深部頂板煤巷動壓巷道支護技術(shù)研究

1、深部頂板煤巷動壓巷道支護技術(shù)研究 于光輝摘要：本文分析了深部煤巷動壓巷道變形原因，提出多種加固方案，并對方案進行優(yōu)化選擇，最終確定采用槽鋼、錨桿、錨索耦合支護加固方案，取得了良好效果。關(guān)鍵詞：煤巷動壓巷道 錨網(wǎng)（索）支護 一、概述鶴壁三礦位于鶴壁煤田中部，南距鶴壁市中心2Km，東距京廣鐵路湯陰車站21Km，湯鶴鐵路支線從本礦工業(yè)廣場穿過，距鶴壁北站1Km，鶴壁集至湯陰公路由本礦東北穿過，公路及鐵路交通方便。 礦井生產(chǎn)能力140萬t/a，為鶴煤集團骨干礦井之一。三礦井田地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，為a型。本井田處于鶴壁煤田中部，地層總走向NNE，傾向SE，傾角8°48°，一般為21

2、76;。為一具有波狀起伏的單斜構(gòu)造，NNE向及NE向斷裂發(fā)育，對煤層開采有一定影響。三水平猴車道布置在三條下山的保護煤柱中，沿煤層頂板掘進，處于背斜軸部，原巖應(yīng)力比較大，圍巖應(yīng)力集中，猴車道變形比較嚴重，急需提前加固。目前，國內(nèi)外對高應(yīng)力巷道基本上采用組合支護技術(shù)，如U型鋼支護+壁后充填，鋼筋混凝土+預(yù)應(yīng)力錨索，高強錨桿+錨索、圍巖注漿加固等，這些技術(shù)適應(yīng)不同的圍巖條件；但由于支護成本、施工條件、施工難度、施工技術(shù)等原因，這些技術(shù)尚未在鶴壁礦區(qū)得到大量的推廣應(yīng)用；目前鶴壁礦區(qū)仍大量采用價格昂貴的U型鋼支架，實踐表明，U型鋼支架并不能完全適應(yīng)鶴壁礦區(qū)圍巖的地質(zhì)條件；因此，有必要研究出一套針對性強

3、，經(jīng)濟合理，操作簡便，效果良好的巷道維修技術(shù)體系，全面改善鶴壁礦區(qū)失修巷道的技術(shù)面貌。在把握國內(nèi)外巷道支護發(fā)展現(xiàn)狀及方向的基礎(chǔ)上，針對三礦三水平猴車道變形、失穩(wěn)巷道的具體條件開展巷道支護技術(shù)研究。主要研究試驗內(nèi)容： 1、對鶴壁礦區(qū)各類失穩(wěn)巷道圍巖結(jié)構(gòu)特點及變形特點進行分析，在此基礎(chǔ)上根據(jù)巷道維護難易程度進行分類；2、根據(jù)具體情況，選擇合理的支護方式進行研究。3、根據(jù)巷道變形特征、巷道服務(wù)年限，研究錨桿、錨索、注漿加固、組合錨桿等支護參數(shù)；4、研究失修巷道維修時合理的施工技術(shù)；5、提出適合三礦不同條件下的巷道維修技術(shù)體系；三礦三水平猴車道布置在三條下山的保護煤柱中，沿煤層頂板掘進，三水平猴車道直

4、接頂板為深灰色砂質(zhì)泥巖，厚4.85m，老頂為細粒砂巖，厚3.04m，直接底為黑色砂質(zhì)泥巖，厚11.07m，綜合柱狀圖如圖1。設(shè)計斷面為矩形，凈寬4.0m，凈高2.6m（下幫高度必須保證2.6m，上幫高度不限），原設(shè)計依據(jù)工程類比法確定各支護參數(shù)，頂板錨桿采用20mm高強度螺紋鋼樹脂錨桿，長度2m，頂板每隔一排布置兩根錨索加強支護，錨索直徑15.24mm，長度8m，兩幫采用18mm圓鋼樹脂錨桿，長度2m，幫頂鋪設(shè)8#鍍鋅鉛絲菱形網(wǎng)，并且輔設(shè)梯子梁支護，錨桿間排距700×700mm，頂板布置6根錨桿，上幫布置4根錨桿，下幫布置5根錨桿。見巷道錨桿錨索支護總體布置圖。由于巷道處于動壓狀態(tài)，

