摘要:高地壓、軟弱破碎圍岩的巷道支護,一直是制約煤礦安全生產的一大難題。儘管不斷提公升支護材料等級,提高支護強度,但仍不能有效控制巷道收縮變形。
結合礦井實際,通過優化錨網噴支護引數,及時採取圍岩加固和多種監測監控措施等,控制了巷道的變形破壞。
關鍵詞:軟岩巷道;支護;破壞機理;改進方案
蘆嶺煤礦主採8 ,9 ,10 煤層,其中8 ,9 煤層聯合布置,採區上山布置在距9 煤40～60 m 的底板岩層中,區段巷道布置在距9 煤20～40 m 的底板岩層中。8 ,9 煤層採煤工作面採用跨上山開採,因此,採區上山、區段巖巷等布置在煤層底板的準備巷道,要經受多次跨採的強烈影響。由於巷道的圍岩主要為泥岩、砂質泥岩,岩性鬆軟破碎,地壓大,跨採造成了底板巷道的劇烈破壞,每次跨採後必須進行修護才能繼續使用。
巷道的頻繁維修,多次挑頂、刷幫、挖底,使得圍岩更加破碎,維護難度極為困難,嚴重制約接替安排,威脅礦井安全生產,迫切需要解決軟岩支護工藝。
2006 年10 月,蘆嶺煤礦開始與中國礦業大學合作,積極開展軟岩巷道支護技術的科技攻關,根據蘆嶺煤礦實際施工條件,合理改進巷道支護工藝,初步取得了較好的成效。
1 軟岩支護技術的研究與實踐
1. 1 優化錨網噴支護引數
巷道支護應根據圍岩條件、地壓、服務年限、斷面等不同條件,合理選擇錨桿支護引數。2007 年3 月上旬, 蘆嶺礦ⅱ84 回風上山過ⅱ1044回採垮落斷裂帶,圍岩極為破碎且節理發育,並發育有煤線及軟弱夾層,地壓大。巷道掘出後鬆動圈半徑較大,巷道變形持續時間長;巷道頂板下沉及兩幫內移量大,受採動影響破壞嚴重。
已施工穩定段兩幫變形約在500～600 mm ,底鼓500 mm左右,中間噴層開裂嚴重,拱形頂板基本成為平頂。根據經驗,巷道變形破壞是圍岩破裂、變形由淺部向深部發展造成的。在有關專家的指導下,採取了以下措施強化承載結構,及時控制巷道淺部圍岩破壞。
1) 提高支護錨桿強度,增加錨桿長度,確保錨桿打到穩定岩層,並能夠有效支護;2) 通過提高金屬網的強度,來提高支護體的護表能力,有效阻止巷道圍岩淺部破壞;3) 加強光爆成型,減少爆破對圍岩的破壞。在ⅱ84 回風上山, 支護錨桿由φ 20 mm ×2 000 mm高強左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,提公升到採用ⅳ級錨桿專用螺紋鋼加工m24 - φ 22 mm ×2 800 mm高強左旋無縱筋螺紋鋼錨桿, 並配合200 mm ×200 mm 高強拱形錨桿托盤支護。金屬網採用φ 6 mm 冷拔電弧焊鋼筋網, 網孔規格為100 mm ×100 mm ,重疊100 mm ,並採用10# 鍍鋅鐵絲聯接。
錨桿間、排距為800 mm ×800 mm;錨桿螺母轉矩由150 n·m 提高到300 n·m ,每根錨桿採用3 卷z2535 樹脂藥捲(幫錨桿採用2 卷z2950 樹脂藥捲)進行錨固,初錨力大於等於100 kn。滯後掘進工作面不到15 m ,採用3 排高預應力錨索系統對拱頂關鍵部位加強支護,錨索規格φ 17. 8 mm ×6 300 mm ,中頂、兩肩各1 排,排距1 500 mm ,間距1 600 mm ,預緊力大於等於120 kn。
1. 2 及時採取圍岩治理措施
「支架—圍岩」相互作用原理表明,圍岩本身不再單獨是支護體的載荷,而是具有自穩能力的承載體,能在一定程度上承擔地壓。因此,合理的「支架—圍岩」關係,可以充分利用圍岩的這種天然的自承力和承載能力,減輕支護體的負擔。但在圍岩鬆軟、破碎條件下,圍岩本身的自穩能力較差,必須通過圍岩治理來提高圍岩自身強度,有效地改變岩體物理力學性質,增強巷道支護效能,提高支護效果。
目前主要採用以下3 種方法:
1) 補強支護。在巷道原支護的基礎上,採用長錨桿+ 錨索+「m」型鋼帶+ 網+ 噴進行補強支護。長錨桿規格為φ 22 mm ×2 500 mm 高強左旋無縱筋螺紋鋼錨桿(原支護錨桿為φ 20 mm ×2 000 mm 高強左旋無縱筋螺紋鋼錨桿) ,配合與「m」型鋼帶相匹配的錨桿托盤支護, 錨桿間、排距為800 mm ×800 mm ,與原支護錨桿成「五花」布置,提高補強支護與原支護的耦合效果,打補強錨桿時預留錨索位置不打錨桿;錨索採用φ 15.
