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      含水巖層下大巷支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

      2021-12-14 06:50:20
      山東煤炭科技 2021年11期
      關(guān)鍵詞:大巷噴漿含水層

      焦 彪

      (蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司,山西 澤州 048200)

      1 工程概況

      蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司9#煤層輔運(yùn)大巷掘進(jìn)工作面為太原組煤層,屬石炭系太原組灰?guī)r裂隙巖溶含水層。9#煤層主要含水層為上部太原組K5、K6 灰?guī)r和K7 砂巖,9#煤層距K5 為17.08~27.19 m,含水層分布穩(wěn)定,裂隙較巖溶發(fā)育,各含水層單位涌水量為0.004 9 L/s.m,屬弱富水性的含水層,相互間水力聯(lián)系較弱。9#煤層呈黑色塊狀特征,平均厚度1.14 m。9#煤層輔運(yùn)大巷沿煤層頂板掘進(jìn),直接頂為砂質(zhì)泥巖,厚2.6 m,砂泥巖上層為細(xì)砂巖,厚2.7 m;直接底為泥巖,厚4.7 m。依據(jù)9#煤層輔運(yùn)大巷掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,在上部含水層影響下,成巷后頂板多處淋水,巷道頂板下沉量較大,局部冒頂、片幫嚴(yán)重,需定期返修,為解決此類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行輔運(yùn)大巷支護(hù)研究。巷道位置詳情如圖1。

      圖1 9#煤輔運(yùn)大巷、回風(fēng)大巷位置詳情

      2 含水層對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性模擬研究

      通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬分析含水層對(duì)巷道圍巖表面位移、圍巖塑性破壞、圍巖內(nèi)應(yīng)力集中情況等的影響[1-2],以輔運(yùn)大巷掘進(jìn)為工程背景,結(jié)合具體的地質(zhì)條件建立三維模型,模型長(zhǎng)(X 軸)、高(Z 軸)為60 m,厚(Z 軸)為6 m,模型上方模擬300 m 埋深,巖層平均容重取2500 kg/m3,模型頂面施加均布載荷為7.5 MPa。根據(jù)礦方提供的巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果確定各巖層的巖石力學(xué)參數(shù),輔運(yùn)大巷掘進(jìn)斷面寬×高=5.4 m×3.6 m,煤層上覆巖層開(kāi)啟Config fluid 滲流模式,巷道圍巖孔隙率為0.3,水的密度為1000 kg/m3,巷道周邊巖體內(nèi)設(shè)定為300 m 埋深的孔隙水壓力,在有水、無(wú)水條件下分別計(jì)算平衡得到初始應(yīng)力場(chǎng),然后巷道一次開(kāi)挖到位,計(jì)算平衡后觀察巷道圍巖受力、變形、破壞等特征。由于篇幅所限,僅將較典型的模擬結(jié)果給出。有水與無(wú)水條件下,巷道圍巖數(shù)值模擬結(jié)果如圖2。

      圖2 數(shù)值模擬結(jié)果

      由圖2(a)、(b)所示結(jié)果可以看出,無(wú)水條件下,輔運(yùn)大巷頂板塑性破壞深度為1.6 m,兩幫塑性破壞深度2.0 m,底板破壞深度1.6 m;含水層條件下,頂?shù)装寮皟蓭退苄云茐纳疃葘?duì)比無(wú)水條件下可以發(fā)現(xiàn),有水條件下,巷道圍巖塑性破壞深度顯著增大,約為無(wú)水條件下的2.25 倍,巷道頂角、底角部位塑性破壞深度和范圍同樣明顯增大。由圖2(c)、(d)所示結(jié)果可以看出,無(wú)水條件下,輔運(yùn)大巷圍巖發(fā)生矢量位移的深度基本保持在4.0 m以下,而在有水條件下,巷道頂板、兩幫圍巖存在矢量位移的深度達(dá)到4~5.5 m,含水層影響下,圍巖出現(xiàn)矢量位移的范圍明顯增大。結(jié)合以上數(shù)值模擬結(jié)果,總結(jié)含水層對(duì)輔運(yùn)大巷圍巖穩(wěn)定性的影響,巷道圍巖內(nèi)的水對(duì)巖層本身的影響主要體現(xiàn):孔隙水壓在巷道開(kāi)挖卸荷后形成更大的負(fù)壓力作用[3];對(duì)圍巖的軟化作用[4],含水層影響下,巷道掘進(jìn)期間圍巖塑性破壞范圍顯著增大,巷道表面位移量明顯增大,發(fā)生矢量位移的深度增大,這必然加重支護(hù)承載負(fù)擔(dān)和支護(hù)控制難度。

      3 輔運(yùn)大巷支護(hù)技術(shù)

      3.1 輔運(yùn)大巷圍巖控制思路及措施

      結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果,總結(jié)出含水層下大巷圍巖控制思路:提高支護(hù)強(qiáng)度;改善圍巖力學(xué)條件;加強(qiáng)頂板水的疏導(dǎo)措施。

