“三软”地层掘进联合支护方式实践与研究.pdf

1 06 东 撼晨 甜技 2 0 1 3 年第3 期 “ 三软 “ 地层 掘 进 联合 支 护 方式 实践 与研 究 亓荣 强 王 勇 内蒙古鲁新能源开发有 限责任公司 ， 内蒙古 锡林郭勒盟0 2 6 2 3 1 摘要 以内蒙古鲁新矿 井 5 7 0 m轨道石 门弱胶结软岩巷道 支护 为工程背景， 分析 了巷道 变性破坏的主要原 因， 提 出锚 网喷、 锚 索、 U型棚联 合支护方案 ， 划分出不同地段及不 同地质条件， 岩性发 生变化 ， 进行改变不同的支护形 式， 尤其掘进迎头采用管棚超前 支护及小导管超前注 浆 支护 ．．经现场实践 ， 该支护方案成功控制 了巷道围岩的破坏变形 ， 取得 了良好 的支护效果。 关键词 软岩巷道 巷道 支护 锚 网索喷支护 U型棚联合支护 超前支护 中图分类号 T D 3 5 3 文献标识码B d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 2 8 0 1 ． 2 0 1 3 ． 0 3 ． 6 7 1 工程概 况及 初步 设计 支护 参数 1 ． 1 概 况 1 内蒙古鲁新矿井煤 田属 中生代晚侏罗 ～早白 垩 含煤建造体系 ， 赋存于受 各级构 造控制 的陆相 含煤 盆地 中， 岩性 以砂 岩和泥 岩为 主。所 开采煤 层成 煤期 晚 ， 煤岩层 固结程 度低 ， 属 “ 三 软” 地 层。其 主要 特点 有 ①岩层成岩年代晚， 胶结性弱。岩层软弱， 胶结性 差 ， 大多是泥质岩类， 基本是黏粒的集合体 ， 用手可掰 开 ， 指 甲可划动 。易 风化 、 怕 风 、 怕 水 ， 受施 工影 响大 。 ②岩石强度低 。煤矿软岩多为泥岩 、 炭质泥岩 、 砂质泥 岩 等 ， 单轴抗压强度都 比较低 ， 普 氏系数在 0 ． 7 9～2 ． 0 之 间。③巷道变形 以顶板 下沉 为主 ， 且 变形 量大 。该 层状分布的地层在顶板处易产生离层现象， 在 自重应 力作用下使得顶板破碎 ， 两帮变形较顶板小 。 2 鲁新煤矿 5 7 0 m轨道 石门在施工过程 中依次 穿过炭质 泥岩 、 煤 l 2 、 砂质 泥岩 、 煤 1 1 、 砂 质泥岩 。其 中从现场揭露情况来看 ， 巷道穿过砂 质泥岩 比例较 大 ， 其中 5 7 0 m轨 道石 门揭露 的煤 1 1 顶板 为砂 质泥岩性 无胶结性 ， 硬度 较小 。并且 在巷 道在施工 过程 中 围岩 含有淋水 ， 加快 和加剧巷道的变形和破坏 ， 对于砂质 泥 岩类软岩 ， 遇水 会 出现 泥化 、 膨胀 和碎裂 等 现象 ， 造成 围岩产生很大的塑性 变形 。所 以 ， 在掘 进后 ， 顶板 、 两 帮 围岩成 不规则状态 自然塌落 ， 出现 冒高 、 帮旷现象 。 1 ． 2初 步设 计支 护参数 鲁新矿 井 5 7 0 m轨道 石 门在施 工过 程 中进行 了 多次 支 护 。初 次 支 护 采 用 锚 网 喷 支 护 ， 锚 杆 长 度 2 2 0 0 m m， 间排距 6 0 0 6 0 0 m m， 锚 固长度 7 0 0 m m， 钢 筋 网采用经纬 网， 网格间距 1 0 0 x 1 0 0 m m。稳定 一段时 间 后 ， 一个月后又出现明显的变形增大 现象 ， 锚 杆托盘 内 陷， 顶板变形量达到 5 0 0 m m以上， 同时两帮变形也在 3 0 0 m m， 变形速率达到 1 l m m ／ d ， 超 出 -『 锚杆支护所允 收稿 日期 2 0 1 3 0 41 0 作者简介 亓荣强 1 9 6 3一 ， 男， 工程硕士， 现任内蒙古鲁新能源 自‘ 限责任公 日 总经理， 发表论 文多篇 许的极限变形。后在锚杆支护的基础上增加了锚索支 护， 锚索采用 q b l 5 ． 4 m m的钢绞线， 长度 6 0 0 0 m m， 锚固 长度 1 1 0 0 m m， 提高支护的护表能力。