高強(qiáng)度錨桿支護(hù)技術(shù)在特厚煤層巷道中的應(yīng)用

高強(qiáng)度錨桿支護(hù)技術(shù)在特厚煤層巷道中的應(yīng)用

軟巖路面的圍巖控制一直是礦工開采過程中的一個難題。此外，隨著礦山開采深度的增加，這些道路上的各種非線性力學(xué)現(xiàn)象越來越大，維護(hù)難度也越來越大。這條道路不僅變形速度很快，而且繼續(xù)變形。牛馬司礦業(yè)公司水井頭煤礦-300m東大巷總長1500m,從1988年開始掘進(jìn),到2006年只掘進(jìn)了300m,由于已掘巷道變形特別嚴(yán)重,一直處于反復(fù)的維修中,已不能向前掘進(jìn)。因此,礦井東翼多年來無法開采,嚴(yán)重影響了礦井的正常接替和生產(chǎn)。為解決這個困擾多年的難題,本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上,采用現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算等手段,對巷道圍巖的變形機(jī)制進(jìn)行了研究,并有針對性地提出了“高阻讓壓、高強(qiáng)度”支護(hù)方案,取得了較好的效果。1工程條件分析1.1巷道圍巖礦物組成-300m東大巷埋深515m,位于牛馬司向斜軸部的構(gòu)造應(yīng)力區(qū),布置在Ⅱ煤底板巖層中,距Ⅱ煤35~40m,揭穿的圍巖主要為深灰色砂質(zhì)泥巖和灰色薄層狀粉砂巖,節(jié)理裂隙發(fā)育,巷道且沿走向斷層密布,多以正斷層為主。通過取巖樣進(jìn)行X衍射圖譜分析,得到巷道圍巖的礦物組成:石英占33.3%;蒙脫石占10.3%;綠泥石占20.5%;伊利石占15.4%;鉀長石占20.5%。該礦在2001—2006年期間針對-300m東大巷支護(hù)中的問題一直進(jìn)行著改革與試驗(yàn),先后試用了砌碹支護(hù)、U型鋼支護(hù)、雙層碹支護(hù)和錨噴網(wǎng)支護(hù)等一系列支護(hù)形式,均告失敗。2006年以后,采用“二次掘進(jìn),先臨時支護(hù)后永久支護(hù)”方式,即先采用小斷面(2m×2m)掘進(jìn),木棚支護(hù),待巷道產(chǎn)生大變形后(一般20d左右,巷道斷面收斂達(dá)50%以上),按設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行擴(kuò)巷,再采用錨噴支護(hù)。巷道圍巖穩(wěn)定時間一般也在6個月左右,6個月后巷道即遭到破壞,如圖1所示。1.2道路變形及原因分析1.2.1巷道圍巖特點(diǎn)(1)圍巖自穩(wěn)時間短。-300m東大巷圍巖從暴露到產(chǎn)生冒落的時間非常短暫,掘進(jìn)工作面經(jīng)常在臨時支護(hù)完成前發(fā)生小型冒頂事故,甚至支護(hù)尚未到位,巷道斷面便已明顯縮小。巷道圍巖破壞首先從兩幫開始,接著強(qiáng)烈底臌,然后頂板下沉。(2)圍巖快速收斂,在巷道掘出2個月左右,巷道斷面收斂達(dá)到50%。(3)巷道變形持續(xù)時間長,部分區(qū)段開挖至今已8a左右,經(jīng)過多次翻修,采取了多種支護(hù)形式,目前仍在翻修中維持。(4)圍巖松動范圍大。為查明巷道圍巖松動范圍,在成巷6個月左右的區(qū)段采用鉆孔攝錄儀觀測了圍巖裂隙的分布狀況。在巷道斷面兩幫和頂板各布置一個觀測孔,觀測孔深均為8m,從觀測孔中看到,兩幫、頂板、底板巖層裂隙分布密度大,破碎范圍大,巷道兩幫圍巖深部5.6m處有次生裂隙,頂板上方4.3m處有次生裂隙,底板破碎巖層厚度約2.5m。