大断面软岩巷道支护技术分析.pdf

2020.23 科学技术创新 大断面软岩巷道支护技术分析 侍大军刘书华 （兖矿集团兖州煤业股份有限公司济宁二号煤矿， 山东 济宁 272000） 软岩构成的巷道稳定性差,整体强度不足。使用锚喷支护的情 况下,锚的支撑作用有限,无法有效增强岩体的稳定性,岩体在易变 形、 要进行数次整修。当前,锚喷支护下的软岩巷道上部岩体下沉, 容易塌落,两帮朝巷空运动。 如果支护结构可以适应不稳定的岩体, 而且还能承受外力,则巷道能保持稳定。 因此,在软岩环境下设置具 有大横截面的巷道,并解决岩体易流变,稳定性不足以及随着采矿 深入支护难度加大等问题对于煤矿安全高效开采来说意义重大。 1大断面软岩巷道支护方法选用 多数情况下大断面软岩巷道支护需要综合运用多种支护方 法。许多学者研究出几种适用于大断面软岩巷道支护的方法,多数 方法都是基于锚杆支护优化而来, 具体来说主要包括以下几种支 护方法 1.1 锚杆、 锚索、 金属丝网联合支护锚网索联合支护。 锚杆、 锚 索、 金属丝网联合运用,以支护大断面软岩巷道。三者既能发挥自 身的支护作用,也可以发挥联合支护作用,有效控制岩体变形,通过 与岩体耦合,在维持岩体的稳定性方面发挥作用。锚网索联合支护 施工难度不大,支护效果好,经过实践验证已被许多矿井认可,应用 广泛。 1.2 锚网注浆联合支护锚浆联合支护。 在锚杆、 金属丝网支护 的基础上通过注浆加固来增强支护效果,有效增益岩体强度,提升 其自稳性和承载力,达到增强岩体稳定性的目的。 然而,该方法施工 难度大,注浆施工效果往往不理想。加固的效果和岩体孔隙率有很 大的关系;因而只能特殊的岩体环境中应用。 1.3 锚网砌碳联合支护锚碳联合支护。利用锚杆支护的优点 增强岩体承载力,辅助使用砌碳支护封闭岩体,避免岩体因风化导 致强度降低,并且碳体承载能力较强,可以有效减少岩体变形,锚碳 联合支护主要用于使用寿命长,弧形截面的巷道。 1.4 采用硬质层和软质层支护,软质层吸收岩体 摘要 软岩在外力作用下易发生流变， 强度不足， 给巷道支护带来更大的挑战。文章分析了常见的大断面软岩巷道支护方 式， 确定采用锚网索联合支护方式， 并结合高家梁煤矿大断面软岩巷道支护探讨了确定了锚网索联合支护方式的参数设计及施 工工艺。为解决软大断面软岩巷道稳定性差、 支护困难的问题提供切实可行的解决思路。 关键词 大断面； 软岩巷道； 巷道支护； 支护技术 中图分类号院TD353文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2020冤23-0121-02 （转下页） 表 2 设计调蓄容积计算 即， 为消纳在设计降雨量条件下产生的所有雨水， 本项目地 块应设置不小于 21.78m2的调蓄容积。本项目道路为中间高， 两 边低。场地内共设置 255m2的下凹式绿地， 下凹深度为 0.18m， 可调蓄雨水量 2550.1545.90m3， 收集道路径流雨水。具体方 案为通过道路高差引导人形道及机动车道雨水进入周边绿地， 溢流雨水通过绿地、 鹅卵石进行初步径流截留， 再汇入雨水管 网。 4.3 汇水区调蓄容积， 并完成各个地块各类设施布置， 最终 形成如下表所示的调蓄容积。 表 3 汇水区调蓄容积 经核算， 实际调蓄容积为 30.7m3， 实际可控制 46.1mm （24h） 的雨水， 查表得 年径流总量控制率 83.15， 达到设计目标。 4.4 完成项目全部分区设施布局及调蓄类设施规模计算。 a.下凹式绿地 VS*h255*0.1545.90m3； b.透水铺装 不计 算调蓄容积。通过以上计算和分析， 本项目满足规划设计要求 中雨水年径流总量控制率应大于等于 58。 4.5 面源污染削减率的计算。 根据 深圳市房屋建设工程海绵城市设施设计规程 附录 D 中， 对各类海绵设施径流污染削减率 （以 TSS 计） 的取值 下凹 式绿地 70，透水铺装 90。