叠加支护技术在特殊条件巷道中的应用.pdf

2 0 0 8 年第 1 期 煤矿支护 3 3 叠加支护技术在特殊条件巷道中的应用 陆球 渊 [ 徐州矿务集团庞庄煤矿，江苏 徐州 z z 1 1 4 1 1 摘要对顶板破坏进行 了机理分析， 一 应用叠加应力支护技术 ，解决 了小揭发穿层 施工巷道顶板支护的难题。 关键词 小揭发 锚、网、喷U 型棚 叠加支护 1 概述 一 6 2 0九煤放水道 里段位 于一6 2 0中央 采 区，为一6 2 0 九煤放水道 的里段 ，巷道从 7 煤底板穿至 9煤 。巷道下侧 为 7 5 0 3里运 输道 ，上侧为 7 5 0 1运输道 。巷道采用平巷 施工 ，其标高 为 一4 9 5 ． 3 m，长度 为 1 3 6 m。 7煤老顶 为砂岩 ，厚度 7 ． 5 m，中粒 石英长 石砂岩 ，夹鲕粒条带 ，多泥质条纹 ；7煤直 接顶为砂 页岩 ，厚度 0 ～3 m，平均 1 ． O m， 含砂不均，水平层理 ，具滑 面；7煤底板为 砂页岩 ，厚度 4 ． O m，含砂 不均，有页岩碎 块，炭化程度较高；7 煤老底为砂岩，厚度 2 4 ． O m，中细粒 ，呈 层 状。顶 板 岩性 变 化 大 ，裂隙较为发育 ，具滑 面，破碎易 冒落 。 新掘的巷道与--6 2 0九煤放水道揭发距 离为 O 1 2 m，因此会造成巷道 超高 ，巷帮维护 困难 ，顶板容易冒落 ，一次成巷困难 。 2 围岩应力分析 ～ 6 2 0九煤放水道里段在原巷道煤层底 板穿层掘进，巷道开掘后，原巷道围岩的原 始应力平衡遭到破坏 ，围岩应力经调整后达 到二次应力状态 。二次应力呈弹性、塑性分 布。由于作用于岩体的初始应力较大而岩体 强度较低，巷道开掘后，周围部分岩体应力 超出了岩体的屈服强度，使岩体发生塑性变 形。此时必须加强支护，否则巷道围岩会失 稳 ，造成巷道的破坏。在巷道开掘后 ，由于 巷道内暴露位置不同会 出现应力集中的现 象 ，主要表现在巷道岩梁支撑点处及岩梁断 裂后与巷道点接触处 。根据岩体力学可以分 析得出理想状态下巷道 围岩的应力状态 。巷 道受力如下图所示。 开掘巷道应力分布图 3 巷道叠加支护设计 ，根据巷道控制效果好 ，安全可靠 ，便于 施工和支护费用低的原则，采用计算机数值 模拟及类比法进行支护方案与支护参数的设 计。该巷道断 面为半 圆拱形，巷道 净高 3 ． 5 m、净宽 4 ． O m，净断面为 1 2 ． 2 8 m 。外 段开窝处与里段透窝处采用锚、网、喷加套 U型钢拱形棚联合支护。经过初始设计， 施工检测 ，信息反馈和修改 ，最后确定巷道 的支护方案和参数。 3 ． 1 支护方案 的确 定 由于掘进巷道与一6 2 0九煤放水道呈叠 维普资讯 3 4 煤矿支护 2 0 0 8 年第 1 期 加轴向布置，因此，根据组合梁理论，需先 加强原巷道支护。采用高强度高预应力锚杆 和锚索加密支护，与围岩一起形成一个完整 的组 合 梁 ，以提 高 原 巷 道 顶 板 的 自承 载 能力。 随着巷道顶板揭发的加大 ，由于施工过 程爆破产生 的破坏 ，必然导致原巷道围岩应 力 的重新分布 。在揭发 0 ～5 m 之 间，锚杆 和锚索悬 吊在此特 殊地质条件 下是不 可行 的，因为新掘巷道受过采 动及爆破 的影 响， 顶板节理 、裂 隙和滑移面发育 ，顶板破碎 、 易离层 。为 了防止漏顶 ，需铺设 金属 网护 顶，决定采用两帮打锚和铺网喷浆；肩窝分 别安设加密锚索 ；顶部通过套拱形钢架棚、 锚、网后再 用水泥 背板全封 闭背实 的施工 方案。 揭 发超过 5 m 时，通过 螺纹 钢树 脂锚 杆 、预应力锚索加固围岩，喷射混凝土封闭 围岩以防岩石风化 。钢筋网限制围岩表面碎 块岩体滑落 ，增强喷体强度 ，达到有效支护 围岩的整体效果 。 综上分析 ，使用这种叠加支护方式 ，可 以改变巷道围岩的受力状态 ，将顶板压力通 过两帮实体传递到底板 ，并且可以有效地限 制巷道变形 ，从而达到理想的支护效果 。 3 ． 