1.2.2圍巖力學(xué)性質(zhì)根據(jù)-300m東大巷破壞情況、支護(hù)和維修現(xiàn)狀及地質(zhì)條件調(diào)查分析,造成巷道變形破壞的主要原因有以下幾個方面:(1)工程地質(zhì)條件惡劣。巷道接近牛馬司向斜的軸部,構(gòu)造應(yīng)力大,巷道所在區(qū)域分布大量的小斷層,圍巖被小斷層切割,節(jié)理裂隙極為發(fā)育,如圖2所示。(2)圍巖中蒙脫石和伊利石含量達(dá)到25.7%,遇水劇烈膨脹,在已往的支護(hù)過程中,對圍巖未進(jìn)行全封閉,對圍巖內(nèi)部的滲水未進(jìn)行封堵,導(dǎo)致圍巖膨脹。(3)圍巖強(qiáng)度低(3~8MPa),支護(hù)強(qiáng)度不足,尤其是初期支護(hù)強(qiáng)度低,不僅1個月內(nèi)就出現(xiàn)錨桿被拉斷、U型鋼支架嚴(yán)重變形現(xiàn)象,而且導(dǎo)致圍巖破碎區(qū)發(fā)育迅速,6個月左右在兩幫深部5.6m處發(fā)現(xiàn)明顯次生裂隙。(4)沒有充分發(fā)揮圍巖承載能力。軟巖巷道支護(hù)的作用主要是維護(hù)和提高松動圍巖的殘余強(qiáng)度,充分發(fā)揮圍巖的承載能力。水井頭煤礦現(xiàn)有支護(hù)系統(tǒng)很難發(fā)揮深部圍巖的自承載能力,所以其頂板離層,兩幫鼓出,底臌十分嚴(yán)重,難以控制。2支出計(jì)劃的確定2.1巷道圍巖控制基本原理對于一般的巖層巷道,無論棚式支護(hù)或錨桿支護(hù),控制的對象是巷道周邊松動破碎圍巖,這里隱含的基本假設(shè)是巷道外部圍巖是穩(wěn)定的。由于破碎軟巖巷道圍巖在高應(yīng)力作用下短時間內(nèi)便形成了較大的破碎區(qū)和塑性區(qū),相對而言,其外部圍巖是不穩(wěn)定的,加之巖體強(qiáng)度小,集中應(yīng)力峰值相對無限外移,使得巷道圍巖持續(xù)變形。因此,高應(yīng)力破碎軟巖巷道的支護(hù)功能不僅要阻止破碎巖體垮落和蠕變變形,而且還需限制圍巖集中應(yīng)力峰值的外移。為此,對高應(yīng)力破碎軟巖巷道的圍巖控制,引入“大、小承載結(jié)構(gòu)”原理(簡稱大、小結(jié)構(gòu)),并適當(dāng)拓展其內(nèi)涵,這里,“大承載結(jié)構(gòu)”指巷道圍巖應(yīng)力峰值點(diǎn)附近,以部分塑性硬化區(qū)和軟化區(qū)煤巖體為主體組成的承載結(jié)構(gòu)為主承載結(jié)構(gòu)?！靶〕休d結(jié)構(gòu)”是指錨固體、注漿體等巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)。當(dāng)巷道圍巖應(yīng)力較低時,巷道掘出后,圍巖經(jīng)過短暫的應(yīng)力調(diào)整,可形成穩(wěn)定的大承載結(jié)構(gòu);當(dāng)巷道在高應(yīng)力作用下,巷道掘出后,在應(yīng)力調(diào)整過程中,圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)迅速擴(kuò)大,大結(jié)構(gòu)迅速向巖體內(nèi)移動;在大結(jié)構(gòu)移動的過程中,若沒有小結(jié)構(gòu)來調(diào)整應(yīng)力場并達(dá)到新的平衡,則大結(jié)構(gòu)將持續(xù)外移,直至巷道破壞形成新的平衡應(yīng)力場為止。因此,小結(jié)構(gòu)通過調(diào)整圍巖應(yīng)力場影響大結(jié)構(gòu)的形成過程,只有當(dāng)小結(jié)構(gòu)盡早形成并達(dá)到足夠的強(qiáng)度和承載能力,大結(jié)構(gòu)就能較早形成,巷道圍巖才能穩(wěn)定。