高應(yīng)力松軟圍巖煤倉失穩(wěn)分析及聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

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高應(yīng)力松軟圍巖煤倉失穩(wěn)分析及聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

張鵬

(中煤平朔集團(tuán) 山西小回溝煤業(yè)有限公司,山西太原030400)

摘要針對(duì)高應(yīng)力松軟圍巖煤倉失穩(wěn)破壞面臨的支護(hù)難題，通過理論分析，研究了復(fù)雜條件下煤倉破壞的機(jī)理，提出了“一次高強(qiáng)錨網(wǎng)噴支護(hù)+二次結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)”的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，并進(jìn)行了工程應(yīng)用和圍巖變形量監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，采用該支護(hù)修復(fù)技術(shù)后，煤倉圍巖變形得到有效控制，支護(hù)效果良好，保障了煤倉正常安全使用。為類似條件下煤倉軟弱圍巖支護(hù)提供了一種有效的支護(hù)方法。

關(guān)鍵詞高應(yīng)力；松軟圍巖；煤倉失穩(wěn)；聯(lián)合支護(hù)

收稿日期：2015-02-01

作者簡(jiǎn)介：張鵬(1986—)，男，河南虞城人，2010年畢業(yè)于河南理工大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦技術(shù)工作

中圖分類號(hào)：TD353

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-0652(2015)03-0020-03

AbstractAiming at the supporting problem of coal bunker instability under high stress soft surrounding rock, studies the mechanism of coal bunker damage under complicated conditions through theory analysis, puts forward the combined supporting technology, which includes first high-strength anchor net spray support and secondary structure reinforcement, and carries out the engineering application and surrounding rock deformation monitoring. The results show that by adopting the recovery technique for support, the surrounding rock deformation of coal bunker is effectively controlled, the supporting result is well, and safety and normal use of coal bunker is ensured. It provides an effective support method for coal bunker soft surrounding rock supporting under the similar condition.

1工程概況

煤倉作為礦井各生產(chǎn)系統(tǒng)中最后且必不可少的環(huán)節(jié)，直接影響著礦井正常生產(chǎn)的連續(xù)性和可靠性。一旦井底煤倉出現(xiàn)故障，勢(shì)必阻礙礦井的正常生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)，造成企業(yè)直接或間接的經(jīng)濟(jì)損失。

中煤平朔集團(tuán)山西小回溝煤礦井底煤倉原有支護(hù)采用錨網(wǎng)+碹體，澆筑碹體厚300 mm，煤倉d6 m，全長(zhǎng)41.9 m，穿過多巖層，圍巖巖性較為復(fù)雜，多為軟弱圍巖，且處于保護(hù)煤柱內(nèi)，周邊圍巖應(yīng)力大。煤倉建成至今，曾多次出現(xiàn)幫部圍巖垮塌，雖多次維修，但煤倉圍巖仍變形、垮落，修復(fù)施工難度大，施工工藝復(fù)雜。為此，必須分析造成煤倉失穩(wěn)破壞的原因，研究煤倉的合理修復(fù)支護(hù)技術(shù)，保證煤倉的安全穩(wěn)定使用。

2煤倉失穩(wěn)破壞原因分析

1) 硐室圍巖巖體整體強(qiáng)度較低。

煤倉埋深為400～450 m，且處于保護(hù)煤柱內(nèi)，圍巖整體應(yīng)力水平較高，在使用過程中多次出現(xiàn)局部垮塌，為維持正常使用，對(duì)跨落處進(jìn)行普通錨網(wǎng)支護(hù)后噴漿維護(hù)處理。從維護(hù)的實(shí)際效果來看，后期噴射的漿體容易破壞，破壞后圍巖的控制主要依靠錨網(wǎng)作用。由于普通錨網(wǎng)無法滿足高應(yīng)力圍巖要求，且無法及時(shí)對(duì)垮落部位實(shí)施補(bǔ)救，故圍巖主要靠自承載形成自穩(wěn)結(jié)構(gòu)[1-2]。

2) 圍巖承載壓力增大。

在開采深度和圍巖性質(zhì)一定的條件下，圍巖應(yīng)力變化主要受到周圍采動(dòng)空間應(yīng)力變化的影響。受采動(dòng)影響越大，煤體及圍巖受到的支承壓力也越高。由于煤倉附近存在多個(gè)采空區(qū)且距離較近，停采線至煤倉的煤體處于支承壓力影響范圍內(nèi)，使煤倉圍巖處于高應(yīng)力環(huán)境，極易造成圍巖薄弱部位變形破壞，而使圍巖承載結(jié)構(gòu)失去應(yīng)有的控制圍巖穩(wěn)定作用，這是導(dǎo)致煤倉圍巖破壞失穩(wěn)的重要影響因素。支承壓力分布見圖1.

