特厚煤層綜放工作面圍巖穩(wěn)定性研究

特厚煤層綜放工作面圍巖穩(wěn)定性研究

目前，我國煤礦道路保護的重點類型超過軟巖路面的10%。在軟巖內(nèi)布置巷道,巷道開挖后圍巖變形速度快、持續(xù)時間長、變形量大、巷道易產(chǎn)生底鼓、穩(wěn)定性差、極難維護。因此,軟巖巷道支護問題成為煤礦安全生產(chǎn)亟待解決的難題。1項目總結(jié)1.1下統(tǒng)地層厚度郁山煤礦-220m水平軌道大巷為該礦北翼主要運輸巷道,擔(dān)負(fù)著郁山井田北翼采區(qū)煤炭回采時的通風(fēng)、煤炭運輸、行人運料的任務(wù)。該區(qū)揭露的含煤地層自上而下依次為二疊系上統(tǒng)上石盒子組,厚146.40～218.55m,平均厚193.95m;二疊系下統(tǒng)下石盒子組,厚271.45～292.27m,平均厚277.92m;二疊系下統(tǒng)山西組,厚73.14～102.84m,平均厚85.66m;石炭系上統(tǒng)太原組,厚24.46～35.74m,平均厚28.04m;石炭系上統(tǒng)本溪組,厚4.69～16.61m,平均厚8.46m。該軌道大巷為穿層巷道,穿過的巖層主要有泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖等,巖石強度低,遇水易軟化,地層構(gòu)造復(fù)雜。巷道原支護技術(shù)為錨桿+金屬網(wǎng)+U型鋼可縮性金屬支架等聯(lián)合支護的方式,斷面形狀為直墻半圓拱形,斷面尺寸為3.4m×3.3m,凈斷面積12.8m2,錨桿間排距700mm×700mm,巷段部分地段采用錨索加強支護。1.2x射線衍射實驗根據(jù)研究需要,在東翼運輸大巷進行取樣,采用日本理學(xué)(Rigaku)公司生產(chǎn)的D/Max-3B型Х射線衍射儀進行X射線衍射實驗,衍射圖譜見圖1。X射線衍射結(jié)果分析:郁山煤礦巖樣為一般常見礦物,樣品主要成分是高嶺石,有中等含量的石英、伊利石或伊蒙混層等礦物,含少量蒙脫石,具有一定的膨脹性。從以上分析結(jié)果可以得出,該巷道圍巖巖性具有明顯的軟巖物理特征。2道路圍巖變形破壞機分析1炭質(zhì)泥巖地層巷道圍巖強度低且層理發(fā)育,該軌道大巷為穿層巷道,穿過的巖層主要有泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖等,巖石強度低,遇水易軟化,地層構(gòu)造復(fù)雜。根據(jù)圍巖礦物組分實驗室測定結(jié)果可知,圍巖中礦物具有一定的膨脹性。由于圍巖中主要礦物成分為高嶺石,因此,圍巖遇水易泥化崩解,使得圍巖強度顯著降低。尤其在巷道圍巖為泥巖和炭質(zhì)泥巖中,巷道變形最為嚴(yán)重。2巷道圍巖受水侵蝕嚴(yán)重,形成導(dǎo)水通道,加劇了巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)的惡化由于東大巷涌水量較大,巷道圍巖層理裂隙較發(fā)育而形成導(dǎo)水通道,同時圍巖中含有大量親水性礦物,使得巷道圍巖受水的侵蝕泥化、崩解、膨脹現(xiàn)象嚴(yán)重,從而進一步加劇了巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)的惡化。3錨桿支護失效東大巷原支護采用錨網(wǎng)棚支護,圍巖變形破壞后采用U型鋼可縮性支架架棚支護。由于巷道圍巖軟弱,層理裂隙發(fā)育,受到采動影響后,圍巖塑性區(qū)范圍大,錨桿的錨固段受到破壞,錨固力降低,從而導(dǎo)致錨桿支護失效;受到水的影響后,圍巖變形進一步加大。采用U型鋼棚支護后,不重視壁后充填,使得U型鋼棚受力不均,在局部受到集中載荷作用下,支架承載能力大幅度降低,不能有效控制圍巖的破壞變形。由于未能有效維護巷道底板,巷道兩幫和兩底角應(yīng)力集中程度大,引起巷道底板鼓起,兩幫角嚴(yán)重內(nèi)移,又進一步降低了U型鋼支架的承載能力。3u型鋼支護對圍巖的強化根據(jù)上述對該巷道破壞機理分析,提出了巷道修復(fù)方案:1)適當(dāng)刷大巷道斷面,預(yù)留變形量。2)初噴及時封閉圍巖,提高圍巖的表面強度并消除環(huán)境效應(yīng)對圍巖強度的影響。