深部圍巖巷道支護技術(shù)

王勝康,李崇茂,孫玉亮

隨著礦井開采深度的增加,自重應(yīng)力也隨之增加。由于巷道圍巖的集中應(yīng)力大于其自身強度,巷道會發(fā)生各種形式的變形及破壞。礦場壓力顯現(xiàn)明顯,易發(fā)生極具破壞性的沖擊地壓。礦井深部巖層中也會出現(xiàn)類似軟巖的問題,在進行巷道支護時會遇到很多困難,嚴重影響了煤礦正常的安全生產(chǎn)。對深部巷道支護問題的研究已顯得尤為重要。

1 深部圍巖巷道變形問題

深部圍巖巷道由于受三高 (高溫、高圍壓、高孔隙壓力)的影響而產(chǎn)生與淺部圍巖巷道所沒有的大變形、強蠕變等特征。如：巷道變形量顯著增大和變形速度加快、巷道維護異常困難、支架損壞特別嚴重、巷道翻修量急劇增加。

雖然深部巖體本身強度較高,但由于井巷在大地應(yīng)力的作用下極易發(fā)生類似軟巖的問題。圍巖松動圈大于 1.5 m時,即可認為該巷道需要按軟巖支護要求進行設(shè)計和施工。

巖體單元體所在位置及應(yīng)力狀態(tài)示意圖見圖 1。

單元體上的垂直應(yīng)力等于上覆巖層的重量：

式中：

γ—上覆巖層的平均體積力,kN/m3;

H—單元體距地表深度,m。

在均勻巖體中,巖體的自重應(yīng)力狀態(tài)為：

圖 1 巖體單元體所在位置及應(yīng)力狀態(tài)示意圖

式中：

λ—側(cè)壓系數(shù);

σx,σy—主應(yīng)力。

式中：

μ—巖體的泊松比[1]。

巷道支護工藝流程示意圖見圖 2。

2 錨網(wǎng)噴支護技術(shù)

錨網(wǎng)噴支護具有密貼性、及時性、柔性等作用,因其工藝簡單、操作方便、安全可靠和經(jīng)濟合理等優(yōu)點而備受青睞,已成為我國煤礦井巷支護的主體支護形式之一。

錨噴支護由 3部分組成：錨桿、噴層、鋼筋網(wǎng)。

圖 2 巷道支護工藝流程示意圖

2.1 錨 桿

2.1.1 錨桿的作用機理

開巷后,圍巖發(fā)生破壞,打入錨桿后,不但可以阻止圍巖裂隙發(fā)育過度,而且錨桿可以將破裂的巖層錨固起來,促使圍巖由載荷體轉(zhuǎn)變?yōu)槌休d體,有利于圍巖的穩(wěn)定。

由圍巖強度強化理論可知,巷道圍巖存在破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū),錨桿作用的巖體則處于破碎區(qū)或上述 2～3個區(qū)域中,相應(yīng)錨固區(qū)的圍巖強度則處于殘余強度。錨桿支護可以提高巷道圍巖的峰值強度和殘余強度,可采用不同工藝,對巖性較好的可采用分次完成支護工藝,對巖性較差的可采用一次完成支護工藝。

用 9塊水泥砂漿試塊分別在沒有和有錨桿、鋼筋網(wǎng)約束的巖體中進行試驗,得到應(yīng)力—應(yīng)變曲線見圖3。普通巖石都具有第一個“峰”的性質(zhì),在它破壞后處于殘余應(yīng)力狀態(tài)時再加載,無錨桿的巖石徹底破裂,有錨桿、鋼筋網(wǎng)的則會出現(xiàn)第二個“峰”值。這充分說明了錨桿、鋼筋網(wǎng)對破碎巖體有較強的支護作用[2]。

圖 3 錨固體的應(yīng)力—應(yīng)變曲線示意圖

2.1.2 錨桿的參數(shù)

錨桿可采用樹脂錨桿,錨固劑規(guī)格為 Z2380、Z2350等幾種。此錨桿固力較大,桿可采用 20MnSi鋼,直徑為 d18～d25螺紋鋼[3]。

2.1.3 錨桿的長度

根據(jù)懸吊梁理論：

式中：

l1—錨桿外露長度;

l2—錨桿有效長度;

l3—錨桿錨固長度。

2.1.4 錨桿間排距

根據(jù)不同地質(zhì)條件,排距可從 700 mm×700 mm到 1 000×1 000 mm不等,可布置成五花形或正方形。

2.2 噴 層

噴層是用沙、水泥和碎石按一定比例混合噴射到開挖體表面固結(jié)而成。它能封閉圍巖防止其潮解與風化、支持和補強填平圍巖、分配應(yīng)力等作用。

1)噴射混凝土強度一般為 C15～C20。2)噴射總厚度一般為 100～150 mm。

2.3 鋼筋網(wǎng)

實際工程中鋼筋網(wǎng)的規(guī)格為 2.1 m×1.1 m,網(wǎng)格一般為 100 mm×100 mm、150 mm×150 mm等。橫行受力筋 d8～d10 mm,縱向筋 d6 mm。這種網(wǎng)的強度和剛度都較大,可在錨桿支護過程中起到良好的效果。鋼筋網(wǎng)加工示意圖見圖 4。

3 錨注加固技術(shù)

