沿空留巷围岩控制关键技术研究.pdf
第 4 2卷第 7期能 源 与 环 保 V o l 4 2 N o 7 2 0 2 0年7月 C h i n aE n e r g ya n dE n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o nJ u l . 2 0 2 0 收稿日期 2 0 2 0- 0 3- 1 2 ; 责任编辑 陈朋磊 D O I 1 0 . 1 9 3 8 9 / j . c n k i . 1 0 0 3- 0 5 0 6 . 2 0 2 0 . 0 7 . 0 4 1 作者简介 郭俊凡( 1 9 9 0 ) , 男, 山西洪洞人, 助理工程师, 2 0 1 2年毕业于山西煤炭职业技术学院, 现从事生产技术管理工作。 引用格式 郭俊凡. 沿空留巷围岩控制关键技术研究[ J ] . 能源与环保, 2 0 2 0 , 4 2 ( 7 ) 1 8 4 1 8 7 . G u o J u n f a n . S t u d y o nk e y t e c h n o l o g y o f s u r r o u n d i n g r o c kc o n t r o l f o r g o b s i d e e n t r y r e t a i n i n g [ J ] . C h i n a E n e r g y a n dE n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o n , 2 0 2 0 , 4 2 ( 7 ) 1 8 4 1 8 7 . 沿空留巷围岩控制关键技术研究 郭俊凡 ( 晋煤集团寺河煤矿 生产技术管理部, 山西 晋城 0 4 8 2 0 0 ) 摘要 为了有效控制沿空留巷顶板岩层的离层及塑性区的发展, 研究了沿空留巷围岩控制关键技术, 包括可伸缩 U型钢支架、 支架壁后充填技术、 锁棚锚杆/ 锚索技术、 滞后注浆技术以及预充填区顶板加 固技术。通过综合技术的分析, 增加了支架和围岩的相互作用, 提高了围岩的整体承载能力, 控制了 顶板离层和裂隙的发育, 保证了巷道顶板的完整程度。 关键词 沿空留巷; 可伸缩 U型钢支架; 壁后充填; 锁棚锚杆/ 锚索; 滞后注浆; 预充填区顶板加固 中图分类号 T D 3 5 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 3- 0 5 0 6 ( 2 0 2 0 ) 0 7- 0 1 8 4- 0 4 S t u d yo nk e yt e c h n o l o g yo f s u r r o u n d i n gr o c kc o n t r o l f o rg o b s i d ee n t r yr e t a i n i n g G u oJ u n f a n ( P r o d u c t i o nT e c h n o l o g yM a n a g e m e n t D e p a r t m e n t o f S i h e C o a l M i n e , J i n c h e n gC o a l G r o u p , J i n c h e n g 0 4 8 2 0 0 , C h i n a ) A b s t r a c t I no r d e r t oe f f e c t i v e l yc o n t r o l t h es e p a r a t i o no f r o o f s t r a t a a n dt h e d e v e l o p m e n t o f p l a s t i c z o n e i ng o bs i d e e n t r y r e t a i n i n g , t h e k e yt e c h n o l o g i e s o f s u r r o u n d i n gr o c kc o n t r o l f o r g o bs i d ee n t r yr e t a i n i n gw e r es t u d i e d , i n c l u d i n gt h er e t r a c t a b l eU-s h a p e ds t e e l s u p p o r t , t h e f i l l i n g t e c h n o l o g y b e h i n dt h e s u p p o r t w a l l , t h e l o c k i n g r o o f b o l t / c a b l e t e c h n o l o g y , t h e l a g g r o u t i n g t e c h n o l o g y a n dt h e r o o f r e i n f o r c e m e n t t e c h n o l o g yi nt h ep r e f i l l i n ga r e a . T h r o u g ht h ea n a l y s i s o f c o m p r e h e n s i v et e c h n o l o g y , t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns u p p o r t i n ga n d s u r r o u n d i n g r o c kw a s i n c r e a s e d , t h e o v e r a l l b e a r i n g c a p a c i t y o f s u r r o u n d i n g r o c kw a s i m p r o v e d , r o o f s e p a r a t i o na n df r a c t u r e d e v e l o p m e n t w e r ec o n t r o l l e d , a n dt h ei n t e g r i t yo f r o a d w a yr o o f w a s e n s u r e d . K e y w o r d s g o bs i d e e n t r y r e t a i n i n g ; r e t r a c t a b l e U s h a p e ds t e e l s u p p o r t ; b a c kw a l l f i l l i n g ; l o c k i n g r o o f b o l t / c a b l e ; l a g g r o u t i n g ; r o o f r e i n f o r c e m e n t i np r e f i l l i n ga r e a 0 引言 由于沿空留巷受到采动影响, 顶板岩层部分裂 隙被分割为块体结构, 产生一定的离层和破坏, 给巷 道支护带来了难度。但是沿空留巷的肩角冒落和顶 板离层的控制尤为突出, 国内学者对其进行了研究。 张农等[ 1 ]研究了沿空留巷围岩控制理论, 总结出墙 体快速构筑、 “ 三位一体” 围岩控制、 结构参数优化、 分区治理、 预裂爆破卸压等沿空留巷围岩控制关键 技术; 柏建彪[ 2 ]对沿空留巷围岩控制技术进行了研 究, 提出了巷旁支护体主要参数的确定方法, 建立了 巷旁充填沿空留巷的力学模型, 分析沿空留巷顶板 破断垮落特征; 文献[ 3 ] 通过留巷内辅助、 加固留巷 墙体顶板和充填等加强支护等措施, 来控制沿空留 巷围岩; 文献[ 4 ] 采用 U D E C数值模拟和现场实测 的方法, 对巷道围岩应力分布、 变形规律进行研究, 分析了煤柱宽度和锚杆间排距的影响。 基于此, 本文分析了沿空留巷围岩控制关键技 术, 主要分析了可伸缩 U型钢支架、 支架壁后充填 技术、 锁棚锚杆/ 锚索技术、 滞后注浆技术以及预充 填区顶板加固技术。研究为矿井沿空留巷支护参数 设计提供技术支持。 1 可伸缩 U型钢支架 可伸缩 U型钢支架具有一定的可缩性和适当 的强度, 能够一定程度上抑制塑性区的持续变形、 发 481 2 0 2 0年第 7期郭俊凡 沿空留巷围岩控制关键技术研究 第 4 2卷 展及顶板的离层[ 5 ]。 可伸缩 U型钢支架的工作原理 在压力作用 下, 支架连接段的型钢固定在一起, 支架吸收一定的 能量, 使其具有一定的预紧力。当可伸缩 U型钢支 架和围岩接触时, 连接件和型钢产生摩擦阻力, 型钢 和型钢间产生摩擦, 来阻止围岩的变形。在该过程, U型钢支架变短、 曲率半径变小, 产生附加应力, 吸 收一定的围岩应力, 从而提高了支架的支护阻力。 随着围岩的持续变形, 支架的工作阻力持续增加, 当 支架承受能力小于围岩压力时, 型钢将发生挠曲破 坏, 失去承载能力[ 6 8 ]。 可伸缩 U型钢支架在缩短和变形过程, 能够平 衡围岩应力状态和提高围岩的支护阻力, 该协调性 促使可伸缩 U型钢支架适应围岩压力变化和较大 变形。因此, 可伸缩 U型钢支架对于沿空留巷围岩 控制具有重要的作用。 2 支架壁后充填技术 当对围岩的支架壁进行充填时, 可以改善围岩 和支架的相互作用, 使实际承载性能提高 2倍以上; 同时, 由于围岩充填后, 围岩结构得到了有效改善, 也减小了巷道断面的收缩量。 ( 1 ) 壁后充填作用。当进行壁后充填后, 由于 浆液将围岩的孔洞进行充实, 改善了围岩的结构, 提 高了围岩的残余强度, 增加了支架和围岩的相互作 用, 减小了支架的非弹性变形, 防止了泥质软岩的风 化。为了防止支架由于集中点载荷和偏心载荷发生 的变形破坏, 该技术具有重要作用 ①壁后充填技术 可以使支架充填体围岩形成叠合梁结构, 视为 统一承载体, 具有较高的抗弯能力; ②壁后充填技术 提高了浅部围岩的刚度和残余强度, 提高了受载后 支护阻力, 有利于支架的早期承载, 有效防止了支架 的倾斜失稳; ③壁后充填技术降低了支架耳部的集 中载荷, 减弱了钢筋网拉力不均的现象, 增加了钢筋 网的抗弯能力; ④改善了围岩支架关系, 降低了支 架的截面异化程度, 使围岩集中应力向均布应力转 化[ 9 1 1 ]。 ( 2 ) 壁后充填的施工方法。主要分为湿式和干 式充填 2种。本文主要采用湿式充填, 该技术具有 充填效率高、 充填率高和设备简单可靠等特点, 能够 适应于岩性变化大、 局部地段充填的巷道。湿式充 填采用预埋“ T ” 型管注浆充填( 图 1 ) , “ T ” 型管采用 1 5m m , 壁厚为 3 . 2 5m m , 一段外露在巷道表面, 用 于注浆, 另一端埋入钢筋笆片后, 用于喷射浆液。射 浆管的直径为 2 6 . 8m m 。