5、巷道還沒投入使用，就多處發(fā)生變形破壞，特別是兩幫移近量比較大，最大處移近量達500mm，嚴重影響巷道的正常安全使用。二、變形原因分析三水平猴車道布置在三條下山的保護煤柱中，沿煤層頂板掘進，處于背斜軸部，原巖應(yīng)力比較大，圍巖應(yīng)力集中，掘進過程中一方面受到兩側(cè)放頂煤工作面的采動影響，另一方面受到三條下山重復(fù)整修迭加應(yīng)力的影響，改變了原巖應(yīng)力場中的靜壓狀態(tài)，應(yīng)力增大，導(dǎo)致巷道圍巖應(yīng)力的再次或多次分布，巷道原有靜壓狀態(tài)下穩(wěn)定平衡被打破，圍巖發(fā)生顯著變形位移和壓力增大，需要經(jīng)過應(yīng)力重新分布達到新的平衡后，巷道圍巖才能重新穩(wěn)定下來。由于現(xiàn)有支護方式不能適應(yīng)動壓影響帶來的應(yīng)力變化情況，導(dǎo)致巷道受到不同程度的

6、破壞，或斷面變形，或圍巖松動失穩(wěn)，從而影響巷道的正常安全使用。三、加固方案設(shè)計（一）提出方案針對三水平猴車道出現(xiàn)嚴重變形的情況，根據(jù)工程地點的地質(zhì)條件，結(jié)合有關(guān)失修巷道支護方面的技術(shù)資料，提出三種加固方案： 砌碹支護補打錨索、噴漿支護槽鋼、錨桿、錨索耦合支護（二）確定方案方案名稱技術(shù)原理優(yōu)缺點與三水平猴車道的適應(yīng)性方案篩選砌碹支護利用料石的強度及整體性抵抗圍巖的壓力。優(yōu)點：在靜壓狀態(tài)比較適用，巷道美觀。缺點：塑性變形量范圍小，不能適應(yīng)動壓狀態(tài)。一方面砌碹支護工作量比較大，目前三水平猴車道馬上投入運行，時間上不允許；另一方面三水平猴車道處于動壓狀態(tài)，砌碹支護很難適應(yīng)。×補打錨索、噴漿支

7、護對圍巖施加預(yù)應(yīng)力，主動支護圍巖，充分調(diào)動巷道深部圍巖的強度。優(yōu)點：工藝簡單，容易操作，能夠給圍巖一定的預(yù)應(yīng)力。缺點：不能適應(yīng)巷道高應(yīng)力、大變形狀態(tài)。三水平猴車道處于高應(yīng)力、塑性大變形狀態(tài)，單一錨索、噴漿加固支護不能適應(yīng)高應(yīng)力帶來的塑性大變形。×槽鋼、錨桿、錨索耦合支護通過錨桿-圍巖、錨索-圍巖以及槽鋼-圍巖支護的耦合而使其變形協(xié)調(diào)，從而限制圍巖產(chǎn)生有害的變形損傷，實現(xiàn)支護一體化、載荷均勻化，達到巷道穩(wěn)定的目的。優(yōu)點：能夠消除單一錨噴支護或鋼棚支護控制圍巖存在的弊端。缺點：支護成本高，工序復(fù)雜。能夠彌補錨桿支護能力不足的缺陷，防止錨桿間的破壞煤體發(fā)生塑性大變形，避免因過度變形而破壞圍