圖1　支承壓力分布示意圖

3) 煤倉斷面成型較差，輪廓不平整。

煤倉斷面輪廓不平整，成型較差，煤倉穩(wěn)定性受到影響，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：

a) 由于斷面成型差，造成局部超挖或欠挖，尤其是超挖部位圍巖形成應(yīng)力集中，加速煤倉圍巖的變形破壞[3-5]。大量研究表明，在各向同性情況下，圓形巷道周圍的塑性區(qū)半徑r及周邊位移u與圓形巷道的半徑r0成正比。當(dāng)圓形煤倉圍巖超挖嚴(yán)重時(shí)，引起煤倉半徑增大，而造成影響圍巖破壞的塑性區(qū)半徑以及圍巖位移增大，從而使淺部圍巖破壞加劇，塑性區(qū)范圍向深部巖體擴(kuò)散，圍巖整體破碎區(qū)域擴(kuò)大，圍巖深部彈性區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃螀^(qū)，承載能力大幅度下降。圍巖應(yīng)力分布見圖2.

A—破裂區(qū) 　B—塑形區(qū) 　C—彈性區(qū)　D—原巖應(yīng)力區(qū)

b) 碹體支護(hù)屬于被動(dòng)承載，圍巖不變形不承載，煤倉超挖引起周邊澆筑的碹體支護(hù)承載結(jié)構(gòu)非均勻承載，受力狀況見圖3. 碹體抗彎矩能力較弱，不均勻承載造成未承載區(qū)域優(yōu)先出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，加速煤倉圍巖整體的內(nèi)移，使先前超挖部位出現(xiàn)嚴(yán)重的變形縫，破壞支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖3　非均勻承載結(jié)構(gòu)承載模型圖

4) 原有支護(hù)設(shè)計(jì)缺少針對(duì)性，支護(hù)強(qiáng)度偏低。

理論上來說，原有的支護(hù)體系能夠較好地改善圍巖的穩(wěn)定性，但由于使用的錨桿為d18 mm×2 250 mm等強(qiáng)螺紋鋼錨桿，配合鐵絲網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，未使用高強(qiáng)度鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。因此，在圍巖壓力顯現(xiàn)強(qiáng)烈時(shí)，鐵絲網(wǎng)極易屈服破壞，錨網(wǎng)支護(hù)承載能力大大減弱。且錨桿錨固段強(qiáng)度隨著錨桿間巖體的碎脹變形而降低，錨桿承載能力隨之下降，錨網(wǎng)支護(hù)承載能力難以滿足要求。

3修復(fù)支護(hù)方案

1) 錨固方式采用全錨代替端錨；采用高強(qiáng)度金屬網(wǎng)與桁架托梁結(jié)合，發(fā)揮錨桿-錨網(wǎng)-桁架托梁聯(lián)合支護(hù)性能，提高圍巖自承能力；采用快速安裝預(yù)應(yīng)力錨桿，可有效實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨固效果。

2) 采用一次支護(hù)控制圍巖變形，適當(dāng)讓壓、允許適當(dāng)變形，并進(jìn)行二次支護(hù)形成補(bǔ)強(qiáng)承載結(jié)構(gòu)，提高圍巖穩(wěn)定性。

具體支護(hù)技術(shù)方案如下：

一次支護(hù)主要采用錨桿支護(hù)輔以錨索支護(hù)，控制淺部圍巖變形。錨桿選取d20 mm×2 250 mm的螺紋鋼錨桿，錨固方式為全錨固，間排距700 mm×700 mm；錨索選取d15.24 mm×7 300 mm的鋼絞線，矩形布設(shè)，間排距為2 100 mm× 1 400 mm；桁架托梁選取d12型號(hào)，將錨桿(索)在水平方向上連接成一個(gè)整體；鋼筋網(wǎng)規(guī)格取d6 mm×1 000 mm×2 000 mm.一次支護(hù)完成后噴射混凝土，噴射厚度為200 mm，保證圍巖表面有較好的成形。一次支護(hù)錨桿(索)具體布置參數(shù)見圖4.