因此,高應(yīng)力極軟巖巷道圍巖控制的關(guān)鍵是通過支護(hù)手段,盡早形成有較高強(qiáng)度的小結(jié)構(gòu),縮小巷道圍巖破碎區(qū),促使圍巖內(nèi)部盡快形成穩(wěn)定的大承載結(jié)構(gòu),從而保持巷道圍巖的穩(wěn)定。2.2底板支護(hù)方案根據(jù)巷道變形機(jī)理及支護(hù)原理,-300m東大巷支護(hù)主要應(yīng)從3個方面考慮:①提高初期支護(hù)阻力,阻止圍巖破碎區(qū)的迅速擴(kuò)大;②加固圍巖,提高破碎圍巖的承載能力,及早形成小承載結(jié)構(gòu),阻止集中應(yīng)力的無限外移;③封閉圍巖,封堵圍巖內(nèi)部滲水,阻止圍巖膨脹。底板是高應(yīng)力軟巖巷道最薄弱的環(huán)節(jié),實(shí)踐證明,這類巷道的底臌控制如果只加固底板是難以奏效的,而應(yīng)把底板視為小結(jié)構(gòu)的一部分,通過提高包括底板在內(nèi)的整個小結(jié)構(gòu)的支護(hù)強(qiáng)度才能較好控制底臌。根據(jù)上述思路確定以下支護(hù)方案,如圖3所示。(1)U型鋼支架。采用29U型鋼可縮性拱形支架,棚距為700mm。(2)錨桿支護(hù)。采用ue78820mm×2200mm的高強(qiáng)度、高預(yù)應(yīng)力左旋螺紋鋼錨桿,樹脂藥卷加長錨固,錨固長度為1200mm,預(yù)緊力為15kN,抗拉強(qiáng)度為750MPa,錨桿間排距均為700mm,為有效控制底臌,底角錨桿傾角為45°,排距350mm。采用W型強(qiáng)力鋼帶連接錨桿,托板為高強(qiáng)度拱形托板。(3)封閉圍巖。全斷面噴射水泥砂漿,噴層厚度30~50mm,封閉圍巖。(4)注漿支護(hù)。全斷面布置7個注漿孔,根據(jù)圍巖裂隙分布深度,確定注漿孔長度頂板5m,兩幫6m,底板及底腳為3m,注漿材料為高水速凝材料,水灰比1.2∶1。(5)錨索支護(hù)。錨索采用高強(qiáng)度低松弛的1×19鋼絞線,直徑22mm,長度6.3m。樹脂藥卷錨固,錨固長度1.5m,排距為2.1m。2.3圍巖塑性區(qū)范圍為分析支護(hù)效果,采用FLAC5.0軟件模擬了3種支護(hù)方案的支護(hù)效果,方案1是砌碹支護(hù),方案2是錨桿加U型鋼支護(hù),方案3是2.2節(jié)所述支護(hù)方案。模擬結(jié)果如圖4、5所示。從圖4中看到,隨著支護(hù)阻力的增加和支護(hù)強(qiáng)度的加大,圍巖塑性區(qū)范圍逐漸變小。由于-300m東大巷圍巖為極軟巖層,采用砌碹支護(hù)時,由于沒有進(jìn)行有效的壁后充填,初期支護(hù)阻力幾乎為0,在集中應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力的作用下,圍巖塑性區(qū)自由發(fā)展,塑性區(qū)半徑達(dá)到10m以上(方案1);方案2采用高強(qiáng)度錨桿和U型鋼支架支護(hù),提高了初期支護(hù)強(qiáng)度和剛度,也在一定程度上改善了圍巖的力學(xué)性能,圍巖塑性區(qū)半徑減小到7m左右;方案3在方案2的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了圍巖注漿和大強(qiáng)度錨索支護(hù),充分調(diào)動了深部圍巖的強(qiáng)度,提高了破碎圍巖的承載能力,有效地減小了塑性區(qū)范圍,塑性區(qū)半徑減小到4m左右。