強(qiáng)烈動(dòng)壓影響下的沿空留巷巷道加固技術(shù)

摘 　要 : 為解決強(qiáng)烈動(dòng)壓影響下沿空留巷巷道加固的技術(shù)難題 , 針對(duì)新莊孜煤礦 66110 工作面運(yùn)輸巷受自身工作面及下方僅 10 m 距離的 66109 工作面的采動(dòng)影響及需要沿空留巷的情況 , 采用理論分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的方法分析其破壞特點(diǎn)及影響因素 , 結(jié)合高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力一次支護(hù)理論與最新研制的高強(qiáng)度支護(hù)材料 , 提出了巷道的加固方案 , 確立了合理的支護(hù)參數(shù) , 并成功應(yīng)用。研究結(jié)果表明 :采用強(qiáng)力錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)后 , 66110 運(yùn)輸巷在受到 2 個(gè)工作面采動(dòng)影響的情況下 , 工作面前方巷道兩幫移近量為 210 mm, 頂?shù)装逡平繛?242 mm, 分別比原支護(hù)巷道降低 80% 和 69% , 工作面后方留巷段兩幫移近量為 406 mm, 頂?shù)装逡平繛?340 mm, 巷道變形得到了有效控制。

1 　概 　　述

　　淮南礦區(qū)是典型的高瓦斯礦區(qū) , 為防治瓦斯對(duì)煤礦生產(chǎn)的安全威脅 , 淮南礦業(yè)集團(tuán)公司采取了多種有效措施

, 其中開(kāi)采保護(hù)層與 Y 型通風(fēng)應(yīng)用較為廣泛, 為瓦斯排放、保證安全生產(chǎn)提供了重要的技術(shù)保障?；茨系V區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜 , 開(kāi)采煤層多達(dá) 8 ～ 15 層 , 采用多組高瓦斯煤層群開(kāi)采方式 , 在生產(chǎn)過(guò)程中 , 經(jīng)常遇到相鄰煤層互相受到采動(dòng)影響的情況 , 巷道圍巖在強(qiáng)烈動(dòng)壓影響下 , 塑性區(qū)擴(kuò)大 , 造成巷道冒頂、片幫嚴(yán)重 , 巷道維護(hù)十分

困難 , 加之多條巷道要進(jìn)行留巷 , 甚至多次留巷 ,對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性控制提出了更高的要求。對(duì)于復(fù)雜困難巷道的加固 , 有的采用注漿加固配合錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方式, 取得了良好的效果 , 但是注漿成本高 , 工作量大。近幾年 , 開(kāi)發(fā)了不同類型的固技術(shù) , 這些技術(shù)具有錨固力和錨固長(zhǎng)度大、可施加較大預(yù)緊力和及時(shí)支護(hù)等優(yōu)點(diǎn) , 在復(fù)雜困難巷道支護(hù)和補(bǔ)強(qiáng)加固中得到了廣泛應(yīng)用 。

　　本文針對(duì)淮南新莊孜煤礦 66110 工作面運(yùn)輸巷受強(qiáng)烈采動(dòng)影響并且沿空留巷的支護(hù)問(wèn)題 , 分析了其破壞因素和控制機(jī)理 , 提出了巷道加固支護(hù)方案 , 并進(jìn)行了工程實(shí)踐。

2 　試驗(yàn)巷道概況

　　 66110 工作面為開(kāi)采保護(hù)層工作面 , 工作面標(biāo)高 - 550 m, 其下部 10 m 為正在回采的 66109 工作

面 , 且 66110 工作面緊鄰 66210 工作面 , 工作面巷道布置情況如圖 1 所示。該工作面開(kāi)采的 B10 煤為

結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄煤層 , 暗淡型煤 , 在上部有 1 ～ 2 層夾矸 , 煤體夾矸厚度為 0 1 2 ～ 0 1 7 m, 平均厚度為

0 1 5 m 。煤層總厚度 0 1 7 ～ 1 1 5 m, 平均 1 1 2 m, 煤層傾角在 26 ～ 28 ° , 其頂?shù)装鍘r性情況見(jiàn)表

66110 工作面運(yùn)輸巷為拱形半煤巖巷道 , 寬 ×高為 4 000 mm × 3 200 mm, 原巷道采用了 ? 20 mm

× 2 200 mm 左旋螺紋鋼等強(qiáng)錨桿進(jìn)行支護(hù) , 頂板錨桿間排距均為 800 mm, 幫部錨桿間距為 650mm 、排距為 800 mm, 配合 ∏ 2 型鋼帶 , 巷道頂板施工 3 根 ? 17 1 8 mm × 8 000 mm 的錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù) , 錨索間距為 2 000 mm, 排距為 3 200 mm 。

