極軟巖回采巷道互補(bǔ)控制支護(hù)技術(shù)研究

1、極軟巖回采巷道互補(bǔ)控制支護(hù)技術(shù)研究姜耀東1，2，王宏偉2，趙毅鑫1，2，劉長(zhǎng)海3，朱喜東3(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；3. 鐵法煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，遼寧 調(diào)兵山 112700)摘要：從加固破碎巖體和提高支護(hù)阻力兩方面綜合研究入手，分析小康煤礦巷道圍巖的力學(xué)及變形破壞特征，得出小康煤礦軟巖回采巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)制，指出原有支護(hù)系統(tǒng)變形不協(xié)調(diào)、支護(hù)阻力低和沒(méi)有發(fā)揮圍巖的承載能力是導(dǎo)致巷道破壞和支護(hù)失效的主要原因。以鐵法礦業(yè)集團(tuán)小康礦S2N8運(yùn)輸順槽為工程實(shí)例，研究高強(qiáng)度高預(yù)緊力錨桿、強(qiáng)力錨

2、索、金屬網(wǎng)和噴漿加固以及U型鋼在控制圍巖變形中的互補(bǔ)作用，詳細(xì)介紹高強(qiáng)度、高預(yù)緊力錨網(wǎng)索配合U型鋼可縮支架的互補(bǔ)控制綜合支護(hù)方案并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，互補(bǔ)控制支護(hù)技術(shù)能夠避免極軟巖回采巷道的多次翻修，實(shí)現(xiàn)支護(hù)一次到位。關(guān)鍵詞：巖石力學(xué)；軟巖；預(yù)緊力；互補(bǔ)控制；失穩(wěn)機(jī)制 中圖分類號(hào)：TU 45 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：10006915(2009)12238308STUDY OF COMPLEMENTARY SUPPORTING TECHNOLOGY OF EXTREMELY SOFT ROCK MINING ROADWAY JIANG Yaodong1，2，WANG Hongwei

3、2，ZHAO Yixin1，2，LIU Changhai3，ZHU Xidong3(1. State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China；2. School of Mechanics，Architecture and Civil Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China；3. Tiefa Coal In

4、dustry Group Co.，Ltd.，Diaobingshan，Liaoning 112700，China)Abstract：By using the method of strengthening broken rock and increasing supporting resistance，the mechanical properties，deformation and failure characteristics of surrounding rocks in Xiaokang coal mine are analyzed. Meanwhile，the instability

5、 mechanism of soft rock mining roadway is obtained and it is pointed out that the main reasons of supporting failure are inconsistent deformation，low supporting resistance and failure to utilize the supporting capability of the surrounding rocks. Taking the S2N8 haulage roadway of Xiaokang coal mine

6、 for example，the complementarity of the high strength bolt，high pretension cable，metal mesh and U-shaped contractible frame in the process of reinforcing surrounding rock is studied. Based on these studies，the complementary supporting technology of high strength and pretension bolt-mesh-cable suppor

7、ting together with U-shaped contractible frame is introduced. In addition，in-situ industrial test has also been implemented；and the results show that the complementary supporting system can successfully avoid the multi-rebuilding in extremely soft rock mining roadway and the supporting once for all

8、in Xiaokang coal mine can be adopted. Key words：rock mechanics；soft rock；pretension force；complementary technology；instability mechanism1 引 言鐵法煤業(yè)(集團(tuán))小康礦是國(guó)內(nèi)外罕見(jiàn)的軟巖礦井，自1990年投產(chǎn)以來(lái)一直面臨巷道支護(hù)困難的問(wèn)題。井下實(shí)測(cè)資料表明，圍巖破碎范圍達(dá)10 m，頂?shù)装屣柡蛦蜗蚩箟簭?qiáng)度Rc = 35 MPa，完整性系數(shù)Kv = 0.2，屬地壓特大的極軟巖巷道13。曾試用過(guò)鋼筋混凝土支護(hù)，錨噴網(wǎng)及U型鋼支護(hù)，由于措施不當(dāng)，圍巖劇烈變形，致使巷道