圖4　一次支護(hù)錨桿索布置圖

二次支護(hù)主要是錨索補(bǔ)強(qiáng)加固，使一次支護(hù)形成的承載結(jié)構(gòu)通過錨索與深部圍巖緊密牢固，提高圍巖穩(wěn)定性。二次支護(hù)中錨桿(索)間排距仍是700 mm×700 mm，錨桿與錨索間隔呈五花布置，布置位置上與一次支護(hù)錯(cuò)開半個(gè)間排距，錨索為d15.24 mm×7 300 mm鋼絞線，錨索托盤里必須加上150 mm×150 mm平托盤，防止錨索托盤被拉穿，同時(shí)用d12 mm鋼筋梯力梁在豎直方向上將錨桿(索)連接起來，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為d6 mm×1 000 mm×2 000 mm. 二次支護(hù)完后噴射混凝土，此次噴射混凝土蓋住網(wǎng)、錨桿外端頭即可。二次支護(hù)中錨桿(索)具體布置參數(shù)見圖5.

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圖5二次支護(hù)錨桿索布置示意圖

4現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果檢驗(yàn)

為保證施工安全，且便于現(xiàn)場(chǎng)施工，先將煤倉裝滿，每3 m為一個(gè)循環(huán)。每次放煤3 m后，對(duì)裸露空間煤倉圍巖分別進(jìn)行一次支護(hù)、二次支護(hù)。

為保證煤倉的正常安全使用，采取在每月底正常檢修期間抽出人力、物力，將煤倉放空，從煤倉頂部到底部采用紅外線測(cè)距儀實(shí)時(shí)測(cè)量圍巖狀況。煤倉開始投入使用后，從煤倉內(nèi)探測(cè)情況可知，在垮落區(qū)未發(fā)現(xiàn)掉漿皮或漿皮開裂現(xiàn)象等，在煤倉中下部雖有部分漿皮脫落，但長(zhǎng)期觀察中并未發(fā)現(xiàn)繼續(xù)擴(kuò)大現(xiàn)象，且不像圍巖變形破壞造成的常見破壞特征，從現(xiàn)場(chǎng)推測(cè)應(yīng)是煤倉在裝煤過程中，掉落煤塊沖擊造成的漿皮脫落。總體上來看，煤倉在采用支護(hù)修復(fù)技術(shù)后，煤倉圍巖變形得到有效控制，基本保障了煤倉正常安全使用。

5結(jié)語

通過對(duì)高應(yīng)力松軟煤倉破壞原因分析，提出了“一次高強(qiáng)錨網(wǎng)噴支護(hù)+二次結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)”的支護(hù)方案，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，該種支護(hù)修復(fù)技術(shù)能改善圍巖受力狀態(tài)，有效控制煤倉圍巖變形，取得良好的支護(hù)效果，為類似條件下煤倉軟弱圍巖支護(hù)提供了借鑒。得到如下結(jié)論：1) 井壁覆巖結(jié)構(gòu)存在一定程度的薄弱環(huán)節(jié)，局部破壞、失穩(wěn)有可能導(dǎo)致相鄰部位的破壞，進(jìn)一步發(fā)展為整個(gè)煤倉的嚴(yán)重破壞與失穩(wěn)。因此，要及時(shí)采取有效措施控制薄弱部位圍巖變形，以免影響周邊穩(wěn)定圍巖。2) 在高強(qiáng)錨網(wǎng)支護(hù)基礎(chǔ)上，需對(duì)承載結(jié)構(gòu)薄弱部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)，提高承載結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

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High Stress Soft Surrounding Rock Coal Bunker Instability

Analysis and Combined Support Technology

ZHANG Peng

Key wordsHigh stress; Soft surrounding rock; Coal bunker instability; Combined support