膨脹軟巖頂板回采巷道支護技術(shù)研究

易國晶

摘要：膨脹軟巖含泥量高，結(jié)構(gòu)松散軟弱，遇水易膨脹變形，極易對圍巖的穩(wěn)定性造成破壞，因此膨脹軟巖巷道控制方法的合理選取對煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。眾多專家學者曾對軟巖巷道的變形特征及其支護技術(shù)方面進行了詳盡研究。

關鍵詞：膨脹軟巖;冒頂;數(shù)值模擬;懸吊作用

1概況

某煤礦，目前主采的2號煤層埋深300m左右，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，厚1.60～3.65m，平均2.79m。2號煤層直接頂以厚4.25m的砂質(zhì)泥巖為主，基本頂為厚2.1m的細砂巖。底板巖性為細砂巖、泥巖。1202軌道巷另一側(cè)為實體煤，沿2號煤頂板掘進，矩形斷面，寬×高=4200mm×2800mm，毛斷面面積11.76m2。原支護方案為錨網(wǎng)索聯(lián)合支護，頂板采用φ18mm×1800mm左旋螺紋鋼錨桿（間排距900mm×1000mm、預緊力矩≥170N·m、1支MSCK23/80型樹脂錨固劑）+φ17.8mm×5500mm1×7股低松弛預應力鋼絞線錨索（大三花布置，間排距1800mm×2000mm、預緊力≥100kN、2支MSCK23/80型樹脂錨固劑）支護;回采幫采用φ18mm×1800mm玻璃鋼錨桿支護，間排距1000mm×1000mm、預緊力矩≥50N·m;煤柱幫采用φ16mm×1600mm金屬桿體樹脂錨桿支護，間排距1000mm×1000mm、預緊力矩≥90N·m;頂板及兩幫均采用10號鐵絲菱形金屬網(wǎng)（網(wǎng)孔50mm×50mm，網(wǎng)片10000mm×1000mm）協(xié)同錨桿索支護。

2膨脹軟巖頂板回采巷道支護技術(shù)

2.1強膨脹軟巖巷道支護技術(shù)原理

強膨脹軟巖巷道支護難度大，錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護難以起到良好的支護效果。大量工程實踐表明，U型鋼可縮性支架具有初撐力高、增阻速度快、支護強度大等優(yōu)點，在富水性較強的強膨脹性軟巖巷道中采用錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土和U型鋼可縮性支架聯(lián)合支護技術(shù)，可以克服錨網(wǎng)索噴支護的不足，允許圍巖變形能量充分釋放，支架工作阻力逐漸發(fā)揮，能顯著提高支護結(jié)構(gòu)的整體剛度，有效解決強膨脹軟巖巷道支護難題。

2.2遇水膨脹特性

根據(jù)水電水利工程巖石試驗規(guī)程，將同一鉆孔中K1p地層粉砂質(zhì)泥巖制成?50mm×50mm的試樣，用YYP-50巖石膨脹力試驗儀測定其膨脹力。根據(jù)試驗記錄得到K1p地層粉砂質(zhì)泥巖3個試樣的最大膨脹力的最大值分別為2197.1kPa，1994.9kPa和1899.8kPa，平均值為2030.6kPa，具有強膨脹性;并根據(jù)試驗結(jié)果繪制出膨脹力與浸水時間的關系曲線。試樣膨脹力曲線可分為3個階段：1）劇烈加速膨脹階段（OA段）;2）減速膨脹階段（AB段）;3）穩(wěn)定膨脹階段（BCD段）。在OA段，試樣表層微裂隙發(fā)育，與水接觸后，黏土礦物迅速吸水，體積迅速膨脹;AB段，試樣表層一定范圍的黏土礦物吸水膨脹完成，封閉表層微裂隙，內(nèi)部黏土礦物吸水過程由外層的沿裂隙通道直接吸水變?yōu)檠貛r體孔隙吸水，吸水過程減緩，故膨脹緩慢;BCD段，此時試樣黏土礦物吸水基本完成，在軸向荷載作用下，部分黏土礦物發(fā)生變形，封閉部分大開孔隙，使得膨脹力略微減小，直至最終穩(wěn)定。

