巷道底臌分析、監(jiān)測及控制技術(shù)研究

張建國

(西山煤電集團公司東曲礦,山西省古交市,030200)

★煤礦安全★

巷道底臌分析、監(jiān)測及控制技術(shù)研究

張建國

(西山煤電集團公司東曲礦,山西省古交市,030200)

為了解決掘進(jìn)巷道時,巷道壓力大、頂板破碎、底板臌起,致使施工不能連續(xù)進(jìn)行的問題,通過分段實驗,加強監(jiān)測監(jiān)控,使巷道變形量得到有效控制,降低了巷道維修的費用。

巷道底臌 支護 監(jiān)測監(jiān)控

目前,隨著支護技術(shù)的發(fā)展,已經(jīng)能夠?qū)㈨敯逑鲁梁蛢蓭鸵平刂圃谀撤N程度內(nèi),然而對于防止底臌卻一直缺乏既經(jīng)濟又有效的辦法。強烈的巷道底臌不僅帶來了大量的維修工作,增加了維護費用,而且還影響了礦井安全生產(chǎn)。所以,分析巷道底臌原因、完善監(jiān)測設(shè)施及控制底臌量具有十分重要的意義。

1 底臌致因理論

受采掘工程的影響,巷道頂?shù)装搴蛢蓭蛶r體產(chǎn)生變形并向巷道內(nèi)產(chǎn)生位移,巷道底板向上隆起的現(xiàn)象即稱之為底臌。底臌所導(dǎo)致的巷道斷面縮小、阻礙運輸和行人、妨礙礦井通風(fēng),使得許多礦井不得不投入大量的人力和物力去做“挖底”等臨時的處理工作,嚴(yán)重的會造成整條巷道的報廢,對礦山的生產(chǎn)與安全產(chǎn)生很大的制約。

長期以來,國內(nèi)外許多專家學(xué)者對煤礦巷道底臌機理和控制技術(shù)作了大量的研究工作,提出了許多底臌控制技術(shù)。研究表明,引起巷道底臌的因素有很多,其中較為突出的幾個因素是底板巖層性質(zhì)、圍巖應(yīng)力、水力作用、巖體強度和地溫等。有效控制底臌的方法大致分為兩類:一類是預(yù)防,即采取措施將底臌量減少到允許的范圍內(nèi);二是清除底臌,將巷道已發(fā)生底臌的部分巖石清除,恢復(fù)巷道斷面積。

2 底臌治理方法

只有在動壓區(qū)對巷道底臌進(jìn)行一定的治理才是根本之策。目前,治理底臌的方法可分為3大類型,即:支護加固法、卸壓法及聯(lián)合支護法。

2.1 支護加固法

支護加固法就是對巷道底板巖層支護或增強其強度,從而提高底板巖層的穩(wěn)定性,減小底臌量。它包括底板錨桿、底板注漿及封閉式支架、混凝土反拱等形式。這種支護的工作原理主要有3個方面:一是將軟弱底板巖層與其下部穩(wěn)定巖層連接起來,抑制因軟弱巖層擴容、膨脹引起的裂隙張開及新裂隙的產(chǎn)生,阻止軟弱巖層向上鼓起;二是把幾個巖層連接在一起,作為一個組合梁,起承受彎矩的作用。此組合梁的極限抗彎強度比各個單一巖層的抗彎強度的總和大;三是通過加注水泥漿,漿液滲透到巖層裂隙之間,增加了破碎巖石之間的黏結(jié)力,在底板中形成一強度比加固以前大的整體結(jié)構(gòu)。

2.2 卸壓法

卸壓法與支護加固法控制軟巖巷道底臌的機理不同,它的實質(zhì)是采用一些人為的措施改變巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài),使底板巖層處于應(yīng)力降低區(qū),從而保證底板巖層的穩(wěn)定狀態(tài)。它特別適用于控制高地應(yīng)力的巷道底臌。目前出現(xiàn)的卸壓法有切縫、打鉆孔、爆破及掘巷卸壓等形式。

2.3 聯(lián)合法

如果單獨使用支護加固法或卸壓法還沒有取得滿意的效果,則需要采用聯(lián)合支護法,即把不同的方法結(jié)合起來使用。聯(lián)合支護法通常是兩種方法的結(jié)合,如底板爆破注漿、切縫與錨桿、封閉式支架與爆破等。

