深部軟巖巷道支護技術分析

蔣金虎

開灤(集團)有限責任公司唐山礦業分公司 河北 唐山 063500

煤炭是現代工業生產所依賴的基礎性能源,隨著近年來我國工業化進程的加快,對煤炭資源的開采力度也在不斷加大,淺層煤炭資源儲量已經很少,許多礦井不得不增加開采的深度,采掘大埋深的煤炭資源。大采深礦井最大的特點就是礦壓大,地質條件復雜,支護難度大,特別是對于深部軟巖巷道的支護,一直是近年來煤礦技術工作者研究的重點。軟圍巖強度和穩定性較差,在開采擾動和較大的礦壓作用下易發生變形和破碎,巷道維護工作量很大,對深井煤礦開采帶來了很大影響。生產實踐證明,對于大采深軟巖巷道,某種單一的支護方式是難以起到有效支護作用的。對此應采取“錨、網、索、噴”聯合支護的方式,以維持大埋深巷道掘進軟圍巖的穩定。

1 軟巖巷道的特征與分類

軟巖是地質巖體的中的一部分,是特定環境下的具有顯著塑性變形的復雜巖石力學介質,通常抗壓強度σc＜20MPa的巖層可定義為軟巖。按照軟巖的自然特性和工程力學作用下的變形機理,軟巖可分為以下幾類：即節理化軟巖、高應力軟巖、膨脹性軟巖和復合型軟巖。相比于硬巖,軟巖具有更強的可塑性、膨脹性、崩解性、流變性和易擾動性特征,軟巖不僅質地松軟、強度低,而且易于受到風、水、開采擾動等因素的影響而發生軟化、膨脹、裂隙和變形,物理特性不穩定。軟巖的以上特性給軟巖巷道的掘進和支護帶來了很大的困難,特別是在大采深、高地應力的作用下,巷道圍巖易產生失穩變形,掘進期間易出現冒頂和片幫。

2 軟巖巷道的支護對策

①優化巷道位置,通過地質勘探掌握區域地質構造和巖體力學性質,盡量避開構造帶、軟巖區間和高應力區;

②合理選擇支護斷面,目前普遍常用馬蹄形斷面,適用于圍巖松軟、有膨脹性和具有一定側壓和底壓的巷道;

③提高圍巖強度,錨桿和注漿是軟巖加固的常用方式,可降低軟巖的流塑性,提高圍巖自承力;

④提高圍巖表面強度,一般采用噴砼和掛設金屬網的辦法,阻隔風水對圍巖的侵蝕,從而提高圍巖表面的強度和完整性,促進巷道長期穩定;

⑤采用剛柔相濟的整體支護,對于軟巖巷道不能一味地增加支護強度,應使支護結構與圍巖變形相協調,以提高圍巖自承力為原則。

3 深部軟巖巷道聯合支護方式的設計與施工

3.1 聯合支護的設計 聯合支護應采取錨桿、錨索、金屬掛網、噴砼以及型鋼相結合的方式,充分發揮各種支護措施的優勢,形成兼具強度和整體穩定性的支護體系。

①錨桿設計：錨桿做為主要的支護受力件,應具有較高的強度,一般多采用鋼筋樹脂錨桿,根據圍巖破碎區和塑性區范圍合理設計錨桿長度,確保錨固深度;保持初錨力不小于40kN,錨固力不小于65kN,按照1000mm 間距,交錯排列。為防治軟巖巷道片幫和底鼓,應用錨桿對兩幫底角進同樣行加固,保持錨桿與巷道底面水平線呈45°夾角,按照700mm 間距布設;

②錨索設計：錨索為多根鋼絲擰成的鋼絞線,具有一定的強度和張緊性,采用樹脂錨固劑錨固于巷道頂板和兩幫。每兩根錨索按1.5m 間距,沿巷道中心線兩側呈平行狀對稱布設,并垂直于巷道豎直輪廓線,每條錨索設計錨固力200k N,預緊力130k N,確保錨固力大于錨索的破壞負荷;

③噴砼：噴砼的主要目的是為了封閉圍巖,防止圍巖潮解軟化和風化。噴砼漿料按照水泥、河沙、石子按2：2：1比例拌料,對巷道裸露圍巖進行多次封閉噴補;

④金屬網：金屬網為直徑50×150mm 的金屬網兜,使用錨桿托盤壓緊固定與巷道內表面,可防止小塊松散圍巖的冒落,提高支護系統的整體性;

⑤U 型鋼支護;巷道斷面采用礦用U36型鋼,按照巷道斷面尺寸和支護強度,設計U 型鋼尺寸和排距;

⑥注漿保護;圍巖注漿可有效提高軟圍巖的強度和穩定性,改善其泥化的特點。根據生產實踐,注漿保護應在掘進后一兩個月內完成,注漿加固的時間和深度應根據圍巖及裂隙發育情況來決定;其他注漿參數如注漿孔布置、注漿壓力等可根據施工實際進行調整。

3.2 聯合支護的施工 聯合支護的布設需要多次施工,巷道掘進開挖成型后進行一次支護施工,首先審幫問頂檢查圍巖,為減少圍巖風化應立即用水泥砂漿噴覆封閉,圍巖穩定后開始安設錨桿,掛設錨網和錨索,并對噴砼脫落處進行復噴,即完成一次支護。一次支護完成后應密切觀察一次支護的破損情況和圍巖變形情況,對于出現掉皮漏巖、錨桿折斷、鋼筋爆扣彎曲等問題的,要及時進行局部修補,補設錨桿和補噴砼,根據觀測數據確定二次支護時間。二次支護首先清理一次支護掉落的噴層,并清污復噴,待噴砼凝固后實施底拱梁與U 型鋼支護施工,期間可同時進行圍巖注漿加固作業,架棚后再行噴砼覆蓋,即完成全部支護施工,最終形成一個完整的鋼金屬支架支護體系。

4 結語

大淑村礦部分巷道圍巖屬軟巖層,通過采用錨桿＋錨索＋U 鋼,同時采用噴砼和注漿保護的辦法使軟巖巷道得到有效支護和加固。通過監測,巷道變形量在允許范圍以內。