      根據(jù)9#煤層輔運(yùn)大巷的地質(zhì)條件并結(jié)合前文的數(shù)值模擬結(jié)果,提出以高強(qiáng)錨桿、錨索為主的圍巖控制措施:頂板和兩幫采用高強(qiáng)錨桿,選取適當(dāng)?shù)腻^固方式。巷道淺部圍巖塑性破壞嚴(yán)重,采用高強(qiáng)錨桿+金屬網(wǎng)改善淺部圍巖的受力特征,調(diào)整巷道肩角處錨桿角度,減小頂板和兩幫間的錯(cuò)動(dòng)。合理配置錨索:以求對(duì)圍巖的協(xié)同控制,頂板和兩幫均需布置錨索,選擇合適的錨索長(zhǎng)度。巷道表面噴漿封閉:通過(guò)表面噴漿,提高巷道表面圍巖的整體性,充分發(fā)揮錨桿、錨索的作用,調(diào)動(dòng)深部穩(wěn)定圍巖的錨固效果。綜上所述,9#煤層輔運(yùn)大巷圍巖控制思路如圖3。

      圖3 輔運(yùn)大巷圍巖聯(lián)合支護(hù)思路

      3.2 輔運(yùn)大巷支護(hù)方案設(shè)計(jì)

      9#煤層輔運(yùn)大巷采用“高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)錨桿+預(yù)應(yīng)力錨索+混凝土噴漿”的聯(lián)合支護(hù)方案。錨桿選用規(guī)格為Ф22 mm×2500 mm 高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿,頂板中間5 根間排距1.0 m,最邊緣錨桿間距0.6 m,錨桿向巷道外側(cè)傾斜30°,兩幫錨桿間排距1.0 m,每根錨桿均采用CK2369 樹(shù)脂藥卷錨固劑一支,錨桿直接由7 孔W 鋼帶聯(lián)結(jié),鋼帶寬200 mm,長(zhǎng)5400 mm;頂板和兩幫錨索選用Ф15.6 mm×6500 mm 鋼絞線,間排距2.4 m×4.0 m,頂板每排4 根,頂板4 根錨索沿巷道中線兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置,均沿頂板法線方向安裝,兩幫每側(cè)每排2 根,較上部一根距頂板1.6 m,較下部一根距底板1.0 m,每根錨索采用3 根CK2360 樹(shù)脂藥卷進(jìn)行錨固;鋼筋梯子梁由Ф14 mm 光圓鋼筋焊接;金屬網(wǎng)采用6#鋼筋焊接,網(wǎng)格為100 mm×100 mm,搭接長(zhǎng)度100 mm,用16 號(hào)鐵絲聯(lián)結(jié),雙絲雙扣,隔孔相連。頂板和兩幫噴射混凝土厚度100 mm,混凝土標(biāo)號(hào)C20;鋪底厚度為200 mm,混凝土標(biāo)號(hào)C30。根據(jù)輔運(yùn)大巷掘進(jìn)期間頂板淋水情況,酌情設(shè)置疏水孔和導(dǎo)水槽。9#煤層輔運(yùn)大巷支護(hù)詳情如圖4。

      圖4 輔運(yùn)大巷支護(hù)斷面

      4 輔運(yùn)大巷聯(lián)合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用效果分析

      9#煤層輔運(yùn)大巷采用上述支護(hù)方案工業(yè)試驗(yàn)期間,在輔運(yùn)大巷過(guò)后方聯(lián)絡(luò)巷50 m 處布置測(cè)點(diǎn),采取十字布點(diǎn)法定期記錄巷道表面的位移情況,每天早班和晚班各記錄一次,兩次結(jié)果的平均值為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),選取適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù),整理得到輔運(yùn)大巷表面位移量變化曲線如圖5。如圖5 所示,掘巷前期,巷道表面變形量并不大;截至第22 d,頂?shù)装逡平績(jī)H為24 mm,兩幫移近量?jī)H為15 mm;在成巷第20~60 d,圍巖變形量明顯增大,頂?shù)装逡平吭龃笾?26 mm,兩幫移近量增大至72 mm;而在成巷60~120 d 期間,圍巖變形量?jī)H有微小的增加,頂?shù)装逡平績(jī)H增大5 mm,兩幫移近量增大4 mm,表明此時(shí)巷道圍巖已趨于穩(wěn)定。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況可認(rèn)為:“高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)錨桿+預(yù)應(yīng)力錨索+混凝土噴漿”聯(lián)合支護(hù)措施有效控制了輔運(yùn)大巷的圍巖變形,取得了較好的支護(hù)效果。

      圖5 輔運(yùn)大巷表面位移曲線

      5 結(jié)論

      以9#煤層輔運(yùn)大巷掘進(jìn)為工程條件,通過(guò)數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)、礦壓監(jiān)測(cè)等手段,研究含水層下大巷圍巖控制技術(shù),所得結(jié)論如下:

      (1)含水層影響下,巷道圍巖破壞范圍和程度明顯增大,巷道表面位移量也顯著增大,含水層增大了巷道圍巖的控制難度。

      (2)提出采用高應(yīng)力高強(qiáng)錨桿、合理配置錨索、巷道表面噴漿封閉、酌情設(shè)置疏水孔和導(dǎo)水槽等聯(lián)合支護(hù)方案。

      (3)“高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)錨桿+預(yù)應(yīng)力錨索+混凝土噴漿”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)能夠有效控制輔運(yùn)大巷的圍巖變形,保證大巷圍巖的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

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