掘進(jìn)巷道過風(fēng)氧化帶軟巖區(qū)優(yōu)化支護(hù)研究

閆 寧

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 三元微子鎮(zhèn)煤業(yè)有限公司,山西 長治 046000)

風(fēng)氧化作用導(dǎo)致煤巖節(jié)理發(fā)育,增加了巖體孔隙率,提高了煤巖導(dǎo)水能力。巷道在此類圍巖中變形強(qiáng)烈,由于不能因地制宜地采取合理的支護(hù)方式,使得巷道的后期維護(hù)工作量增大,浪費(fèi)大量的人力物力,嚴(yán)重影響巷道掘進(jìn)速度,甚至存在重大安全隱患[1]。因此,掌握風(fēng)氧化帶軟巖巷道變形破壞影響因素和變形機(jī)理,并以此來選擇合理的支護(hù)方式是關(guān)鍵。董方庭[2]提出以松動(dòng)圈厚度為依據(jù)的“巷道支護(hù)松動(dòng)圈圍巖分類”,根據(jù)松動(dòng)圈分類選擇支護(hù)機(jī)理和方法;楊旭旭等[3]對各種松動(dòng)圈物理測試方法進(jìn)行了比較研究,證明了物理測試方法可以準(zhǔn)確地測得松動(dòng)圈厚度;楊艷國等[4-6]基于松動(dòng)圈原理,采用單孔聲波法對該礦圍巖松動(dòng)圈范圍進(jìn)行現(xiàn)場測試，并進(jìn)行錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì),證明了超聲波測試方法的準(zhǔn)確性和支護(hù)設(shè)計(jì)的可靠性;孫朋等[7]研究采用組合支護(hù)方式(“錨桿+錨索+鋼帶+金屬網(wǎng)+噴漿”)通過風(fēng)氧化帶,并證明了組合支護(hù)方式通過風(fēng)氧化帶的安全性和可行性。

本文采用工程類比的方法,通過單孔超聲波法,現(xiàn)場測試分析風(fēng)氧化帶軟巖松動(dòng)圈厚度,根據(jù)松動(dòng)圈分類選擇支護(hù)方式,利用圍巖觀測方法驗(yàn)證支護(hù)方式的可靠性,提高巷道的掘進(jìn)效率。

1 礦井及工作面概況

微子鎮(zhèn)煤業(yè)設(shè)計(jì)開采15#煤層,平均煤厚3.5 m,設(shè)計(jì)服務(wù)年限13.3 a。采用斜井開拓,屬低瓦斯礦井,水文地質(zhì)條件中等。

1.1 頂?shù)装迩闆r

偽頂為黑色泥巖,厚度為0.05～0.45 m,隨采隨落。直接頂板為中-細(xì)粒砂巖,局部為泥巖,厚度為2.55～4.40 m。老頂為K2石灰?guī)r,厚度為4.69～9.14 m,質(zhì)純堅(jiān)硬,極限抗壓強(qiáng)度為54.40～86.00 MPa,屬堅(jiān)硬巖石。煤層上覆巖性,從直接頂?shù)嚼享敒檐浫?堅(jiān)硬巖石，上部覆巖為軟弱—堅(jiān)硬相間平行復(fù)合結(jié)構(gòu)。15#煤層底板直接底板為黑色泥巖,厚度為9.12～12.40 m,極限抗壓強(qiáng)度為21.20～40.00 MPa,為軟弱-半堅(jiān)硬巖石。

1.2 工作面情況

微子鎮(zhèn)煤業(yè)一采區(qū)回風(fēng)大巷掘進(jìn)斷面寬4 m,高3.1 m,施工至約700 m位置進(jìn)入一采區(qū)1#聯(lián)絡(luò)巷,根據(jù)現(xiàn)場工作面揭露圍巖已進(jìn)入15#煤層風(fēng)氧化帶。頂、兩幫及底板巖性松軟(含黃泥),頂板伴有淋水;兩幫、底板泥巖層遇水極易片幫并造成底板淤泥現(xiàn)象。掘進(jìn)到該處時(shí),會(huì)有頂板淋水、錨桿支護(hù)效果不好的情況。