2.3總體思路

通過以往施工經(jīng)驗及借鑒其他相關類似軟巖隧道的處治方式，總結(jié)出處治此種巖體基本原則是：加固圍巖、先柔后剛、先讓后頂、變形留夠、底部加強、分層支護。方案總體思路：大格柵與型鋼拱架交替支護，剛?cè)岵笾睆介L錨管注漿鎖腳，臺階底部采用鋪墊擴大受力面積，臨時抑制變形，短臺階七步開挖法盡快封閉成環(huán)，超前導管注漿支護確保成洞。

2.4圍巖塑性特征

通過圍巖塑性特征范圍可以對錨網(wǎng)噴架聯(lián)合支護效果進行評價。U型鋼支架與圍巖相互作用，充分發(fā)揮了可縮支架被動承載的柔性支護作用，提供了較強的支護阻力，使圍巖由開挖后的二向或單向受力狀態(tài)重新調(diào)整為三向受壓狀態(tài)，再加上錨桿的主動支護作用，二者聯(lián)合作用有效抑制了圍巖塑性區(qū)的范圍和大小。采用錨網(wǎng)噴架聯(lián)合支護時巷道周邊圍巖未產(chǎn)生剪切破壞或受拉破壞。錨網(wǎng)噴架聯(lián)合支護對工作面圍巖塑性變形有較好的抵抗作用，僅在底板和掘進工作面出現(xiàn)局部塑性變形，底板塑性區(qū)范圍為巷道直徑的0.3～0.5倍。

2.5方案

由于1202軌道巷頂板2～4m存在軟巖且破碎離層較多，為保證頂板可以形成一個穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，錨固區(qū)的厚度需達到一定程度，且須有相當長度錨固于堅硬巖層，主動支護能力也須足夠大。為此，將錨桿長度由1800mm增加至2400mm，錨索長度由5500mm增加至7500mm，頂錨桿預緊力矩由170N·m增加至300N·m，錨索預緊力由100kN增加至150kN。新型支護方式改為錨桿+錨索+鋼筋梯子梁+金屬網(wǎng)補強聯(lián)合支護，并且提高其預緊力與錨固力，防止直接頂離層以及水侵入。優(yōu)化后具體方案為：頂板采用φ20mm×2400mm高強度螺紋鋼錨桿（間排距1000mm×900mm、預緊力矩>300N·m）+φ17.8mm×7500mm低松弛預應力鋼絞線錨索（間排距2000mm×1800mm、預緊力≥150kN、1支CK2335，2支規(guī)格為Z2360樹脂錨固劑，二二式布置）支護;回采幫采用φ20mm×2000mm玻璃鋼錨桿支護，間排距1100mm×900mm、預緊力矩≥50N·m;煤柱幫采用φ18mm×2000mm高強度螺紋鋼錨桿，間排距1100mm×900mm、預緊力矩≥300N·m;架設規(guī)格為φ14mm的鋼筋焊接而成鋼筋梯子梁，長度4800mm，寬度80mm，在安裝錨桿的位置焊接上2道縱筋，縱筋間距80mm，以便安裝錨桿，并將錨桿組合在一起。優(yōu)化方案中提高錨桿（索）預緊力的作用是改變巖石的受力狀態(tài)，讓巖石由二維受力變?yōu)槿蚴芰?，減少頂板離層量;增大錨桿（索）錨固力主要是為了提高錨桿（索）的懸吊作用，使冒落的軟弱巖層或危巖更好地懸吊于上部堅固穩(wěn)定的巖石上。通過這種方式來保持軟弱巖層的穩(wěn)定性，有利于圍巖的支護。

3結(jié)語

（1）膨脹軟巖巷道冒頂原因為：直接頂有軟弱夾層+強降雨與空氣潮濕+支護方式不合理且支護參數(shù)較弱。（2）膨脹軟巖巷道的支護方式為錨桿+金屬網(wǎng)+鋼筋梯子梁+錨索補強聯(lián)合支護，并且應提高其預緊力與錨固力，防止直接頂離層以及水侵入?，F(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的支護效果良好。（3）通過數(shù)值模擬得出，支護方式改進后巷道圍巖塑性區(qū)減小，說明改進后的支護方式可有效降低巷道圍巖的塑性破壞范圍與破壞程度，從而能夠提高巷道整體穩(wěn)定性。

參考文獻：

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（作者單位：盤江精煤股份有限公司）