從圖5中看到,隨著支護(hù)強(qiáng)度的不斷加大,圍巖主應(yīng)力集中區(qū)越來越靠近巷道,且集中應(yīng)力峰值越來越低,說明隨著支護(hù)強(qiáng)度的不斷加大和破碎圍巖力學(xué)性能的改善,圍巖自身的承載能力得到加強(qiáng),從而阻止了集中應(yīng)力無限制地向圍巖內(nèi)部移動,在巷道周圍較早形成了有效的承載結(jié)構(gòu),避免了塑性區(qū)的過度發(fā)展,減小了圍巖的變形,保持了巷道的穩(wěn)定。3巷道表面位移監(jiān)測聯(lián)合支護(hù)的關(guān)鍵就是要能發(fā)揮每個支護(hù)環(huán)節(jié)和支護(hù)材料的作用,尤其對-300m東大巷這樣的極軟巖層巷道這一點(diǎn)是至關(guān)重要的。因此,在制定施工方案時,合理確定每一環(huán)節(jié)的支護(hù)時間是十分必要的。合理支護(hù)時間可以根據(jù)巷道圍巖的位移-時間(U-t)曲線進(jìn)行判斷,通過巷道表面位移的監(jiān)測,可以判斷巷道表面位移變化速度由快到趨于平緩的拐點(diǎn)附近作為二次支護(hù)的最佳時間。本巷道支護(hù)有3個環(huán)節(jié),要確定兩個支護(hù)時間點(diǎn):①錨桿支護(hù)后U型鋼支架支護(hù)時間;②注漿、錨索的支護(hù)的時間。為確定兩個支護(hù)時間點(diǎn),在前50m巷道的施工過程中,采取分段支護(hù)分段觀測的方法,進(jìn)行了較長時間的圍巖變形監(jiān)測,得到圖6、7所示的圍巖變形曲線。從圖6可知,安裝錨桿后第1測點(diǎn)圍巖變形曲線的拐點(diǎn)出現(xiàn)在28~32h之間,第2測點(diǎn)出現(xiàn)在32~36h之間,第3測點(diǎn)32~36h之間,因此,確定U型鋼支護(hù)在錨桿支護(hù)32h,即4個小班后進(jìn)行。從圖7看到,U型鋼支護(hù)后圍巖變形速度顯著下降,說明U型鋼支架的剛度發(fā)揮了較大的作用,同時從兩個測點(diǎn)的變形曲線可知,U型鋼支架支護(hù)后第1測點(diǎn)圍巖變形曲線拐點(diǎn)出現(xiàn)在7~9d之間,第2測點(diǎn)出現(xiàn)在8~10d之間,因此,確定注漿支護(hù)時間在U型鋼支護(hù)10d后進(jìn)行。4巷道圍巖變形-300m東大巷從2006年8月開始施工,到2008年2月掘進(jìn)350m,巷道設(shè)計(jì)寬3.0m,高2.8m,由于該巷道為極軟巖層,遇水膨脹,而且支護(hù)過程持續(xù)時間較長,因此,為保證巷道有效斷面,巷道掘進(jìn)寬為3.4m,高3.2m。從圖8看到,在巷道施工過程中,兩幫或底板均發(fā)生了較大的變形,第1測站兩幫移近量為268mm,頂?shù)装逡平繛?05mm(主要是底臌,下同),第2測站兩幫移近量為226mm,頂?shù)装逡平繛?75mm,但巷道最終趨于穩(wěn)定,保證了設(shè)計(jì)斷面。從圖8看到,兩幫移近量或頂?shù)装逡平壳€均有兩個拐點(diǎn),第1個拐點(diǎn)是在巷道開挖第3d左右,也就是工字鋼支架架設(shè)2d以后,第2個拐點(diǎn)是在第15d左右,也就是注漿和錨索支護(hù)3d后,說明各種支護(hù)方式的支護(hù)時間確定是合理的。巷道變形由以前的2個月內(nèi)巷道斷面縮小1/2,變成了掘進(jìn)兩個月后巷道變形逐漸減小并趨于穩(wěn)定。到2009年6月,該巷道只進(jìn)行了一次臥底200mm左右的維修,巷道寬度仍有2.87m,高度2.68m,大大減小巷道的翻修工作量,也說明該巷道的支護(hù)取得成功。5巷道圍巖強(qiáng)度高、破碎區(qū)支護(hù)(1)水井頭煤礦-300m東大巷圍巖屬于特軟巖層