3)背網(wǎng)架設(shè)馬蹄形U型鋼可縮性支架優(yōu)化巷道斷面,并有控制地釋放圍巖中的變形能。4)采用錨注技術(shù)實施金屬支架壁后充填,并對圍巖內(nèi)部和表面的裂隙進行充填,提高圍巖自身承載結(jié)構(gòu)的整體性,改善支架的受力狀態(tài)。5)實施錨索梁對巷道關(guān)鍵部位進行加固,從根本上控制巷道的流變變形,維護巷道的長期穩(wěn)定性。4修復(fù)方案的實施4.1凝土密貼封閉圍巖巷道斷面形狀設(shè)計為馬蹄形,斷面設(shè)計凈寬4.6m,凈高3.8m,斷面擴刷后噴射混凝土密貼封閉圍巖?；炷翉姸葹镃20、漿液配比水泥∶砂∶石子∶水=1∶2∶2∶0.6,噴漿前先清理圍巖表面,然后再進行噴漿作業(yè)。馬蹄形棚各段弧首尾連接,受力結(jié)構(gòu)合理,能有效地將圍巖的殘余應(yīng)力分解傳遞到其自身的承載結(jié)構(gòu)中,易于保持棚子均衡受力和巷道穩(wěn)定。4.2支出參數(shù)4.2.1卡纜安裝及連接巷道支護采用29U大剛度馬蹄形全封閉金屬支架,每棚支架由4部分搭接而成,每節(jié)之間搭接500mm,搭接處用2副卡纜固定?？ɡ|采用雙槽板卡纜,槽板厚23mm、卡纜螺桿為M27。架設(shè)棚距為650mm,支架間用6個拉桿連接,分別位于架頂、架肩、底梁腿連接處、底梁中間。每棚的頂幫用d6mm鋼筋制成的鋼筋網(wǎng)背嚴(yán),鋼筋網(wǎng)規(guī)格為2000mm×800mm,網(wǎng)格規(guī)格為70mm×70mm。全封閉馬蹄形29U型鋼支架加工圖見圖2。4.2.2錨索錨固結(jié)構(gòu)對巷道底板進行開挖,使其形成反拱結(jié)構(gòu)。反拱半徑為3101mm,反拱最大深度為1200mm。底板反拱澆注混凝土,澆注800mm后,再采用2根錨索進行錨注支護。錨索規(guī)格為鋼絞線規(guī)格d1530mm×6300mm,眼深6m,排距1.5m。注漿錨桿先注漿,錨桿d15mm,長800mm;封孔可采用空心水泥卷或樹脂藥卷密實,封孔深度0.8m。注漿最大壓力為2.5MPa。待張拉完畢,混凝土回填400mm(反拱最大深度)并留設(shè)水溝。4.2.3錨索梁及支護方案1)巷道注漿采用長短孔交替循環(huán)注漿,注漿孔排距700mm。長孔深為3500mm,短孔深度為1000mm。注漿順序為:先注短孔,后注長孔,先下后上,先底腳、后兩幫、再肩窩、最后注正頂,注漿液為標(biāo)號525的硫鋁酸鹽快硬水泥,水灰比0.85～1.0。長短孔分別采用長度為3000mm和800mm的注漿錨桿進行注漿,注漿壓力為1～1.5MPa,成品巷道堅持灑水養(yǎng)護14d。2)漿液凝固達到錨固力設(shè)計要求后,巷道采用錨索梁加強支護,見圖3所示。巷道兩幫分別采用2道(排)走向錨索梁加強支護,頂部1道(排)。巷道兩側(cè)下幫錨索向下30°～45°布置,上幫錨索向上斜10°～15°布置。兩幫錨索間距1100mm,最下1根錨索距離底板600mm布置,排距1000mm,幫錨索排間用礦用工字鋼連接。11號礦用工字鋼,長度2000mm,眼距1000mm,每副錨索梁工字鋼壓4副U棚。鋼絞線規(guī)格d17.8mm×7300mm,眼深7m,排距1m,每孔采用7節(jié)樹脂藥卷加長錨固。使用錨桿測力計MS15-230/55張拉器測量每根錨索,讀數(shù)不得小于22.6MPa。5圍巖變形速度北翼軌道大巷修復(fù)巷道長165m,共布置3個測站,測站間隔50m。該巷道從2011年12月15日起進行礦壓觀測,共進行了5個月的礦壓觀測。該巷道3號測站的圍巖觀測結(jié)果見圖4,圖5。從圖4,5可知,該巷道在擴巷掘進后7天內(nèi)變形速度和兩幫移近速度較大,在30天以內(nèi)巷道兩幫相對移近速度和頂板下沉速度減緩,巷道表面位移表現(xiàn)為緩慢增加;30天以后,圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)總體上,巷道頂板下沉量和兩幫移近量都比較小,頂板最大下沉量為260mm,兩幫最大移近量為300mm。這說明該巷道圍巖已趨于穩(wěn)定,提出的混凝土反拱+錨索錨注+馬蹄形全封閉金屬支架聯(lián)合支護的修復(fù)方案是可行的、有效的。6巷道支護方式確定在該礦區(qū)-220m三水平軌道大巷修復(fù)中采用混