支护后巷道变形 有所改善 ， 开挖后 l O d ， 顶板下沉降速度降至 1 ． 5 m m ／ d 。分析认 为该 支护仍无法满足长期稳定要求 。 2课 题 的提 出 1 鲁新煤矿 属 “ 三 软 ” 地层 ， 并 且水 文地质 条件 比较复杂。当地质条件发生变化时 ， 顶板破碎 、 两帮位 移、 底板鼓起 、 淋水加大伴随而至， 造成巷道成型极差 ， 尤其是巷道穿过流沙 层时 ， 一般 的锚 网喷支护 难 以控 制顶板 ， 给施 工和安全带来极大的危害。 2 地质 构造 发生 变化 时 ， 巷道 围岩 同时发 生不 同程度的破 碎变化 ， 严 重风化 、 侵 蚀带 围岩十 分破碎 ， 缺乏粘结性 或粘结性差 ， 松动压力大 ， 极 易在掘进过程 中出现片帮冒顶现象 。并且巷道 围岩逐渐呈现 出软岩 变形特点 ， 即使岩石抗压强度较高 ， 也可能成为实 际意 义上的应力区软岩。巷道 围岩在应力的作用下进人 软 岩岩性状态 ， 岩石的蠕变速度 、 蠕变时 问都在增 大。同 时 ， 地质构 造也 越来 越 复 杂 ， 巷 道压 力越 来 越 大。因 此 ， 在 “ 三软” 地 层破 碎 围岩状 态下 ， 如何 用安 全有 效 的支护方式控制巷 道成 型 ， 以及快 速穿过地 质复 杂地 带 。是工程技术人员研究 的主要方 向。 3 巷道 支护 变形 受力情 况分 析 开挖导致巷道周边的岩体沿垂 直于巷道表面方 向 的应力卸 除 ， 沿巷道切 向的应力加 大 ， 这 样就使得巷道 两帮竖 向承受着压应力 ， 水平向基本不受力 ； 在顶板处 受水平 向压应 力 ， 在竖 向受到 重力作用 而产生 竖 向受 拉 ， 并且 由于该处巷道 围岩为弱胶结的层状沉积 岩 ， 存 这种不利受力组合下很容易产生离层， 导致顶板破碎， 而破碎岩体的重力作用在喷层上， 首先沿喷层搭接处 和锚杆与喷层连接 处破坏 ， 如果继续 发展甚 至会 导致 巷道整体不稳定。因此， 在弱胶结软岩巷道支护中应 特别重视顶板 的维护 。 在 5 7 0 m轨道石 门施工过程 中， 施工 至煤 层与下 2 0 1 3 年 第3 期 东 撼晨 斜技 1 0 7 部泥岩交接处 时顶板 出现离 层 ， 锚 杆支护顶板 破碎 ， 后 加强 了顶板 的维 护 ， 紧跟迎 头间距 2 m排距 3 m打6 ． 0 m 长锚索加强顶板的维护， 顺利通过了该段巷道。 4 弱胶 结 软岩 巷道 合理 的支 护形 式研 究 通过对鲁新 矿井 支护 的实践 ， 认 为 弱胶结 软 岩巷 道 自稳能力较差， 单纯 的主动支护形式对于提高巷道 自身稳定能力有 限 ， 很难保证巷道 的长期稳定 ； 同时普 通的锚杆和锚索支护在变形上不能适应软岩巷道大变 形的特点。而采用主动支护和被动支护相结合的支护 形式 ， 能较好地 的维持巷道稳定 。为此 ， 采取 了先 一次 主动支护后二次被动高阻可缩支护的形式 1 要加强顶板维 护 ， 及早 支护 ， 尽 量避 免顶 板离 层； 2 要对巷道表面提供足够大的支护阻力， 才能改 善巷道表面处 围岩 的受力 条件 ， 控 制巷道 变形量 ； 3 结合弱胶结软 岩巷道 自稳 时间 短 的特 点 ， 应尽 早实 施 被动支护， 保证支护强度； 4 被动支护应该采用高阻 可缩的支护方式。一方面提供足够高的支护阻力 ； 另 一 方面适应软岩巷道大变形 的特点， 防止支护结构过 早破坏。高阻的目的是及早施加较高的支护力， 强力 限制变形 ， 为弱 胶结 软岩巷 道变 形控制 争 取时 间。采 用可缩性支护是 由于 刚性 支护下 支护结 构受 力较 大 ， 增加了对支护结构强度 的要求 ， 增加 了成本 ， 而可 缩性 支护结构可在允许巷道一定量的变形的情况下使支护 结构不致 由于受力过大而破坏 。 