已知年径流总量控制率为 83.15， 下凹式绿地面积为 255m2， 透水铺装面积为 823m2， 对各 类海绵设施径流污水消减率进行加权平均。则有，面源污染总 消减率 （） 0.83* （255*70823*90） / （255823） 70.8。通过以上 计算和分析， 本项目满足 深圳市海绵城市规划要点和审查细 则 中面源污染总削减率不低于 70。 5 结论 通过以上计算和分析， 年径流总量控制率达到了 83.15， 面 源污染削减率达到了 70.8， 透水铺装率达到了 100， 绿地生 物滞留设施比例达到了 100，不透水下垫面径流控制比例达 到了 85。本项目海绵城市建设从理论上将取得较大成效， 项 目建成后我单位将继续跟进，对实际海绵作用进行研究分析， 对设计理论进行补充和完善。 综合雨量径流系数计算（按建设后下垫面计算〉 面积（m2） 综合雨量径流系数取值 下垫面类型 编号 A B 绿化带 1 255 0.15 沥青路面 2 837 0.85 透水铺装地面 3 823 0.3 合计 1915 径流系数 （A1*B1A2*B2A3*B3）/（A1A2A3） 0.52 表 1 总面积 （m2） 径流系数 年径流总控制 率（） 设计降雨量 （mm） 设计调蓄容量 （m） a c d e 10*a*c*e/10000 1915 0.52 58 21.86 21.78 汇 水 面 积 （ m 2） 设 计 调 蓄 容 积 （ m 3） 实 际 调 蓄 容 积 （ m 3） 191 5 21.78 45.90 121-- 科学技术创新 2020.23 变形并释放过程中产生的能量,硬质层控制岩体变形。 由于能够实 现强度、 刚度、 结构的耦合,因此有效保持软岩岩体稳定性,但技术 复杂度高,施工难度大,难以掌握支护结构与岩体的耦合程度,因此, 应用不广泛。 以上提到的支护方法在控制大断面软岩道路的稳定时效果较 好,在比较分析了上述各种支护方法的优劣势基础上,选择施工难 度低的锚网索结合支护方法。 2 工程概况 济二煤矿 9309 回采工作面走向长度 255m, 平均倾斜长度 98m。开采面位于矿井西侧,北侧是未开发的煤层,东侧是已经采空 的煤层,南侧为未开采煤层,厚度 0.8 m -2.9m,平均厚度为 2.2m,倾 斜角为6-9。2309回采工作面是一个完全机械化开采的工作 面。开采路径沿煤层延伸,开采巷道横截面积为 15.5 m2,属于大断 面巷道。9309 回采工作面巷道上部岩性较软,遇水后很容易膨胀, 属于代表性的软岩巷。 3 大断面软岩巷道支护参数设定 在选定了大断面软岩巷道支护方法后, 就应该设定合适支护 参数。本次研究采用 FLAC3D数值建模分析技术,对锚杆间距,锚杆 排距、 锚索数量等参数进行分析,根据巷道岩体变形量来设定的可 接受的参数,具体步骤如下 3.1 分析锚杆间距为 800mm,1000 mm,1200 mm 对应的岩体 变形量。 随着锚杆之间的距离减小,巷道上部以及两侧的岩体变形 量逐渐减小。基于减小锚杆之间的距离对岩体变形的影响以及支 护施工的经济可行性,最终确定锚杆之间的合理距离为 1000 mm, 此时岩体变形幅度明显减小。当锚杆之间的距离减小到 1000mm 时,锚杆间距继续减小时,巷道顶部、 两帮的岩体变形程度减小幅度 也明显减小。 3.2 在确定了锚杆之间的合理距离之后,改变锚杆排距对巷道 上部和周围岩体变形有影响,并且基本上不影响巷道下部变形。 随 着锚杆排距减小,巷道上部和下部以及两侧的变形量逐渐减小。 锚 杆排距 1400 mm,1200 mm,1000 mm 时, 巷道上部变形量分别为 252 mm,191 mm,174 mm,减少量为 26、 8、 1.5,两侧变形量分 别为345mm,274mm,257mm,减少量依次为22、 8、 0。 