井下煤倉(cāng)支護(hù)型式的合理選擇

沙 敏

（永泰能源華瀛山西公司，山西 晉中 030600）

1 概述

煤礦井巷設(shè)計(jì)施工中，特別是確定井下煤倉(cāng)的支護(hù)型式時(shí)，深感數(shù)據(jù)不足，常常依靠工程類比來(lái)確定煤倉(cāng)的支護(hù)參數(shù)及型式，為了保險(xiǎn)起見(jiàn)常常沿用傳統(tǒng)支護(hù)型式，這種方法帶有盲目性，甚至造成不合理性。眾所周知，決定煤倉(cāng)支護(hù)型式的主要因素是：承載能力、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、倉(cāng)壁耐磨性、勞動(dòng)強(qiáng)度及工藝流程。現(xiàn)澆素混凝土或鋼筋混凝土支護(hù)這一傳統(tǒng)型式，曾被普遍應(yīng)用。新型支護(hù)型式錨桿錨索金屬網(wǎng)噴射混凝土（簡(jiǎn)稱錨網(wǎng)噴）支護(hù)，具有強(qiáng)大生命力和科學(xué)性，據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究及實(shí)踐表明，錨網(wǎng)噴支護(hù)型式將會(huì)取代現(xiàn)澆混凝土這一傳統(tǒng)支護(hù)型式。

筆者長(zhǎng)期關(guān)注中煤大屯礦區(qū)，調(diào)查了解神華新疆、山西呂梁華潤(rùn)聯(lián)盛、靈石永泰能源等礦區(qū)，礦井主煤倉(cāng)、采區(qū)煤倉(cāng)設(shè)計(jì)和使用的實(shí)際情況，結(jié)合中外礦壓理論、礦壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)際施工案例，僅就井下煤倉(cāng)支護(hù)型式的合理選擇，分別對(duì)錨網(wǎng)噴和現(xiàn)澆混凝土兩種支護(hù)型式進(jìn)行分析。

2 錨網(wǎng)噴支護(hù)的機(jī)理及其優(yōu)點(diǎn)

1）錨網(wǎng)噴支護(hù)的實(shí)質(zhì)在于：通過(guò)錨桿、錨索、金屬網(wǎng)和噴射混凝土層的內(nèi)強(qiáng)作用，積極地對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)；而現(xiàn)澆混凝土支護(hù)僅僅對(duì)圍巖起著消極的、被動(dòng)的支撐作用。

俄羅斯工學(xué)博士斯特列佐夫等，從顯微鏡下的研究表明：噴射混凝土層與巖層的膠結(jié)非常致密，并沒(méi)有像現(xiàn)澆混凝土那樣在兩者之間存在氣孔、間隙。由此得知，噴層與巖層相交面的微觀硬度大大超過(guò)了現(xiàn)澆混凝土的粘附性能，從而使噴層與相交的巖層共同承載。

2）中國(guó)工程院錢鳴高院士的礦山壓力與巖層控制學(xué)突破觀點(diǎn)認(rèn)為，在一般條件下，整個(gè)峒體的各個(gè)部位發(fā)生全面破壞之前，往往從某處或幾處符合破壞條件的部分開(kāi)始，即點(diǎn)突破。點(diǎn)突破引起鄰近點(diǎn)的新的破壞，以致引起某一薄弱部分發(fā)生冒落。由于噴射混凝土層與圍巖全面緊密接觸，其對(duì)圍巖的載荷（較現(xiàn)澆混凝土）均勻得多，從而減少或避免了應(yīng)力集中的可能，即點(diǎn)突破的可能，達(dá)到對(duì)圍巖積極支護(hù)的目的。

而現(xiàn)澆混凝土因其施工方式所限，無(wú)論怎樣也避免不了由于對(duì)巖石的載荷不夠均勻而導(dǎo)致點(diǎn)突破這一現(xiàn)象發(fā)生的可能性。另外，噴層與圍巖緊密接觸，使得峒體表面圍巖由支護(hù)前的雙向應(yīng)力狀態(tài)，轉(zhuǎn)為三向應(yīng)力狀態(tài)，使圍巖趨于穩(wěn)定。

3）在有張開(kāi)型節(jié)理裂隙的圍巖中，噴射混凝土充填到裂隙中產(chǎn)生粘結(jié)和組合作用，使噴層和碎塊巖石組合形成拱結(jié)構(gòu)時(shí)，可以提供比噴層本身大得多的承載能力，模擬不同類型拱的承載能力，如表1所示。