24 mm ×6 000 mm 七股低鬆弛鋼絞線錨索, 錨索間、排距為1 600 mm ×1 600 mm ,與補強錨桿位置重合,替代補強錨桿;鋼帶孔間距800 mm ,補強錨桿、錨索打在鋼帶孔上,鋼帶間重疊1 個孔布置。鋪設φ 6 mm 冷拔電弧焊鋼筋網,並噴漿封閉。
2) 套u29 型鋼棚。在原支護基礎上套u29 型鋼棚加強護表能力,u29 型鋼棚上高阻限位卡纜固定,確保支架高阻承載能力,防止低阻滑移。並在兩幫棚腿上打錨索+ 鋼梁,加強兩幫支護強度。
錨索採用φ 15. 24 mm ×5 000 mm 七股低鬆弛鋼絞線錨索,鋼梁採用u29 型鋼或11 # 工字鋼加工。蘆嶺礦u29 型鋼棚多是直牆拱形斷面,從力學角度分析,頂部為拱形結構,承載抗壓性能好,能有效地抵抗頂板壓力;兩幫直牆可視為梁結構,承載抗壓性能較差,難以有效抵抗兩幫的側壓。
因此,u29 型鋼棚經常受兩幫側壓影響而發生內移、推磨打旋,造成支架失
穩。通過錨索+ 鋼梁加強兩幫支護強度,能有效地抵抗兩幫側壓,提高支架承載效能。
3) 注漿。通過壁後注漿,改善破碎圍岩岩性,提高其完整性,提高圍岩的自主承載效能。u29 型鋼棚壁後注漿,有效地解決了支架空頂、空幫問題。
注漿幫浦提供一定的幫浦壓,使支架形成乙個初始支撐力,改善支架的受力狀況,使支架整體均衡承載,並與圍岩形成統一的承載體系。
1. 3 監測監控
巷道圍岩的活動有其隱蔽性,特別是錨網噴支護,其破壞往往具有突發性,因此必須採取多種方法進行監測監控。蘆嶺礦主要採取布置測點,監測巷道頂板下沉量、底鼓量、兩幫內移量的變化,一般間隔50 m 布置1 個測點,在圍岩破碎或地質構造帶根據情況加密測點。一般1 周檢測1 次,當巷道剛施工結束並處在應力釋放不穩定階段、受採動影響等特殊時期,需加強監測。
為掌握巷道圍岩離層情況和支護體的支護效果,在測點布置離層儀和液壓枕。設專人進行測點的維護、檢測,並收集資料進行分析,及時掌握巷道圍岩變化規律,檢驗巷道支護效果,以便及時發現隱患,並為同類巷道支護提供準確的參考資料。
1. 4 進行動態維護
巷道的維護應該是乙個動態的過程,並不是施工結束後就放置不管,等到損壞嚴重到無法使用時再組織隊伍進行修護,修護後圍岩的承載效能將會大幅度地降低,給後期維護增加難度;應該在巷道施工時,以及施工結束後使用時,持續不斷地進行監測、維護,及時發現問題,找出原因,對症處理,使巷道始終保持良好的狀態。
2 效果分析
通過採用u 型鋼壁後充填支護技術、幫錨索鋼梁加強,以及採用力學效能較好的雙槽夾板限位卡纜堅固後,巷道支架承載相對比較均衡,且支護阻力較高,該技術的成功應用使巷道支架的完好率大大提高,基本消除了支架的平頂型和尖頂型破壞。通過對鬆散破碎的圍岩進行注漿,提高了圍岩岩體本身的承載能力。同時採取補強支護,提公升支護等級,大大提高了支護承載能力。
以前在ⅱ82 軌道上山採取單一架棚支護,強度低、效果差,修護週期僅1 a左
右;改用先架鋼棚,然後打幫錨索+ 鋼梁加強,再壁後注漿充填、加固圍岩,支護強度大幅提公升,能有效地抵抗採動影響的強烈破壞,支護效果較好。ⅱ84 回風上山初期採用φ 20 mm ×2 000 mm錨桿支護,並滯後50～70 m 補打錨索+ 鋼帶加強,施工3 ～ 5 個月後, 巷道出現炸皮放線破壞; 改用φ 22 mm ×2 800 mm錨桿支護,並緊跟掘進工作面打錨索配合400 mm ×400 mm高強大托盤支護,加大一次錨固深度和強度,及時控制巷道表層圍岩的破壞,有效地抵抗了巷道收縮變形破壞,在施工10 個月後,巷道頂板下沉量、兩幫內移量不到50 mm。
3 結語
1) 注漿加固破碎圍岩,使其重新膠結,改善圍岩的完整性和穩定性,提高圍岩的自主承載效能,是破碎圍岩支護的關鍵。
2) 改變單一支護方式,採取聯合支護方式,能有效提高軟岩支護效果。
3) 加大支護深度,確保錨固到穩定岩層中,能及時控制表層圍岩破壞並向深部發展。
4) 動態維護,提前加固,防止嚴重破壞,避免大修,降低圍岩損壞程度。以上軟岩支護技術正向全礦推廣應用,已初步取得了較好的支護效果。
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