巷道底臌分析、監測及控制技術研究

張建國

(西山煤電集團公司東曲礦,山西省古交市,030200)

★煤礦安全★

巷道底臌分析、監測及控制技術研究

張建國

(西山煤電集團公司東曲礦,山西省古交市,030200)

為了解決掘進巷道時,巷道壓力大、頂板破碎、底板臌起,致使施工不能連續進行的問題,通過分段實驗,加強監測監控,使巷道變形量得到有效控制,降低了巷道維修的費用。

巷道底臌 支護 監測監控

目前,隨著支護技術的發展,已經能夠將頂板下沉和兩幫移近控制在某種程度內,然而對于防止底臌卻一直缺乏既經濟又有效的辦法。強烈的巷道底臌不僅帶來了大量的維修工作,增加了維護費用,而且還影響了礦井安全生產。所以,分析巷道底臌原因、完善監測設施及控制底臌量具有十分重要的意義。

1 底臌致因理論

受采掘工程的影響,巷道頂底板和兩幫巖體產生變形并向巷道內產生位移,巷道底板向上隆起的現象即稱之為底臌。底臌所導致的巷道斷面縮小、阻礙運輸和行人、妨礙礦井通風,使得許多礦井不得不投入大量的人力和物力去做“挖底”等臨時的處理工作,嚴重的會造成整條巷道的報廢,對礦山的生產與安全產生很大的制約。

長期以來,國內外許多專家學者對煤礦巷道底臌機理和控制技術作了大量的研究工作,提出了許多底臌控制技術。研究表明,引起巷道底臌的因素有很多,其中較為突出的幾個因素是底板巖層性質、圍巖應力、水力作用、巖體強度和地溫等。有效控制底臌的方法大致分為兩類:一類是預防,即采取措施將底臌量減少到允許的范圍內;二是清除底臌,將巷道已發生底臌的部分巖石清除,恢復巷道斷面積。

2 底臌治理方法

只有在動壓區對巷道底臌進行一定的治理才是根本之策。目前,治理底臌的方法可分為3大類型,即:支護加固法、卸壓法及聯合支護法。

2.1 支護加固法

支護加固法就是對巷道底板巖層支護或增強其強度,從而提高底板巖層的穩定性,減小底臌量。它包括底板錨桿、底板注漿及封閉式支架、混凝土反拱等形式。這種支護的工作原理主要有3個方面:一是將軟弱底板巖層與其下部穩定巖層連接起來,抑制因軟弱巖層擴容、膨脹引起的裂隙張開及新裂隙的產生,阻止軟弱巖層向上鼓起;二是把幾個巖層連接在一起,作為一個組合梁,起承受彎矩的作用。此組合梁的極限抗彎強度比各個單一巖層的抗彎強度的總和大;三是通過加注水泥漿,漿液滲透到巖層裂隙之間,增加了破碎巖石之間的黏結力,在底板中形成一強度比加固以前大的整體結構。

2.2 卸壓法

卸壓法與支護加固法控制軟巖巷道底臌的機理不同,它的實質是采用一些人為的措施改變巷道圍巖的應力狀態,使底板巖層處于應力降低區,從而保證底板巖層的穩定狀態。它特別適用于控制高地應力的巷道底臌。目前出現的卸壓法有切縫、打鉆孔、爆破及掘巷卸壓等形式。

2.3 聯合法

如果單獨使用支護加固法或卸壓法還沒有取得滿意的效果,則需要采用聯合支護法,即把不同的方法結合起來使用。聯合支護法通常是兩種方法的結合,如底板爆破注漿、切縫與錨桿、封閉式支架與爆破等。

3 工程實例

3.1 巷道地質條件

運煤平巷位于東曲礦六采區,該煤層為上組2#煤。煤層厚度為0.60～1.00 m,平均厚度0.80 m;煤層傾角為1～5°,平均3°,結構簡單,屬穩定型煤層(見表1)。

表1 煤層頂底板情況表

3.2 巷道斷面及支護參數

3.2.1 巷道斷面

運輸大巷為矩形斷面,凈寬4.2 m,凈高2.5 m,凈斷面10.5 m2。

3.2.2 支護參數

采用錨網支護形式。工作面頂板采用左旋螺紋鋼錨桿、錨索、鋼帶和金屬網聯合支護。錨桿呈矩形布置,間排距900 mm×1000 mm,鋼帶排距1000 mm,錨索排距2000 mm,呈“三花型”布置,兩幫采用左旋螺紋鋼錨桿加木托盤支護,兩幫錨桿距頂500 mm,距底1000mm,間排距1000 mm×1000 mm。支護示意圖見圖1。

圖1 巷道斷面及支護形式圖

3.3 巷道施工過程中出現的問題

運輸大巷設計長度950 m,從開口施工至里程150 m時,巷道出現頂板破碎,底臌嚴重,前進的右幫底角處開裂,最大變形量達到500 mm,水平位移量達到350 mm,即巷道寬度縮小350 mm,垂直位移量達到500 mm左右,即巷道高度降低500 mm左右,直接制約巷道的正常施工,影響著作業人員的安全。

3.4 變形致因分析

3.4.1 分段實驗法

從里程150 m開始將施工的30 m巷道分為3段,每10 m為1段,采取不同的技術手段進行試驗分析。其中,第1段在原有支護的基礎上,在靠底板右幫煤線以下100 mm處增設1排幫錨桿,幫錨桿規格:?20×L1800 mm左旋螺紋桿錨桿,與右幫成65～75°角打設。第2段按原巷道支護設計進行施工。第3段在原設計的基礎上,在巷道右底角底板上挖300 mm(寬)×300 mm(深)的卸壓槽進行能量的釋放。

3.4.2 監測監控法

(1)測點的布置。

在上述試驗的3段巷道中,在每段的中間設置1測點,分別標記為1、2、3。

(2)觀測方法。

①采用十字布點觀測法:在每段中間巷道的頂底板中心位置各打設1根錨桿,在左右兩幫中部各打設1根錨桿,其深度均為1000 mm。

②每段中間右幫靠底板200 mm處作標記,在靠近右幫的第1根垂直頂錨桿上掛設鉛垂線進行觀測標記點到鉛垂線的水平距離,從而確定水平位移量。

③在每段中間巷道中心位置處打設一頂板離層指示儀作為頂板下沉量度量的又一重要依據。

(3)觀測周期。

每個測點從掘進完畢記起,對各測點每天觀測1次,每個測點連續觀測1周,觀測數據見表2,巷道變形隨時間變化情況見圖2。

表2 巷道位移量統計數據

圖2 巷道變形隨時間變化曲線圖

4 結論

從統計數據分析得出,巷道的變形量主要由于巷道底臌導致的,為了有效合理的降低巷道的變形量,不影響掘進速度,減少巷道的維修返修率,降低維護巷道的費用,所以選擇了第1種實驗方法,即在巷道右幫靠煤線100 mm以下打設幫錨桿1根,與右幫成65～75°夾角打設。

[1]李開學,王宏圖,劉正海.巷道底臌理論與防治技術[J].礦業安全與環保.2008(6)

[2]錢鳴高,劉聽成.礦山壓力及其控制(修訂本) [M].徐州:中國礦業大學出版社,1998

[3]康紅普.軟巖巷道底臌的機理及防治[M].北京:煤炭工業出版社,1993

(責任編輯 梁子榮)

TD327.3

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張建國(1968-),男,山西文水人,工程師,現任西山煤電集團東曲礦二采區區長。