5 鲁新 煤矿 “ 三软 ” 地 层掘 进组 合支 护 方案 鲁新煤矿经过与山东科技大学合作 ， 对弱胶结易 风化软岩的 5 7 0 m轨道石 门进 行矿压监 测 ， 并且根 据 现场 实际经验 ， 分析划分出不 同地段及不 同地质条 件 ， 岩性 发生变化 ， 进行改变不 同的支护形式 的研究 ， 总结 出三种切实有效的方案。即 ①正常稳 固软岩情况下 一 般支护； ②弱胶结软岩情况下加强支护 ； ③弱胶结软 岩 流沙层情 况下超加强支护 。 5 ． 1 正常稳 固软岩情况下 的一般支护 1 采用锚网喷、 锚索 、 u型棚联合支护。 2 迎头打设锚索， 排距为 1 ． 5 m， 每排打设 4根 ， 锚索 间距 1 2 m。 3 拱形棚 拱形棚 间距 为 0 ． 3 0 ． 5 m， 棚跟迎头 ， 迎头与顶板结合部使用一架对棚。 4 棚腿利用 2根锚杆加夹板将其固定在帮上。 5 在原锚杆 、 架 棚支护 的基础 上 ， 补 打锚索 加强 支护， 锚索每 3 m布置一排 ， 每排 3根， 锚索间距 1 ． 5 m， 由正顶 向两边分 。 5 ． 2 弱胶结软岩情况下加强支护 1 施工前在永久支护下 ， 在掘进头拱顶处打设 超前 支护然后再进行掘进 。 2 掘进头 超前 支 护采 用 1寸钢 管或 3 0 m m 圆 钢进行支护 ， 在迎 头拱 顶 按 间距 0 ． 3 m， 打设 3 8 m m、 长 3 ． O m钻孔， 插入4 m长的 1 寸钢管或 中 3 0 m m圆钢 作为超前支护 ， 掘进至钢管余量为 1 ． 0 m时， 重新在迎 头交叉布置打设超前钢管进行支护。 3 在原超前钢管的掩护下， 综掘机割出两架棚 空的距离， 钢管里端在岩层中不少于 0 ． 5 m， 然后进行 锚 网喷支护 。 4 在巷道拱部打设 2 5 m m、 4 ． 5 m长的钢管， 钢 管外露 0 ． 5 m， 所有钢管打设完后， 按间距 0 ． 9 m架设两 架拱形棚， 其中靠近迎头的拱形棚托住新打设 的钢管 外露端， 使钢管起到托顶的作用， 即一个循环架设两架 拱形棚 O 5 在钢管下割第一个循环 ， 锚 网喷支护后， 架设 两架拱形棚 ， 然后在钢管下再 割第二个循环 ， 在锚 网喷 支护的掩护下， 在巷道拱部打设 4 ． 5 m长的钢管， 钢管 外露 0 ． 5 m， 再架设两架拱形棚， 其中靠近迎头的拱形 棚托住钢管外露端， 如此进行下一个循环。 6 巷道掘进在锚网喷正常支护的基础上， 按间 距 0 ． 3 m、 与水平呈 35 。 上仰角在巷道拱肩以上沿拱 部轮廓线以上打设钢管进行超前支护， 钢管外露 1 m。 当掘进到迎头 以外空 3架拱形棚 后 ， 按 间距 0 ． 8 m复棚 3架到迎头 钢管外露端用拱形棚托住 。当迎头掘进 到钢管里端剩余 l m时， 在钢管空档再打设另一组钢 管进行超前支护 。 5 ． 3 弱胶结软岩流沙层情况下超加强支护 1 迎头出现涌水时， 采用小导管注浆技术， 小导 管超前注浆支护的基本原理是在工作面周边按一定角 度将小导管打 钻、 压 人地层中， 及借助注浆泵的压 力， 使浆液通过小导管渗透， 扩散到地层空隙中， 这样 既可止水， 又可在工作面周围形成一个承载壳 地层 自承拱。同时管体又可起到超前锚杆的作用 ， 从 而达到增加土体的自稳时间， 提高自稳能力， 限制地层 松 弛变形 的 目的。 2 小 导管 采 用 直径 为 一 寸 、 长度 为 3 ． 5 m 的钢 管。钢管管壁梅花形布置的小孔 ， 孔径为 6 m m， 孔距为 2 0 0 m m， 钢管管头削尖 。 6 结 论 通过内蒙古鲁新矿井 5 7 0轨道石门弱胶结软岩 巷道支护实践 ， 采用锚网喷 、 锚索、 u型棚联合支护， 迎 头采用管棚超前支护及采用小导管超前注浆支护方式 超前加固的机理， 总结 了弱胶结软岩巷道合理的支护 形式和支护原则 ， 超前支护是矿井防治冒顶事故的重 要方法之一， 具有提高施工安全和巷道质量 ， 加固巷道 薄弱地段， 减少突水机率、 延长矿井服务年限的明显优 点。