤倉進風側安裝FBDNo6.3/2×30 局部通風機。

④ 在煤倉上口使用腳手架搭設圍欄，使用皮帶將其圍住，防止小物件從煤倉上口掉入倉內將人員砸傷，并懸掛警示標識。倉內、倉外安裝聲光信號作為回柱絞車的聯絡信號，同時安設固定電話進行通信。

⑤ 向煤倉內接入照明燈、風筒、高壓風管及水管、瓦斯傳感器及一氧化碳傳感器等監控設備。將施工使用的錨桿、金屬網、輸料管、攪拌機及人員使用的安全帶等施工機具和材料準備齊全。

2）煤倉倉體填充

該煤倉坍塌后，由于考慮到煤倉垮落已經形成直徑約16 m、深16 m 的不規則圓形坑，施工人員不安全，且該煤倉下部整修需要放煤，煤倉垮塌時掉入倉內的磕車機、500#工字鋼、10 mm 厚的鋼板等設備，有可能堵塞倉嘴，造成煤放不出來，如果出現無法將煤放出的情況，只能采用人工裝煤，吊桶提煤，這樣不但增加工人勞動強度，同時造成工期延長。綜合以上，決定采用在倉內盤木垛的方法往倉內填木料，每個木垛高度2 m，每個木垛中間間隔一個木垛，盤“井”字型木垛。先將倉內用木料充填，從頂部開始加強支護和臨時支護。使用木料充填的目的：一是木料易裝車運走；二是通過在木料上鋪上木板，施工人員腳下有站立點，能確保施工人員的安全，降低施工難度。

3）倉體臨時支護及永久支護

在三水平煤倉的平臺、穩車及安全設施安裝完成后，開始在煤倉頂部向倉內打錨桿、錨索、噴漿加強支護和臨時支護。煤倉每向下2000 mm 的木料就鋪設一次平臺，人員站在平臺上進行錨網噴作業，采用MQT-130/3.0S 系列氣動錨索鉆機進行永久支護作業。由于巖性破碎，煤倉澆混凝土較厚，采用打外露錨桿與外露錨索，外露長度與鋼筋骨架相連接，確保澆注期間，防止因混凝土自重引起下沉。

4）煤倉澆注混凝土

待煤倉圍巖支護結束后，從下部向上進行鋼筋混凝土支護，采用綁鋼筋、穩胎、澆筑工序。鋼筋采用Φ18 mm 鋼筋型號，每胎1 m，逐胎向上澆筑。澆筑混凝土時4 個振動棒循環使用，減少混凝土蜂窩、麻面，使混凝土均勻分布，提高支護效果。澆灌砼必須對稱入模板，分層進行，且澆注時隔不宜過長。在澆注時用振動棒進行振搗，振搗時要快插慢拔，要深入到下層砼中100 mm 左右，保證上下搭接，每次移動400 mm 左右，振搗時間在20～30 s。

5 應用效果

通過近7 個月的現場應用，煤倉采用錨網索噴+澆注混凝土的永久支護，煤倉倉體沒有出現噴漿體開裂、淋水等現象，支護保持完好，解決了大直徑煤倉支護難度大、施工質量差等難題，較原煤倉錨網噴支護強度高，保證了支護效果；減少二次維修、多次維修成本，可節約維修費用約300 萬元；滿足了礦井主煤流系統和提升能力需要，使井下倉儲能力較原倉儲能力增加了約410 t，提高了煤流系統緩沖能力；每月可增加800 多萬元利潤，為鶴煤三礦的安全高效生產提供了堅實的保障，取得了顯著的社會效益和經濟效益。

6 結語

1）結合鶴煤三礦三水平煤倉的地質條件，利用FLAC3D對煤倉在錨桿索不同間排距支護時的狀況進行了數值模擬，通過位移和塑性區的變化特征分析，確定了煤倉最優錨網索聯合支護方案。

2）現場應用效果表明，煤倉采用錨網索噴+澆注混凝土的永久支護，煤倉倉體沒有出現噴漿體開裂、淋水等現象，支護完好，有效解決了大直徑煤倉支護難度大、施工質量差等難題。