9、掘出僅3個(gè)月就完全坍塌，服務(wù)期間圍巖變形量高達(dá)4 000 mm左右。每年翻修23次以上，1 m巷道年翻修費(fèi)用高達(dá)2萬(wàn)元左右。巷道屢遭嚴(yán)重?fù)p壞和頻繁翻修，不僅嚴(yán)重影響回采工作的正常進(jìn)行，而且引起采空區(qū)煤炭自燃發(fā)火，嚴(yán)重困擾著礦井的生產(chǎn)和安全。1993年鐵法礦務(wù)局和中國(guó)礦業(yè)大學(xué)合作，在研究圍巖大變形機(jī)制的基礎(chǔ)上，從加固破碎巖體強(qiáng)度、提高支護(hù)阻力和降低圍巖采動(dòng)應(yīng)力3個(gè)方面綜合研究入手，在普通封閉U型鋼支護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)29U鋼熱處理提高材料強(qiáng)度40%，改善卡纜結(jié)構(gòu)和提高卡纜滑動(dòng)阻力使接頭強(qiáng)度與U鋼強(qiáng)度相匹配，在支架之間安設(shè)拉桿充分發(fā)揮支架的整體效應(yīng)。采用壁后充填等新工藝技術(shù)后，在只增加支護(hù)成本

10、10%的條件下使得支架的實(shí)際承載能力和支護(hù)強(qiáng)度提高5 倍以上，從而使巷道的圍巖變形量下降了90%左右，實(shí)現(xiàn)了極軟巖動(dòng)壓巷道支護(hù)一次到位的目標(biāo)，扭轉(zhuǎn)了生產(chǎn)被動(dòng)的局面4。全封閉U型鋼可縮支架壁后充填技術(shù)由于其高阻可縮的特點(diǎn)曾被小康礦大范圍采用，然而該支護(hù)方法存在工法復(fù)雜、成巷速度慢、支護(hù)成本高的問(wèn)題。而實(shí)踐表明，單純采用錨噴網(wǎng)支護(hù)技術(shù)，通過(guò)增加錨桿密度和桿體剛度等措施仍不能解決小康礦極軟巖動(dòng)壓巷道支護(hù)問(wèn)題。近年來(lái)，小康礦采用U型鋼支架與錨噴網(wǎng)支護(hù)結(jié)合的支護(hù)方案，但效果也不理想。本文介紹了小康礦軟巖巷道的復(fù)雜地質(zhì)條件及其破壞特征，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行了U型鋼壁后充填加和錨網(wǎng)噴有機(jī)結(jié)合的互補(bǔ)控制支護(hù)技術(shù)研

11、究，旨在將U型鋼支架與錨網(wǎng)噴支護(hù)效果優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)?，F(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明，新型支護(hù)方案對(duì)巷道圍巖變形控制效果較好。2 工程概況2.1井田工程地質(zhì)概況小康煤礦井田沉積類型為內(nèi)陸山間湖泊、沼澤相，形成于中生代晚侏羅紀(jì)，煤層結(jié)構(gòu)多為復(fù)合層，成巖度低，暴露于空氣即發(fā)生軟化及崩解，強(qiáng)度損失快。井田內(nèi)僅賦存一層煤，埋藏深度237715 m；傾角512，一般7左右；可采厚度57 m，最大可采厚度8.67 m。井田隱伏較大斷層，其中煤層厚度變化頻繁，缺失帶較發(fā)育，且含有大量泥巖，遇水極易泥化且很難維護(hù)。小康礦井田瓦斯、水文地質(zhì)條件較為簡(jiǎn)單。2.2頂?shù)装鍘r性經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查、室內(nèi)試驗(yàn)確定小康礦頂?shù)装宸謩e為油頁(yè)巖和粉砂巖，巖

12、層綜合柱狀圖如圖1所示。層號(hào) 層厚/m 柱狀圖 巖石名稱油頁(yè)巖煤泥巖煤泥巖煤泥巖煤泥巖煤泥巖煤粉砂巖25.0026.0026.7527.7028.0529.4529.8530.4530.6533.3533.8534.2054.20累計(jì)厚度/m圖1 巖層綜合柱狀圖Fig.1 Columnar section of rock strata(1) 頂板油頁(yè)巖頂板平均厚度25.00 m，以泥質(zhì)為主，遇水泥化，風(fēng)化后成為片狀，干后粉碎崩解，不易維護(hù)，巖塊飽和單軸抗壓強(qiáng)度為3.7 MPa。(2) 底板粉砂巖底板平均厚度20.00 m，具有易風(fēng)化、遇水泥化膨脹等特征，層理十分發(fā)育，巖塊飽和單軸抗壓強(qiáng)度為4.