　　為進(jìn)行 Y 型通風(fēng) , 66110 工作面運(yùn)輸巷需要進(jìn)行留巷 , 且該巷道將來(lái)要為 66210 工作面服務(wù) , 同樣要為 Y 型通風(fēng)進(jìn)行留巷。因此 , 66110 工作面運(yùn)輸巷 AB 段要進(jìn)行 2 次留巷 , 其下部又受到 66109工作面采動(dòng)的影響 , 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn) , 66110 工作面運(yùn)輸巷頂板巖層已經(jīng)發(fā)生了較大范圍的離層 , 局部頂板非常破碎 , 頂?shù)装逡平科骄_(dá) 782 mm, 兩幫移近量最大達(dá) 1 700 mm, 為保證巷道的安全 ,期間曾進(jìn)行架棚支護(hù)并加密錨桿 , 但效果不明顯 ,巷道維護(hù)非常困難。

3 　巷道圍巖破壞原因及加固理論

3 . 1 　巷道圍巖破壞原因分析

　　結(jié)合新莊孜礦 66110 工作面的地質(zhì)條件和開(kāi)采技術(shù)現(xiàn)狀 , 分析其運(yùn)輸巷變形破壞的影響因素。

　1)采動(dòng)影響。正在回采的 66109 工作面位于66110 工作面下部?jī)H 10 m, 采動(dòng)影響明顯 , 目前巷道的變形破壞主要是由 66109 工作面采動(dòng)影響引起 , 并且將來(lái)還要受到 66110 和 66210 工作面回采的采動(dòng)影響。因此 , 該巷道屬于強(qiáng)烈動(dòng)壓影響巷道 , 巷道維護(hù)難度很大。

2)垂直應(yīng)力。該巷道埋深為 600 m, 地壓大 ,承受較大的垂直應(yīng)力。

3)圍巖性質(zhì)。按照煤礦錨噴支護(hù)巷道圍巖分類, 該巷道的直接頂和兩幫屬于穩(wěn)定性較差的巖層 , 底板屬于不穩(wěn)定巖層。圍巖自身強(qiáng)度低 , 受動(dòng)壓影響后 , 塑性區(qū)擴(kuò)大 , 出現(xiàn)碎脹破壞 , 成為巷道破壞的主要原因。

4)原有支護(hù)不合理。原支護(hù)錨桿錨索預(yù)緊力施加不夠 , 很多托板和鋼帶都不能貼緊巷道表面 ,鋼帶與錨桿不匹配 , 容易發(fā)生鋼帶剪切錨桿而使錨桿失效的現(xiàn)象 , 且鋼帶寬度較小 , 護(hù)表效果不佳。

3.2 　巷道圍巖加固理論

　　根據(jù)上述巷道變形破壞的影響因素 , 同時(shí)考慮到生產(chǎn)計(jì)劃需要盡快使用巷道 , 選擇了施工速度快、支護(hù)效果好的錨桿錨索聯(lián)合加固方案。

　　目前 , 對(duì)于這種受強(qiáng)動(dòng)壓、大變形復(fù)雜困難巷道的支護(hù) , 主要有 2 種理論。

1)二次支護(hù)理論。該理論認(rèn)為 , 一次支護(hù)在保持巷道圍巖穩(wěn)定的前提下 , 允許圍巖有一定的變形以釋放壓力 , 待圍巖變形穩(wěn)定之后進(jìn)行二次支護(hù) , 以保證巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。這種理論在一定條件下已經(jīng)取得了良好的效果 , 也得到了廣泛的認(rèn)可

[8 ] 。但是在強(qiáng)動(dòng)壓影響、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育及松軟破碎不穩(wěn)定巷道等地段 , 采用二次支護(hù)之后破壞仍在繼續(xù) , 甚至需要多次支護(hù) , 圍巖變形長(zhǎng)期得不到有效控制。