8、巖本身的承載程度，從而提高支護的整體性把三種加固支護方案進行比較篩選，確定采用槽鋼、錨桿、錨索耦合支護作為最佳支護方案。四、耦合支護原理槽鋼、錨桿、錨索耦合支護是針對巷道圍巖由于塑性大變形而產(chǎn)生的變形不協(xié)調(diào)部位，以及圍巖結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生的不連續(xù)變形，通過錨桿-圍巖、錨索-圍巖以及槽鋼-圍巖支護的耦合而使其變形協(xié)調(diào)，從而限制圍巖產(chǎn)生有害的變形損傷，實現(xiàn)支護一體化、載荷均勻化，達到巷道穩(wěn)定的目的。槽鋼、錨桿、錨索耦合支護材料主要包括槽鋼、錨桿、錨索，它們在整個體系中所起的作用是不同的。在槽鋼、錨桿、錨索耦合支護中錨桿通過與圍巖相互作用，與原支護錨桿起著主導(dǎo)承載作用，同時能夠防止圍巖松動破壞，并有一定的伸

9、縮性，可隨巷道圍巖同時變形，而不失去支護能力。槽鋼的主要作用是彌補錨桿支護能力不足的缺陷，將巷道圍巖控制在其允許變形范圍內(nèi)，防止錨桿間的破壞煤體發(fā)生塑性大變形，避免因過度變形而破壞圍巖本身的承載程度，從而提高支護的整體性，達到巷道的正確維護要求。錨索作為一種新型的加強支護方式，由于錨固深度大，可將淺部不穩(wěn)定煤層錨固在深部穩(wěn)定煤層中，同時可施加預(yù)應(yīng)力，主動支護圍巖，能夠充分調(diào)動巷道深部圍巖的強度。五、支護設(shè)計由于三水平猴車道頂板已采用錨索加固，錨索間排距1400mm，錨索直徑15.24mm，長度8m。由于兩幫高度不一致，所以兩幫槽鋼長度選擇不同，兩幫均采用10#槽鋼支護，上幫工字鋼長3.03.5

10、m，下幫工字鋼長2.8m，每根槽鋼必須緊貼巷幫，采用兩根錨桿及一根錨索固定于幫上，錨索打在槽鋼中間，根據(jù)巷道圍巖松動圈范圍，確定錨桿長度為3.5m，材質(zhì)選取20的高強螺紋鋼，錨索選用原材料為5mm×7mm高強度、低松弛粘結(jié)式鋼絞線，直徑為15.24mm，長度8m。每根錨桿采用2根Z2335樹脂藥卷固定，每根錨索采用3根Z2335樹脂藥卷及3根K2335樹脂藥卷固定。上幫錨桿、錨索間距為1100mm，下幫錨桿、錨索間距為1000mm，工字鋼布置在原支護兩排錨桿之間，排距700mm，每根槽鋼必須埋入底板下200mm。兩幫加固結(jié)束后，再復(fù)噴150mm厚砂漿。加固支護斷面圖如圖：六、施工工藝

11、及要求1、施工前，先在兩排錨桿中間按堅直方向掛線，定出工字鋼的位置，按眼距定好眼位，然后按所定眼位使用煤電鉆打眼。2、錨桿、錨索安裝：錨桿、錨索安裝包括裝錨固劑，插入錨桿、攪拌藥卷。工序雖然簡單，但工序的操作好壞將直接影響整個錨桿支護效果，必須做到裝錨固劑之前檢查錨桿孔的質(zhì)量、錨桿錨索構(gòu)件質(zhì)量、藥卷是否硬化、過期或損壞，已變化過期和損壞的藥卷，嚴禁使用。同時嚴格控制藥卷的攪拌時間為30±5S，且要求藥卷的攪拌過程應(yīng)連續(xù)進行，中途不得間斷。錨桿、錨索安裝時必須注意預(yù)留外露的錨桿、錨索長度能夠安裝工字鋼。3、安裝工字鋼：把打好的錨桿錨索穿入工字鋼孔內(nèi)，然后上好托盤，緊固螺母。安裝的工字鋼