2 支护参数选择 锚杆选用直径 1 8 ram、长 2 2 0 0 mm 的左 旋无纵筋螺纹钢等强锚杆 ，配套塑性减摩垫 圈，用 C K一2 2 3 ／ 8 0型树脂锚 固剂卷端头 锚固。锚杆 问排距 为 7 0 07 5 0 ram 。锚 杆托盘规格为 1 5 0 1 5 0 1 0 ram的碟形 托盘和同尺寸的异形托盘。 锚索 采用 直径 1 5 ． 2 4 mm、长 5 3 0 0 mm 的小孔径钢绞线 ，用 C K一2 2 3 ／ 8 0型树脂 锚固剂卷端头锚固。采用长度为 4 0 0 m m的 2 0 槽钢做托板。 金属网由直径 6 mm 的钢筋 焊接而 成 ， 规 格 为 2 3 0 0 9 0 0 mm 、1 7 0 0 9 0 0 mm两种 。网孔尺寸为 1 0 0 1 0 0 ram ， 网片搭接长度为 1 5 O mm。 喷射混凝土强度等级为 C2 0 ，喷浆料配 比为水泥 沙子 石子一1 22 ． 5 。水泥 为 4 2 5号普通硅酸盐水泥 ，砂子为中砂 ，石 子粒径在 5 l O mm之间。混凝土初喷厚 3 0 5 0 mm，网外 喷厚 2 0 ～4 0 mm，总喷厚不 超过 l O O mm。 4 矿压观测与分析 为掌握支护后巷道 围岩活动规律和支护 效果 ，在巷道掘进过程 中，巷道施工后的一 段时间内，在拱形 架棚 的支护段 和锚 、网、 梁支护段分别设点进行表面位移观测和锚杆 锚 固力观测 。 4 ． 1 表面位移观测 采用十字布点法对巷道两帮移近、顶板 下沉和底臌进行监测 。当巷道开掘时 ，应力 处于重新分布阶段 ，围岩变形速度较快 ，开 挖后 1 ～2天 ，两帮移近速度 4 8 mm／ d ，顶 板下沉速度为 1 2 mm／ d ，底臌速度 6 mm／ d 到了 6 ～7天 ，进入波动期 ，两帮移近速度 降 至4 ． 2 mm／ d ， 顶 板 下 沉 速 度 降 至 4 ． 5 mm／ d ，底臌速度上升至 1 4 ． 3 mm／ d 。到 了稳定期之后，两帮移近速度降至 1 ． 5 mm／ d ，顶板下沉速度降至 0 ． 8 mm／ c l ，底臌速度 降至 2 mm／ d ，围岩位移速度大大减缓 ，巷 道处于稳定状态 。 4 ． 2 锚 杆锚 固力观测 锚杆 的锚固力随着开掘、波动 、稳定平 衡几个 时期 的影 响 ，最大 可达 5 6 2 k N。达 到锚杆设计屈服力的 6 4 ． 9 7 9 ／ 6 。锚杆没有 出 现杆体和构件损坏，说明锚杆的强度适宜， 支护设计是合理的。 5 结论 ① 通过采用上述叠加支护方式对 一6 2 0 九煤防水道里段 的施工 ，解决了揭发巷道应 力集 中的难题 。此方式使被锚 固的岩层形成 一 个整体承载结构 ，从而改变 了施工巷道围 维普资讯 2 0 0 8 年第 1期 煤矿支护 3 5 岩的受力状况 ，提高了岩层的自承和承载能 力，使之能经受放炮造成的动压剧烈影响， 保障了巷道的安全施工。 ② 对易离 层破碎顶板采用叠加支护技 术，顶板破坏减少，集中应力由点传递变为 面传递，避开垂直应力和水平应力集中区， 保证了巷道围岩应力小而分布均匀 ，为特殊 条件下推广应用叠加支护技术提供了可靠的 依据 。 ③ 该项技术的应用提高了巷道的稳定 性和减少了后期的维修量，创造了很好的技 术经济效益和社会效益。 作者 简 介 陆 球 渊 男 ，1 9 6 8年 出 生 ， 2 0 0 5 年毕业于中国矿业大学采矿专业。现 任徐州矿务集团有限公 司庞庄煤矿生产管理 部 部 长 ，助 理 工 程 师 。联 系 电话 0 5 1 6 85 3 5 6 26 1。 收稿日期2 0 0 7 一l 1 1 1 ；责任编辑王方荣 上接第 4 5页 浆现象，在控制注浆压力和注浆量的同时， 必须要控制注浆 时间。相反 ，在 围岩裂隙 、 孔隙、层 位不很发 育 的地 方，吸浆 速度较 慢，扩散较困难，为了提高注浆效果，必须 在提高注浆压力的 同时适 当延 长注浆时 间， 根据实际情况灵活掌握 ，达到注浆量 、注浆 压力、注浆时间的可控性注浆 。 