2)高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力一次支護(hù)理論 。強(qiáng)力一次支護(hù)理論的實(shí)質(zhì)是大幅度提高支護(hù)系統(tǒng)的初期支護(hù)剛度和強(qiáng)度 , 有效控制圍巖變形 , 保持圍巖的完整性 , 減小煤巖體強(qiáng)度的降低。采用高預(yù)緊力、強(qiáng)力支護(hù) , 盡量一次支護(hù)就能滿足生產(chǎn)要求 , 避免二次支護(hù)和巷道維修。

　　該巷道歷經(jīng)多次維修 , 但巷道變形長(zhǎng)期沒(méi)有得到控制 , 且該巷道受強(qiáng)烈動(dòng)壓影響并要進(jìn)行沿空留巷 , 因此采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力一次支護(hù)理論進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)較為合理 , 高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力一次支護(hù)系統(tǒng)可以改善圍巖應(yīng)力環(huán)境 , 提高圍巖殘余強(qiáng)度 , 阻止圍巖出現(xiàn)張開(kāi)裂隙和裂紋、結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)離層與滑動(dòng) , 最大限度地保持圍巖的完整 , 避免有害變形出現(xiàn)。因此 , 需要強(qiáng)力一次支護(hù)系統(tǒng)達(dá)到以下 2 個(gè)條件:

①支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)有足夠的初期支護(hù)強(qiáng)度和剛度 , 有效控制離層、滑動(dòng)、裂隙張開(kāi)及新裂紋產(chǎn)生等不連續(xù)變形 , 保持圍巖的完整性 , 一方面保證錨固體整體結(jié)構(gòu)不破壞 , 另一方面確保錨桿、錨索的錨固力 ,并使其有效擴(kuò)散到圍巖中 ;

②支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的延伸率 , 允許巷道圍巖有一定的連續(xù)變形和整體位移 , 但是 , 巷道在服務(wù)期間的總位移量應(yīng)滿足生產(chǎn)要求。另外 , 還需要支護(hù)系統(tǒng)的可操作性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)合理。要實(shí)現(xiàn)足夠的支護(hù)剛度與強(qiáng)度 , 就要求錨

桿預(yù)緊力與直徑、強(qiáng)度達(dá)到一定的要求 , 并且通過(guò)鋼帶、金屬網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力的有效擴(kuò)散, 從而改善圍巖應(yīng)力狀態(tài) , 提高圍巖強(qiáng)度 , 并可有效阻止圍巖的有害變形 , 防止頂板離層、煤幫體積膨脹 , 從而達(dá)到控制強(qiáng)烈動(dòng)壓影響巷道的目的。

4 　強(qiáng)力錨桿錨索支護(hù)材料

4.1 　強(qiáng)力錨桿

　　為實(shí)現(xiàn)煤巷錨桿支護(hù)高強(qiáng)度、高剛度的支護(hù)目標(biāo) , 在借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上 , 經(jīng)過(guò)集中攻關(guān) , 我國(guó)開(kāi)發(fā)出專用錨桿鋼材 , 設(shè)計(jì)了 3 個(gè)級(jí)別的螺紋鋼筋, 達(dá)到高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度級(jí)別 , 力學(xué)性能詳見(jiàn)表 2 。桿體采用左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋 , 桿尾螺紋段采用滾壓工藝加工 , 其中 ? 22 mm 的BHRB500 錨桿 , 其屈服載荷達(dá) 190 1 0 kN, 破斷力達(dá) 250 1 8 kN, 延伸率達(dá)到了 20% , 真正實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度可延伸。

4 .2 　強(qiáng)力錨索

　　煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院聯(lián)合相關(guān)單位 , 成功開(kāi)發(fā)出煤礦專用高延伸率、強(qiáng)力錨索鋼絞線 , 采用新型 1 × 19 股鋼絲捻制結(jié)構(gòu) , 如圖 2 所示。? 22 mm 強(qiáng)力錨索拉力 - 位移曲線如圖 3 所示 ,力學(xué)性能詳見(jiàn) 3 。? 22 mm 鋼絞線的破斷載荷達(dá)到 607 kN, 延伸率 7 1 0% , 明顯高于等直徑的 1 × 7股結(jié)構(gòu)鋼絞線 , 實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度、高延伸率支護(hù)。