2 單孔超聲波法測試圍巖松動(dòng)圈

2.1 松動(dòng)圈測試原理

巷道開挖前,圍巖應(yīng)力處于三向穩(wěn)定狀態(tài)；開挖后,三向應(yīng)力變成了近似兩向。開挖部位周圍的應(yīng)力集中,如果應(yīng)力小于巖石的強(qiáng)度,則圍巖處于塑性狀態(tài),此時(shí)的圍巖仍然具有承載能力,可以維持自穩(wěn);如果應(yīng)力大于巖石的強(qiáng)度,則會(huì)發(fā)生破裂,承載能力變低,并且向深部轉(zhuǎn)移。圍繞這一破裂區(qū)域一般為環(huán)形,也就是我們所說的松動(dòng)圈。松動(dòng)圈是支護(hù)的對象,解決支護(hù)問題的關(guān)鍵，圖1為松動(dòng)圈示意圖。

圖1 松動(dòng)圈示意圖Fig.1 Loose ring diagram

本文采用LDX/BA-Ⅱ型超聲波圍巖裂隙探測儀,原理如圖2所示。根據(jù)超聲波在不同介質(zhì)中具有不同的傳播速度,在均質(zhì)巖體中衰減少、速度快；在破碎巖體中由于裂隙的增加,超聲波速度衰減快、速度也相應(yīng)地減小,根據(jù)波速來預(yù)測圍巖的破壞情況。通過巖石鉆孔(41～45 mm)測出聲波縱波速度在圍巖鉆孔中的分布變化曲線或“時(shí)間-孔深”曲線,即可判定圍巖裂隙(松動(dòng))范圍。

v=L/t.

(1)

式中:L為發(fā)送、接收換能器間距,取140 mm;t為測試時(shí)間數(shù)據(jù),μs。

圖2 單孔聲波測試原理Fig.2 Single-hole acoustic wave test principle

2.2 松動(dòng)圈測試

對揭露一個(gè)月后的風(fēng)氧化帶段進(jìn)行松動(dòng)圈測試,在采區(qū)回風(fēng)巷揭露風(fēng)氧化帶20 m處設(shè)置測試點(diǎn),如圖3所示。

圖3 測試點(diǎn)布置Fig.3 Layout of testing points

鉆孔布置圖如圖4所示。測試6個(gè)鉆孔,左右?guī)透鲀蓚€(gè),鉆孔深度3 m,角度向下6°；頂部布置2個(gè)孔。

圖4 鉆孔布置圖Fig.4 Layout of boreholes

測試時(shí)孔中充滿水,為防止孔中水流失,影響測試效果,向孔中持續(xù)輸水。經(jīng)過對鉆孔測試結(jié)果的解分析處理,得到聲波從發(fā)射器到接收器的傳播時(shí)間與聲波發(fā)射點(diǎn)距孔口距離的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 聲波傳播時(shí)間與孔深關(guān)系Fig.5 Relationship between acoustic transit time and borehole depth

通過現(xiàn)場測試得出,聲波從發(fā)生器到接收器的傳播時(shí)間最大值為84 μs,最小值為45 μs。根據(jù)公式(1)計(jì)算可得,聲波傳播速度在1 667～3 111 m/s之間。由圖5可知,隨著超聲波測試儀探頭的深入,經(jīng)過距孔口1.4 m的位置時(shí),傳播時(shí)間開始減小,說明聲波在煤巖中的傳播速度在增加；當(dāng)?shù)竭_(dá)1.6 m的位置,煤巖趨于穩(wěn)定,也就是上面說到的自穩(wěn)狀態(tài)。由此可知,微子鎮(zhèn)煤業(yè)風(fēng)氧化帶軟巖松動(dòng)圈厚度范圍為1.4～1.6 m。