表1 模擬不同類型拱的承載能力

4）通過(guò)模型試驗(yàn)和研究得知，錨桿（錨索）不僅可以錨固碎塊巖石，以支持巖塊自身重量，而且當(dāng)以一定方式系統(tǒng)布置預(yù)應(yīng)力錨桿群時(shí)，可在圍巖內(nèi)形成一個(gè)承載拱，作為承載結(jié)構(gòu)來(lái)承載外載荷。錨桿（錨索）產(chǎn)生承載拱的原理體現(xiàn)在兩個(gè)方面：其一是錨桿（錨索）使破碎或松軟巖層的強(qiáng)度得以提高，主要表現(xiàn)在粘結(jié)力增加。特別是在錨桿（錨索）、金屬網(wǎng)、噴射混凝土作用范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)面上的強(qiáng)度增加，對(duì)圍巖穩(wěn)定更有積極意義。其二是在錨桿（錨索）群的作用下圍巖應(yīng)力重新分布。在錨桿的徑向作用下圍巖靠近表面的是拉應(yīng)力區(qū)，向內(nèi)為壓力應(yīng)力狀態(tài)，因而穩(wěn)定，這就是承載拱的力學(xué)特征。

3 噴射混凝土的強(qiáng)度及滲水性皆優(yōu)于現(xiàn)澆混凝土

1）在噴射混凝土與現(xiàn)澆混凝土級(jí)配組成相同的條件下，由于前者利用壓風(fēng)將拌合料噴射在一起，其膠結(jié)程度是非常致密的；而后者則是利用震動(dòng)方法使拌合料鑄為一體，其拌合料互相間由于施工方式限制而存在氣泡等，故在物理學(xué)性質(zhì)上產(chǎn)生了明顯的差別—噴射混凝土的試塊強(qiáng)度要比現(xiàn)澆混凝土試塊強(qiáng)度大1.5～2倍，滲水性前者小于后者12%。

2）在俄羅斯頓巴斯中心礦井，其技術(shù)人員在同組成和同級(jí)配的條件下采用HB-5型伐爾夫儀測(cè)定噴射混凝土層的抗壓強(qiáng)度為300～350 kg/cm2，而混凝土的抗壓強(qiáng)度都不超過(guò)200 kg/cm2（支護(hù)齡期為2a）。測(cè)得其噴射混凝土層的空隙度為4%～6%。現(xiàn)澆混凝土層的空隙度為16%～18%。

4 錨網(wǎng)噴支護(hù)可以獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益

1）錨網(wǎng)噴支護(hù)（與現(xiàn)澆混凝土支護(hù)相比），施工工藝簡(jiǎn)單，它將混凝土的輸送、澆灌、搗固等作業(yè)合成一個(gè)工序，且不需要穩(wěn)固及立模；在相同勞動(dòng)組織情況下，施工速度快、效率高；臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)合一，從而大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度及工傷事故率。俄羅斯專家們?cè)陬D巴斯中心區(qū)煤礦，對(duì)凈斷面為10 m2的巷道進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，發(fā)現(xiàn)采用噴射混凝土（厚100 mm）比現(xiàn)澆混凝土（厚300 mm）支護(hù)節(jié)約材料費(fèi)用5 400.0盧布/m。

2）對(duì)于煤倉(cāng)工程，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的主要標(biāo)準(zhǔn)是基建投資。不包括現(xiàn)澆混凝土施工工期長(zhǎng)而多支付的工期費(fèi)用，僅就永泰能源華瀛公司金泰源煤礦井下1號(hào)煤倉(cāng)（高23 m、凈直徑6 m），倉(cāng)體及上口部分采用兩種不同型式支護(hù)的材料消耗費(fèi)用而言，明顯顯示出錨噴支護(hù)的優(yōu)越性，可節(jié)省材料消耗費(fèi)用約118 246.69元。