3 工程實例

3.1 巷道地質(zhì)條件

運煤平巷位于東曲礦六采區(qū),該煤層為上組2#煤。煤層厚度為0.60～1.00 m,平均厚度0.80 m;煤層傾角為1～5°,平均3°,結(jié)構(gòu)簡單,屬穩(wěn)定型煤層(見表1)。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

3.2 巷道斷面及支護參數(shù)

3.2.1 巷道斷面

運輸大巷為矩形斷面,凈寬4.2 m,凈高2.5 m,凈斷面10.5 m2。

3.2.2 支護參數(shù)

采用錨網(wǎng)支護形式。工作面頂板采用左旋螺紋鋼錨桿、錨索、鋼帶和金屬網(wǎng)聯(lián)合支護。錨桿呈矩形布置,間排距900 mm×1000 mm,鋼帶排距1000 mm,錨索排距2000 mm,呈“三花型”布置,兩幫采用左旋螺紋鋼錨桿加木托盤支護,兩幫錨桿距頂500 mm,距底1000mm,間排距1000 mm×1000 mm。支護示意圖見圖1。

圖1 巷道斷面及支護形式圖

3.3 巷道施工過程中出現(xiàn)的問題

運輸大巷設(shè)計長度950 m,從開口施工至里程150 m時,巷道出現(xiàn)頂板破碎,底臌嚴(yán)重,前進(jìn)的右?guī)偷捉翘庨_裂,最大變形量達(dá)到500 mm,水平位移量達(dá)到350 mm,即巷道寬度縮小350 mm,垂直位移量達(dá)到500 mm左右,即巷道高度降低500 mm左右,直接制約巷道的正常施工,影響著作業(yè)人員的安全。

3.4 變形致因分析

3.4.1 分段實驗法

從里程150 m開始將施工的30 m巷道分為3段,每10 m為1段,采取不同的技術(shù)手段進(jìn)行試驗分析。其中,第1段在原有支護的基礎(chǔ)上,在靠底板右?guī)兔壕€以下100 mm處增設(shè)1排幫錨桿,幫錨桿規(guī)格:?20×L1800 mm左旋螺紋桿錨桿,與右?guī)统?5～75°角打設(shè)。第2段按原巷道支護設(shè)計進(jìn)行施工。第3段在原設(shè)計的基礎(chǔ)上,在巷道右底角底板上挖300 mm(寬)×300 mm(深)的卸壓槽進(jìn)行能量的釋放。

3.4.2 監(jiān)測監(jiān)控法

(1)測點的布置。

在上述試驗的3段巷道中,在每段的中間設(shè)置1測點,分別標(biāo)記為1、2、3。

(2)觀測方法。

①采用十字布點觀測法:在每段中間巷道的頂?shù)装逯行奈恢酶鞔蛟O(shè)1根錨桿,在左右兩幫中部各打設(shè)1根錨桿,其深度均為1000 mm。

②每段中間右?guī)涂康装?00 mm處作標(biāo)記,在靠近右?guī)偷牡?根垂直頂錨桿上掛設(shè)鉛垂線進(jìn)行觀測標(biāo)記點到鉛垂線的水平距離,從而確定水平位移量。

③在每段中間巷道中心位置處打設(shè)一頂板離層指示儀作為頂板下沉量度量的又一重要依據(jù)。

(3)觀測周期。

每個測點從掘進(jìn)完畢記起,對各測點每天觀測1次,每個測點連續(xù)觀測1周,觀測數(shù)據(jù)見表2,巷道變形隨時間變化情況見圖2。

表2 巷道位移量統(tǒng)計數(shù)據(jù)

圖2 巷道變形隨時間變化曲線圖

4 結(jié)論

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析得出,巷道的變形量主要由于巷道底臌導(dǎo)致的,為了有效合理的降低巷道的變形量,不影響掘進(jìn)速度,減少巷道的維修返修率,降低維護巷道的費用,所以選擇了第1種實驗方法,即在巷道右?guī)涂棵壕€100 mm以下打設(shè)幫錨桿1根,與右?guī)统?5～75°夾角打設(shè)。

[1]李開學(xué),王宏圖,劉正海.巷道底臌理論與防治技術(shù)[J].礦業(yè)安全與環(huán)保.2008(6)

[2]錢鳴高,劉聽成.礦山壓力及其控制(修訂本) [M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1998

[3]康紅普.軟巖巷道底臌的機理及防治[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1993

(責(zé)任編輯 梁子榮)

TD327.3

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張建國(1968-),男,山西文水人,工程師,現(xiàn)任西山煤電集團東曲礦二采區(qū)區(qū)長。