4 1 3 　護(hù)表構(gòu)件

　　護(hù)表構(gòu)件包括錨索托板、鋼帶和金屬網(wǎng)等。錨索托板有多種形式 , 最常用的是平托板 , 但平托板受力時(shí)四周易翹起 , 還有一種是槽鋼制成的托板 , 槽鋼托板易扭曲變形 , 甚至被壓穿而導(dǎo)致錨索失效 , 針對(duì)以上情況 , 開(kāi)發(fā)了拱形錨索托盤(pán) , 尺寸為 300 mm × 300 mm × 16 mm, 并配調(diào)心球墊 ,一方面托板的承載能力顯著提高 , 與強(qiáng)力錨索強(qiáng)度匹配 , 另一方面 , 托板可調(diào)心 , 改善了錨索的受力狀態(tài) , 使錨索支護(hù)能力得以充分發(fā)揮。

　　由于該巷道表面凸凹不平 , 普通的鋼帶可能寬度太小或難以貼幫而不能起到良好的預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散作用 , 也可能容易被撕裂 , 與強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)不匹配 ,為此 , 專門研制了 W 型鋼護(hù)板 , 既可以密貼巷幫 ,又不容易彎曲變形 ; 選用 ? 6 mm 鋼筋制作的鋼筋網(wǎng) , 與強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)匹配 , 使鋼帶和鋼筋網(wǎng)都成為預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分。

5 　動(dòng)壓沿空留巷支護(hù)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

5 1 1 　巷道加固方案

　　根據(jù)圍巖變形破壞因素分析和加固理論 , 確定66110 工作面運(yùn)輸巷采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)。頂板錨桿采用 BHRB500 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋 , 直徑 22 mm, 長(zhǎng)度 2 400 mm, 間排距

為   800 mm × 800 mm, 樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固 , 錨桿預(yù)緊力矩 500 N · m, 配合 300 mm × 300 mm × 12 mm 的鋼

護(hù)板和鋼筋網(wǎng)護(hù)頂 ; 錨索采用 ? 22 mm, 1 × 19 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線 , 長(zhǎng)度 7 300 mm, 配合 300 mm × 300 mm × 16 mm 的高強(qiáng)度拱形可調(diào)心托板 , 每排 3 根錨索 , 沿著圓拱法線方向安設(shè) , 排

距 1 600 mm, 預(yù)緊力 300 kN 。

　　兩幫錨桿材料與規(guī)格同頂板錨桿 , 配合 W 鋼護(hù)板和鋼筋網(wǎng)護(hù)幫。巷道支護(hù)布置如圖 4 所示。

5 1 2 　井下監(jiān)測(cè)

　　 66110 工作面運(yùn)輸巷加固超前 66110 工作面200 m, 巷道同時(shí)受到 66109 工作面和 66110 工作

面開(kāi)采的動(dòng)壓影響 , 加固完成后 , 進(jìn)行了巷道變形監(jiān)測(cè) , 監(jiān)測(cè)曲線如圖 5 所示。

從圖 5 中可以看出 , 巷道變形在工作面前方22 m 處趨于穩(wěn)定 , 巷道變形以兩幫變形為主 , 巷道兩幫移近量最大為 170 mm, 頂?shù)滓平孔畲鬄?16 mm; 巷道變形主要發(fā)生在工作面后方 0 ～ 36 m處 , 頂?shù)装遄畲笠平繛?326 mm, 兩幫最大移近量為 447 mm, 采用聯(lián)合支護(hù)有效制止了巷道的強(qiáng)烈變形 , 且受到強(qiáng)烈采動(dòng)影響后巷道并未發(fā)生較大的變形 , 巷道完全滿足運(yùn)輸和通風(fēng)的要求。

6 　結(jié) 　　論

1)高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)可以改善圍巖應(yīng)力環(huán)境 , 提高圍巖殘余強(qiáng)度 , 阻止圍巖出現(xiàn)離層、滑動(dòng)和結(jié)構(gòu)面張開(kāi)等有害變形 , 保持圍巖的完整性 , 減小煤巖體強(qiáng)度的降低 , 有效解決受強(qiáng)烈動(dòng)壓影響的復(fù)雜困難巷道的支護(hù)問(wèn)題。

2)由高強(qiáng)度錨桿、新型 1 × 19 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力錨索、錨索用拱形高強(qiáng)度可調(diào)心大托板和W 鋼護(hù)板組成的高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng) , 更好地發(fā)揮了預(yù)應(yīng)力支護(hù)的特性。

3)新莊孜煤礦 66110 運(yùn)輸巷是一條受強(qiáng)烈動(dòng)壓影響的并且需要二次留巷的巷道 , 采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)后 , 有效控制了圍巖變形 ,留巷后的巷道完全能滿足運(yùn)輸和通風(fēng)的要求。