4 ． 2 ． 2 锚索 采用锚索支护进行结构补尝以控制顶、 底板和两帮位移量 ，提高支护结构的整体承 载能力 ，提高结构本身的稳定性和抵抗变形 的能力 。 5 支护效果 在 2 0 0 6年 7月份试验段施工结束 ，到 8月份就开始 出现顶和帮开裂 、底臌、北帮 片帮严重，危及安全生产，不得不停产返 修，按第二类支护方案进行施工。目前已施 工 7 0 0 m巷道 ，通过布点观察 ，巷道基本稳 定 ，没有明显的位移，达到了设计 支护的效 果 ，取得了良好 的技术经济效益 。位移变化 曲线如图2 所示。 6 尚存在的问题 通过一年来 的施工观察 ，采用联合支护 技术方案可行 ，达到了设计效果 ，在实践 中 有很大的推广应用价值。尽管目前施工的巷 道变形不大，但也存在一定的问题 ， 需要进 一 步探讨 2 O 删 1 0 S 2 O _量 1 0 S a 两帮位 移变化曲线 夭 1 5 3 0 4 5 6 0 7 5 9 0 1 0 5 1 2 0 1 3 5 1 5 0 1 6 5 1 8 0 天 b 顶、底位移变化 曲线 图 2 位移变化 曲线图 ① 锚杆、锚索及注浆支护参数在一定 程度上还凭经验确定，没有可靠的理论计算 依据。 ② 顶板离层监测技术 还不完善 ，对顶 板管理还起不到明显的指导作用。 ③ 施工质量极大地影响巷道支护效果， 还需严格把关 。 下转第 3 2页 维普资讯 3 2 煤矿支护 2 0 0 8 年第 l 期 量 毒 蒯 餐 蜓 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 O 5 1 5 2 5 3 5 5 O 7 O 9 O 1 5 O 观测天 数 d 锚注修复加固后底臌量 一 一般支护底臌 量 图 1 巷道底板位移 比较 6 00 5 00 4 00 3 00 2 0 0 1 O O O 5 1 5 2 5 3 5 5 0 7 0 9 0 1 5 0 观测天数 f d 锚注修复加固后底臌量 一 一 一 般支护底臌量 图 2 巷道底板位移速率比较 增大了巷道支护体的强度 ，减少 了巷道的破 坏现象 。虽然采用该方案一次性修复投入成 本较普通修复方案有所增加 主要是增加了 注浆及反底拱 的材料费用 ，但是 降低 了巷 道的失修率 ，减少了修复次数 ，从而仍然大 大降低了修复成本 。 以 8 2 采区五 中车场修复为例，采用普 通方案进行全断面修复 ，平均每米修复成本 为 3 8 0 0 元 ，采用反底拱与锚注联合支护方 案 ，每米修复成本 5 1 0 0元 ，而采用反底拱 与锚注联合支护每年可减少一次修复 ，则可 节约资金 1 3 0 0元／ m。从理论上说，按照 8 2 采区五中车场 的条件 ，普通支护根本达不到 保证支护强度 的要求 ，减少一次全断面修复 完全 是 有 可 能 的，按 照该 矿 年 修 复 巷 道 2 0 0 0 m 计 算 2 0 0 6年 实 际 全 年 修 复 9 0 0 0 m ，这样 ，修复 巷道 每年节约资金 约 2 6 0万元 。 另外，从安全的角度来说，消除巷道的 安全隐患，避免事故发生，保证了安全生 产 。从生产 的角度来 说，巷道 变形破 坏减 少 ，能够满足使用要求，生产正常有序 ，经 济效益巨大。 参考文献 E 1 3 王卫军 ，侯朝炯 ，冯涛．动压巷道底 臌 E M] ．北 京煤 炭 工 业 出版 社． 2 0 03， 4 ． E 2 ] 李明远 ，王连 国，易恭酞 ，等．软岩 巷道锚 注支护 理论 与实践 [ J ] ．北 京 煤炭工业 出版社，2 0 0 1 ，9 ． [ 3 3 钱鸣高 ，刘听成．矿山压力及其控制 E M] ．徐 州 中 国 矿 业 大 学 出 版 社 ，2 0 0 4 ． E 4 ] 党 冒志．围岩松动圈理论在优化巷道 支护设计中的应 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