圖 4 鋼筋網(wǎng)加工示意圖

錨注支護就是利用特種中空錨桿與注漿結(jié)合相互作用,對巖體起到外錨內(nèi)注加固作用。注漿加固后不但改善了巖性及圍巖應(yīng)力分布,而且降低了圍巖對支護結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力,大大提高了支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,圍巖作用在拱頂上的壓力能有效地傳到地板上[5]。

3.1 錨固支護的優(yōu)點

1)封堵了圍巖的裂隙,減輕圍巖因風化、被浸濕而降低本身強度。

2)注漿后破碎圍巖膠結(jié)成整體,提高了巖石本身的強度。

3)充填密實,保證載荷能均勻的作用在噴層上,避免應(yīng)力集中。

4)錨注支護能主動的進行預(yù)應(yīng)力支護,避免了巷道圍巖的進一步松動。

3.2 錨固支護參數(shù)確定

3.2.1 內(nèi)注漿錨桿長度

錨桿長度可由下式確定：

式中：

l1—錨桿露長,mm;

l2—錨端段長,mm;

m—圍巖松動范圍,mm;

100—進入圍巖長度,mm。

3.2.2 錨桿錨固力

錨桿錨固力應(yīng)滿足：

式中：

Qmin—最小錨固力,kN;

Lp—圍巖松動圈值,m;

D2—錨桿間排距,m;

γ—圍巖重力密度,m。

3.2.3 常用注漿錨桿

常用注漿錨桿見表 1。

表 1 常用注漿錨桿

4 預(yù)應(yīng)力錨索加固技術(shù)

預(yù)應(yīng)力錨索是向各巖層傳遞力的一種支護方法,它可以向圍巖深部提供給定方向和載荷的有益預(yù)應(yīng)力。在錨索的作用下巖體自身的巖性得以改善,其強度得以加強。對于極軟圍巖巷道,錨網(wǎng)噴、錨注支護雖然能對巷道頂板起到支護作用、改善了巖性,但遇到大范圍的圍巖松動,錨具失去了著力點。此時,極可能出現(xiàn)錨固體上層圍巖離層并伴隨著巷道頂板整體下沉或跨落。這時,只需小密度的錨索就可以將錨固體懸于上覆穩(wěn)定巖層,起到良好的支護作用。

1)錨索設(shè)計承載力：

2)錨索最大力：

式中：

m—錨索拉應(yīng)力控制系數(shù),取 0.60;

n—錨索的鋼絞繩根數(shù);

Sn—絞繩截面參考面積,mm2;

Rm—絞繩抗拉強度,MPa;

ηn—錨索效率系數(shù),取 0.95。

3)錨索安全系數(shù)：

式中：

Ru—錨索最大錨固力,N;

Nt—設(shè)計承載力,N。

由上式可知,錨索的安全系數(shù)與錨索的拉應(yīng)力控制系數(shù)和效率系數(shù)有關(guān)[3]。

5 支護效果與經(jīng)濟效益

錨網(wǎng)噴支護作為我國礦山井巷支護主要形式之一,已廣泛應(yīng)用于中國各大礦井,其支護效果已得到大家的普遍認可。特別是處理破損巷道的加固的治理、過斷層及其破碎帶和在軟巖施工中獲得了良好的效果。圍巖巷道支護示意圖見圖 5。

圖 5 圍巖巷道支護示意圖

錨注支護和預(yù)應(yīng)力錨索加固在處理巖體應(yīng)力急劇增大、巷道穩(wěn)定性差、巷道變形較嚴重的軟巖問題都取得了良好的支護效果。

淮南礦業(yè)集團望崗井 -960 m水平北翼C13底板軌道大巷、劉莊礦西區(qū)深井都由于埋深大、巷道巖性軟等原因而在巷道支護上出現(xiàn)了問題。他們在綜合采用錨注支護、預(yù)應(yīng)力錨索加固后,經(jīng)過現(xiàn)場實踐證明,在錨注、錨索聯(lián)合支護下,巷道變形量小、達到巷道圍巖穩(wěn)定的效果,能根本上解決軟巖巷道變形問題[4]。

巷道掘進應(yīng)用此工藝,可根據(jù)巖性、巷道圍巖的破壞程度等各種因素分步采用錨網(wǎng)噴支護、錨注支護、預(yù)應(yīng)力錨索加固。這樣在達到較好支護效果后,后面的工藝即可省去。當巷道頂板出現(xiàn)下沉或跨落時,就可以通過后面的工藝來改善巷道圍巖的巖性和巷道的穩(wěn)定性,從而保證起到良好的支護效果同時使利潤最大化。

該工藝是一種易施工、成本低、見效快、效果好的圍巖巷道支護方案,特別對深部軟巖巷道支護技術(shù)是一種新的突破。對于深部礦井的安全施工具有重要意義,有較高的推廣價值。

[1] 錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2003：69-71.

[2] 薛順勛,宋廣太,庫明欣.煤巷錨桿支護施工指南[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1999：103-104.

[3] 周興旺,程 樺,鄭高升,等.礦山建設(shè)工程技術(shù)新發(fā)展術(shù)[C].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社,2008.

[4] 鄒勝勇,傅菁俊,壽忠華.自進式中空注漿錨桿在隧道圍巖支護中的應(yīng)用[J].浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2010(1)：17-19.

[5] 李云曉,王振江,方 周.松軟圍巖支護技術(shù)在告成煤礦的應(yīng)用[J].江西煤炭科技,2009(2)：70-72.