锚杆排距 降低至1200mm后,继续减小时,对锚杆巷道上部、 下部及两侧变形 量影响很小。 3.3 在确定锚点之间的距离,锚杆排距以及锚杆长度的前提下, 分别分析锚索数量 1、 2、 3 根的情况下岩体的变形量, 对比分析确 定合理的锚索数目。锚索数量的变化并不主要影响巷道底板的变 形。 随着锚索数量的增加,巷道上部和两侧岩体变形量逐渐减小,同 时也减小幅度不随锚索数量增加而衰减。综合考虑选定锚索数量 为3根。 4 大断面软岩巷道支护施工工艺 4.1 顶部锚杆施工 4.1.1 9309 工作面使用一次全断面掘进,巷道掘进尺寸的误差 不得大于 300mm。4.1.2 随着掘进面的前进要应及时使用锚杆,空 顶距离不能大于3m。一旦发现巷道顶部、 两侧破碎,就可以根据需 要减小空屋空顶距。4.1.3 使用单锚气动钻机打孔,使用 2.8 m长、 直径 28 mm的钻杆钻孔。4.1.4 在钻孔之前要检查巷道的横截面 是否符合标准。 如不符合就需要先进行一定的处理之后再钻孔;在 钻孔之前要先清除危险活动岩石块, 确认工作环境安全后在开始 作业。要精确定位锚杆孔,误差控制在80 mm以内,并且锚杆孔眼 要和巷道轮廓线垂直。 严格根据锚杆的长度钻孔,孔深与长度的误 差要可控制在25 mm,钻至既定的深度后,拆掉锚杆,清洁孔眼。 4.1.5 将装有螺母等配件的顶板锚杆插入孔内,设置搅拌套筒,顶推 锚杆,将锚固剂打入孔内。 4.1.6 当锚固剂到达孔洞底部时开始中速 搅拌,主要做顶推旋转动作。 然后加快旋转速度,持续45s,主要做 旋搅动作,使锚固剂混合均匀。托盘接近顶网时用钻杆将其和顶网 压紧3min。搅拌全程用时不得超出 80s,按锚固剂凝固所需时间等 待一会,等其完全凝固再上紧螺母。 4.1.7 仔细确认锚杆与顶板是否 结合紧密,锚杆露在外部的部分长度是否满足施工要求,不符合则 必须补打。装好中间首根锚杆后,再依次安装巷道中线两侧的该排 锚杆。 4.2 锚索施工 4.2.1 用单锚气动钻机,八根长 1200mm 的钻杆钻孔,孔眼深度 要在设计范围内。 4.2.2 用锚索推送树脂药卷达到孔眼底部。 4.2.3 锚索下部通过搅拌器连接钻机,启动钻机,锚索转动,推向孔底,搅拌 过程先慢后快,当锚索外露 250mm左右时,全速旋转越 25秒停机。 4.2.4 3min 后拆除搅拌器、 钻机,用千斤顶张拉锚索,直到预紧力达 到既定值。 4.3 两侧锚杆施工 4.3.1 两侧锚杆用煤电钻钻孔,确保孔深符合要求。 4.3.2 将药卷 推送到孔底,然后将锚杆插入孔眼。4.3.3 装好搅拌套筒,旋转锚杆 推送到孔底, 当锚杆外露 95mm左右时, 使锚杆旋转 25s 后停机。 4.3.4 2min后产出搅拌套筒,铺设锚网,上紧螺母。 4.3.5 仔细确认锚 杆、 托盘、 露在孔外的锚杆长度是否满足施工标准,如不符合需要 重新打孔。4.3.6 巷道两侧的锚杆施工顺序是从上到下、 从外向内 逐排布设,结合巷道两侧岩体情况先对面积较大、 留空时间长的区 域进行施工。 5 结论 综上所述,锚网索联合支护方法综合考虑到巷道岩体复杂多变 的情况,通过锚固使锚杆、 岩体相互作用,聚集破碎岩块形成整体, 有效发挥岩体自身的承载力, 从而防止岩体强度的进一步减弱,保 持岩体整体稳定性。 同时,锚杆可以随着岩体变形移动,支护效果稳 定。锚网起到阻止锚杆间隙煤岩体松动掉落,可以有效提高岩体的 完整性和支护结构的稳定性。由于锚固很深,锚索能有效发挥深部 岩体的承载力,有效组织浅表岩体的破坏。同时可施加预应力支撑 岩体。通过数值模拟和现场实践可以验证该支付方法的可靠性。 参考文献 [1]陈小磊,刘志蒙,张著飞等.大断面软岩巷道支护技术及矿压显现 规律研究[J].中国煤炭,20121250-53. 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