12、必須保證有200mm埋入巷道底板。4、兩幫工字鋼安裝結(jié)束后，掛線噴漿，兩幫噴150mm厚砂漿，頂板噴50mm厚砂漿。五、錨索施工的技術(shù)要求及安全技術(shù)措施1、打錨索孔時，接長式鉆桿連接處強度較低，在接頭位置進入孔內(nèi)之前，要控制錨桿機推力，以免鉆桿折斷傷人。2、錨索孔深誤差控制在±30mm。3、每孔用4支樹脂藥卷，必須充分攪拌，錨索攪拌樹脂藥卷過程中，不能停頓，攪拌時間不得少于25S。4、松開盤住的錨索時，要注意其彈性比較大，防止突然彈開傷人。5、錨索要隨打隨安裝但可把當(dāng)班安裝的錨索集中一次進行張拉。6、張拉錨索前，應(yīng)先檢查張拉千斤頂、油泵各油路接頭外是否有松動，若發(fā)現(xiàn)有松動現(xiàn)象，應(yīng)及時

13、擰緊。7、張拉錨索時，應(yīng)使張拉油缸與錨索保持同軸，張拉千斤頂卡住錨索后，人員可暫撤到千斤頂側(cè)面，張拉千斤頂正下方禁止站人。8、錨索外露長度控制在200±20mm。9、錨索安裝48h后，如發(fā)現(xiàn)預(yù)緊力下降，必須及時補拉。10、張拉時發(fā)現(xiàn)錨固不合格的錨索，必須立即在其附近補打，或者張拉器將不合格的錨索拔出，然后用錨索鉆機將原來的鉆孔刷一遍，重新安裝錨索。11、禁止在錨索、錨桿上系倒鏈、滑輪起吊大件。12、有關(guān)機具的使用、操作、維護、保養(yǎng)等均應(yīng)按廠家的產(chǎn)品說明書或操作指南進行。六、監(jiān)控量測本段試驗巷道進行了表面位移監(jiān)測。1、實驗?zāi)康模罕砻嫖灰票O(jiān)測是用來觀察巷道圍巖向挖空區(qū)移動規(guī)律的現(xiàn)場實驗，

14、可以觀察巷道圍巖表面巖壁的位移。2、監(jiān)測儀器表面位移監(jiān)測儀器設(shè)備比較簡單，主要儀器有測線、短木樁、位移收斂計、半圓等。3、監(jiān)測步驟首先是設(shè)點，然后是觀察記錄，最后是資料分析。4、結(jié)果分析為確保能夠更好地驗證支護設(shè)計的可靠性，及時在三水平猴車道進行了巷道表面位移觀測，每隔50m設(shè)立一個觀測站，對巷道進行圍巖表面位移觀測，每個斷面的測點布置如圖3。采用十字布點法，設(shè)專人觀測數(shù)據(jù)及圍巖變形，實測數(shù)據(jù)經(jīng)整理取平均值，如表1。圖3 測點布置圖dbac表1：圍巖變形實測數(shù)據(jù)起 測天 數(shù)123510131822302530404550a(mm)27902781277627722769275227482735

15、272827272726272527252724b(mm)11921180117411731170115811521143113911391138113811371137c(mm)19381934192919181914191119101907190519051904190419031903d(mm)14251423142014171413141114101408140714061405140514041403測試數(shù)據(jù)表明，巷道加固后，上幫收斂量為67mm，下幫收斂量為55mm，上幫收斂量大于下幫收斂量；頂板下沉量為22mm，底板鼓起量為35mm，頂板下沉小于底鼓。巷道圍巖總的收斂變形如圖4。從圖中可以看出，巷道加固30d后，頂?shù)装搴蛢蓭偷膰鷰r變形都趨于穩(wěn)定，此后巷道收斂速率明顯減小，說明施工采取的支護手段基本合理。七、錨索支護修復(fù)巷道的推廣應(yīng)用前景隨著開采深度逐漸加大，失修巷道越來越多，軟巖巷道施