5 錨噴支護(hù)倉(cāng)體能夠滿足磨損要求

1）煤倉(cāng)的磨損在設(shè)計(jì)中是一項(xiàng)不容忽視的因素。對(duì)于膠帶輸送機(jī)卸煤的短粗立式煤倉(cāng)來(lái)說(shuō)，其磨損主要發(fā)生在倉(cāng)內(nèi)貯料不斷放出的過(guò)程中，并包括對(duì)倉(cāng)底的沖擊磨損。煤倉(cāng)倉(cāng)底漏斗在筒倉(cāng)的中心部位，此時(shí)，貯料對(duì)倉(cāng)壁的磨損基本是均勻的。由于煤倉(cāng)粗短，倉(cāng)體部分?jǐn)嗝娲?，貯料流動(dòng)慢，則磨損程度亦較小。而在下部漏斗口附近由于斷面縮小，流動(dòng)速度加快，其磨損比其倉(cāng)體部分要大，且受沖擊磨損，而煤倉(cāng)下口漏斗部分由于結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，位置精度要求高，一般設(shè)計(jì)為內(nèi)扎鋼筋現(xiàn)澆混凝土型式，按此設(shè)計(jì)施工可滿足磨損及承載要求。

2）噴射混凝土的結(jié)構(gòu)致密、強(qiáng)度大，其耐磨性比現(xiàn)澆混凝土的耐磨性大。采用兩種不同型式支護(hù)，雖支護(hù)厚度不同，但其耐磨年限并不因支護(hù)厚度而相異。實(shí)踐證明：錨噴這一新型支護(hù)方式，已在部分礦井取得成功。例如筆者組織施工的中煤大屯徐莊礦運(yùn)煤系統(tǒng)改造工程，一、三、五采區(qū)煤倉(cāng)，上鎖口、倉(cāng)體采用噴射混凝土加管縫式錨桿支護(hù)，使用效果良好。

3）黑龍江龍煤礦業(yè)集團(tuán)鶴崗富力礦一開(kāi)拓區(qū)的-380～-450 m水平過(guò)度煤倉(cāng)，直徑7 m，毛斷面40 m2，全倉(cāng)深度46.5 m，采用反井鉆機(jī)先鉆直徑1.2m小孔，再?gòu)纳舷蛳聰U(kuò)大，該煤倉(cāng)位于斷層破碎帶中，圍巖相對(duì)不穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)反復(fù)論證采用錨桿、錨索加噴砼支護(hù)型式，效果理想。山西同煤集團(tuán)忻州窯礦二水平主煤倉(cāng)采用錨噴支護(hù)。該倉(cāng)為立斜混式倉(cāng)體，立倉(cāng)直徑6 m，垂深13.9 m；斜倉(cāng)為拱形斷面，長(zhǎng)50.43 m，煤倉(cāng)穿過(guò)的巖層為砂巖和砂巖質(zhì)頁(yè)巖等。其倉(cāng)體部分立倉(cāng)噴200～250 mm、斜倉(cāng)噴150 mm混凝土；在巖層破碎帶先加了鋼絲繩錨桿并連成網(wǎng)狀，然后噴射混凝土。

4）陜煤集團(tuán)銅川王石凹煤礦采區(qū)煤倉(cāng)所穿過(guò)的巖層為鋁土質(zhì)頁(yè)巖、頁(yè)巖和石灰?guī)r，同時(shí)穿過(guò)幾個(gè)煤層。鋁土質(zhì)頁(yè)巖極易風(fēng)化，遇水膨脹呈泥狀，層理、節(jié)理發(fā)育，容易片落。1982年采用錨噴支護(hù)，錨桿為鋼絲繩砂漿錨桿，桿深1 500 mm，間距800 mm×800 mm，噴厚150 mm，配比1∶2∶2；在穿過(guò)鋁土頁(yè)巖段時(shí)將噴厚加大到250 mm，且增加250 mm×250 mm方格式鋼絲繩網(wǎng)。這種支護(hù)改變了過(guò)去采用料石支護(hù)而出現(xiàn)的重新加固等被動(dòng)局面。還有開(kāi)灤唐山礦水平間煤倉(cāng)、撫順龍風(fēng)礦中央煤倉(cāng)等等，皆采用了錨噴支護(hù)，其使用效果都是成功的。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上分析，筆者認(rèn)為煤倉(cāng)倉(cāng)體及上鎖口，皆宜采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，在個(gè)別破碎地段可加扎金屬網(wǎng)、加打錨索以加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度，若遇極度破碎帶、含水層時(shí)，可采用提前加注羅可修或瑪麗散進(jìn)行穩(wěn)固圍巖和堵水處理。