然后, 将巷道表面进行混 凝土砂浆喷射, 喷射厚度为 5 0~ 7 0m m , 防止了壁后 充填的浆液外流和 U型钢棚的腐蚀, 提高了支架的 承载性能和注浆的压力。 图 1 预埋“ T ” 型管注浆充填 F i g 1 G r o u t i n gf o rp r e e mb e d d e d" T "t y p ep i p e 3 锁棚锚杆/ 锚索技术 锁棚锚杆/ 锚索技术提高了支架的偏心载荷的 承载能力和围岩的承载特性, 为支架偏载提供局部 应力补偿, 对于支架和锚杆( 索) 采用间接连接方 式, 主要由走向锚杆( 索) 梁和锁棚卡缆组成[ 1 2 1 3 ]。 ( 1 ) 走向锚杆( 索) 梁。该连接方式如图 2所 示。梁可以采用废旧的 U型钢或者工字钢加工, 连 接 2~ 4个 U型钢棚, 根据实际工程需要, 梁的开孔 数目和位置进行相应的调整。该连接方式避免了直 接连接的缺点, 使 U型钢连接为一个整体, 提高了 支架的承载能力和稳定性。 图 2 走向锚杆( 索) 梁连接方式 F i g 2 C o n n e c t i o nmo d eo f s t r i k eb o l t ( c a b l e )b e a m 581 2 0 2 0年第 7期 能 源 与 环 保第 4 2卷 ( 2 ) 锁棚卡缆。该连接方式如图 3所示。根据 U型钢棚的截面特性, 将卡缆做成弯曲形状, 能够和 U型钢棚紧密连接; 锚固孔设置为扁长形, 布置在两 侧耳翼上。该连接方式能够充分发挥 U型钢棚的 支护性能, 防止了 U型钢棚的弯曲和扭转, 提高了 支架的稳固性。 图 3 锁棚卡缆连接方式 F i g 3 C o n n e c t i o nmo d eo f l o c k i n gs h e dc a b l e 4 滞后注浆技术 滞后注浆技术将围岩的弱面和裂隙胶结起来, 实现了锚杆和锚索的二次支护, 提高了围岩的整体 承载能力, 对支护结构进行进一步的优化。根据力 学实验, 在 2 5M P a 的三轴受压状态下, 粉砂岩的强 度约为 1 1M P a ; 当进行滞后注浆技术后, 粉砂岩的 强度增加到 3 3M P a 。粉砂岩和固结体全应力应变 曲线如图 4所示。 图 4 粉砂岩和固结体全应力应变曲线 F i g 4 F u l l s t r e s s s t r a i nc u r v e o f s i l t s t o n e a n dc o n s o l i d a t i o n 由图 4可知, 该技术可以提高围岩的残余强度。 根据某煤矿的地质条件, 巷道初始支护阻力为 0 . 2M P a , 巷道半径为 2 . 5m , 围岩的剪胀角为 2 ~ 9 , 黏聚力为 0 . 2~ 0 . 9M P a , 内摩擦角为 2 0 ~ 3 5 , 泊松比为0 . 2 5 , 弹性模量为3 . 5G P a , 原始应力为1 5 M P a 。得到注浆加固对塑性圈半径和巷道表面位移 的影响如图 5所示。由图 5可知, 随着黏聚力和内 摩擦角逐渐增加, 巷道表面位移和塑性区半径逐渐 下降, 因此注浆加固达到了理想地控制围岩的效果。 图 5 注浆加固对塑性圈半径和巷道表面位移的影响 F i g 5 E f f e c t o f g r o u t i n gr e i n f o r c e me n t o n p l a s t i cr i n gr a d i u s a n dr o a d w a ys u r f a c ed i s p l a c e me n t 5 预充填区顶板加固技术 沿空留巷巷旁支护的主要构件为充填墙体, 为 了降低充填墙体的顶板压力和防止顶板的离层, 应 增加顶板岩体的整体性, 可以对底板进行主动加固。 带充填区和撕帮主动控顶如图 6所示。施工小孔径 预拉力锚索和“ 三高” 锚杆来主动控制顶板; 采用高 初撑力可缩单体液压支柱进行巷内支护, 分区域控 制巷道顶板, 控制顶板离层和裂隙的发育, 保证巷道 顶板的完整程度。 图 6 带充填区和撕帮主动控顶示意 F i g 6 A c t i v et o pc o n t r o l s i g n a l w i t h f i l l i n ga r e aa n dt e a r i n gs i d e 681 2 0 2 0年第 7期郭俊凡 沿空留巷围岩控制关键技术研究 第 4 2卷 6 结论 ( 1 ) 可伸缩 U型钢支架能够平衡围岩应力状态 和提高围岩的支护阻力, 适应围岩压力变化和较大 变形, 对于沿空留巷围岩控制具有重要的作用。 ( 2 ) 壁后充填提高了围岩的残余强度, 增加了 支架和围岩的相互作用, 可以防止支架由于集中点 载荷和偏心载荷发生的变形破坏。 ( 3 ) 锁棚锚杆/ 锚索技术防止了 U型钢棚的弯 曲和扭转, 提高了支架的承载能力和稳定性。 ( 4 ) 滞后注浆技术实现了锚杆和锚索的二次支 护, 提高了围岩的整体承载能力, 具有理想的围岩控 制效果。 ( 5 ) 预充填区顶板加固技术可控制顶板离层和 裂隙的发育, 保证巷道顶板的完整程度。 参考文献( R e f e r e n c e s ) [ 1 ] 张农, 韩昌良. 沿空留巷围岩控制理论与实践[ J ] . 煤炭学报, 2 0 1 4 , 3 9 ( 8 ) 1 6 3 5 1 6 4 1 . 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