2.3 測試結(jié)果

根據(jù)松動(dòng)圈測試結(jié)果,厚度范圍為1.4～1.6 m,如表1所示,屬大松動(dòng)圈中的Ⅳ類一般不穩(wěn)定圍巖。

3 支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及效果分析

3.1 支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

原巷道頂板錨索支護(hù)參數(shù)間排距2 000 mm×3 000 mm每排2根，過風(fēng)氧化帶區(qū)段調(diào)整為2 000 mm×1 500 mm每排2根。根據(jù)現(xiàn)場頂板巖性、破碎情況錨索間排距可調(diào)整為1 000 mm×1 500 mm每排3根進(jìn)行加固支護(hù)。幫部易片幫泥巖層采用18.9 mm×7 000.0 mm錨索加固護(hù)幫，間排距1 000 mm×1 500 mm每幫每排2根，上邊一根距頂板1.0 m、下邊一根距底板1.1 m，如圖6所示。為保證錨固質(zhì)量過風(fēng)氧化帶區(qū)段采用雙層金屬網(wǎng)，每排錨桿頂部及幫部加設(shè)鋼筋梯子梁，片幫區(qū)錨桿加木質(zhì)托盤；并加強(qiáng)對頂板,圍巖觀測，加強(qiáng)對巷道錨桿及錨索支護(hù)質(zhì)量情況的監(jiān)督。

表1 松動(dòng)圈一般圍巖分類表Table 1 Classification of surrounding rock of loose ring

圖6 支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.6 Optimization design of support

噴漿所用水泥為Po42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥，砂為純凈河砂，石子直徑為5～10 mm，并用水沖洗干凈，水:水泥:沙子=1:2:2，最佳水灰比控制在0.4～0.5，速凝劑用量為水泥用量的4%，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，噴射厚度不小于150 mm。

3.2 支護(hù)效果分析

為進(jìn)一步檢驗(yàn)掘進(jìn)巷道過風(fēng)氧化帶支護(hù)效果,采用圍巖觀測手段監(jiān)測,方法如下。

1)巷道圍巖移近量采用測槍、測桿或其他測量工具量測。在1#聯(lián)絡(luò)巷附近設(shè)置3個(gè)觀測點(diǎn),間距20 m,每3 d測1次。

圖7 測點(diǎn)布置Fig.7 Layout of testing points

通過一個(gè)月的監(jiān)測,頂板收斂曲線如圖8所示,圍巖收斂曲線如圖9所示。由圖可知,優(yōu)化設(shè)計(jì)支護(hù)后的7 d內(nèi),頂板、圍巖收斂速度比較大,13 d后趨于穩(wěn)定狀態(tài),支護(hù)系統(tǒng)無開裂損毀現(xiàn)象。監(jiān)測結(jié)果表明,采用優(yōu)化后的支護(hù)方式,有效降低了圍巖變形速率,實(shí)現(xiàn)了對掘進(jìn)巷道過風(fēng)氧化帶軟巖區(qū)松動(dòng)圈的有效控制。

圖8 頂板收斂曲線Fig.8 Roof convergence curves

圖9 圍巖收斂曲線Fig.9 Surrounding rock convergence curves

4 結(jié)論

1)通過對已揭露的風(fēng)氧化帶軟巖區(qū)松動(dòng)圈測試,得出微子鎮(zhèn)煤業(yè)風(fēng)氧化帶區(qū)域的松動(dòng)圈厚度為1.4～1.6 m。根據(jù)松動(dòng)圈分類理論得出,該松動(dòng)圈屬于Ⅳ類一般不穩(wěn)定圍巖(軟巖)。

2)基于錨桿組合拱理論,采用錨網(wǎng)噴支護(hù)工藝,將原有支護(hù)頂錨索排距縮短為1 m,采用雙層網(wǎng)防止松軟巖石冒漏;每排錨桿頂部及幫部加設(shè)鋼筋梯子梁,提高圍巖抗拉、抗剪能力;錨桿加木托盤,增加受力面積;通過噴漿封閉,封閉節(jié)理,提高了軟巖區(qū)圍巖整體性。

3)通過圍巖觀測驗(yàn)證了優(yōu)化后的支護(hù)設(shè)計(jì)的可行性和可靠性,大大提高了巷道的掘進(jìn)速度。