13、3 MPa。布置在底板中的巷道圍巖變形劇烈，底膨十分嚴(yán)重，占頂?shù)装逡平康?5%以上。2.3應(yīng)力場(chǎng)特征經(jīng)測(cè)量，小康礦井田區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)特征為：最大主應(yīng)力為12.05 MPa，傾角9.6，方向NEE74；最小主應(yīng)力為4.68 MPa，傾角3.1，方向NNW15；中間主應(yīng)力為7.26 MPa，傾角80；最大和最小主應(yīng)力作用方向近水平，中間主應(yīng)力作用方向近垂直，屬水平應(yīng)力場(chǎng)。因此，水平構(gòu)造應(yīng)力對(duì)軟巖巷道穩(wěn)定性影響明顯。3 軟巖回采巷道破壞特征及機(jī)制分析3.1軟巖回采原有支護(hù)形式小康礦軟巖回采巷道原有支護(hù)方式斷面如圖2所示。圖2 原有支護(hù)方式斷面圖(單位：mm)Fig.2 Cross-section di

14、agram of the original supporting systems(unit：mm)現(xiàn)有支護(hù)方式中采用20 mm2 400 mm的螺紋鋼錨桿，錨固長(zhǎng)度1 110 mm，錨固力150 kN，錨桿間距排距為800 mm600 mm，五花眼布置；U型鋼拱形可縮金屬支架采用U36型鋼，棚距為600 mm。3.2軟巖回采巷道變形破壞特征經(jīng)過(guò)大量的觀測(cè)與實(shí)踐，歸納出小康礦軟巖回采巷道變形破壞特征如下：(1) 圍巖自穩(wěn)時(shí)間短，來(lái)壓快。小康礦巷道圍巖從暴露到完全喪失穩(wěn)定性而產(chǎn)生冒落的時(shí)間極短，有時(shí)甚至來(lái)不及支護(hù)巷道斷面便急劇縮小。圖3給出了小康礦回采巷道破壞效果圖。表1列出了巷道掘進(jìn)階段頂?shù)装逡?/p>

15、近量及移近速度，表中數(shù)據(jù)說(shuō)明小康礦軟巖巷道圍巖穩(wěn)定時(shí)間很短，收斂速度快。 (a) 鋼架失效 (b) 頂板離層圖3 小康礦回采巷道破壞效果圖Fig.3 Failure conditions of mining roadway in Xiaokang mine表1 巷道掘進(jìn)階段頂?shù)装逡平考耙平俣萒able 1 Convergence quantity and rate in stage of excavation巷道名稱觀察時(shí)間/d移近量/mm移近速度/(mmd1)平均速度最大速度S1W1運(yùn)輸87526.5 6.05 20.5S1W1回風(fēng)46924.020.80 40.0S1W2運(yùn)輸30303

16、.010.10 41.5S1W2回風(fēng)30330.011.00 22.5S1W3運(yùn)輸87879.010.10156.0S1W3回風(fēng)30596.019.87174.0(2) 圍巖流變性顯著。觀測(cè)表明，賦存于一般黏土質(zhì)巖層中的軟巖巷道，距巷道壁5 m深處甚至更大范圍內(nèi)的圍巖都會(huì)發(fā)生明顯的位移，并不斷向深部擴(kuò)展。巷道掘出后圍巖變形完全趨于穩(wěn)定的時(shí)間一般超過(guò)50 d，甚至達(dá)到100 d以上。表2給出了巷道回采階段頂?shù)装逡平考捌骄平俣取Ｈ鏢1W3運(yùn)輸回順掘后87415 d的頂?shù)装迤骄平俣热员３衷?.17 mm/d，到受采動(dòng)影響以前(415 d時(shí)開(kāi)始)總的頂?shù)装逡平窟_(dá)2 326 mm，巷道破壞嚴(yán)

17、重，不得不頻繁拉底。表2 巷道回采階段頂?shù)装逡平考捌骄平俣萒able 2 Convergence quantity and average rate in stage of mining巷道名稱觀察時(shí)間/d移近量/mm平均移近速度/(mmd1)S1E1運(yùn)輸 961091.14S1E1回風(fēng) 664136.25S1W2運(yùn)輸 401283.20S1W2回風(fēng) 701822.60S1W3運(yùn)輸2887562.63S1W3回風(fēng)3281 2423.80(3) 巷道四周收斂速度快，頂?shù)装逡平看笥趦蓭褪諗苛壳业纂謬?yán)重。小康礦軟巖巷道四周普遍受壓，全斷面收斂，尤其以底臌最為明顯，黏土巖層遇水泥化引起的底

18、臌更加嚴(yán)重。觀測(cè)表明，小康礦回采巷道表面收斂的規(guī)律是，頂?shù)装逡平恳话銥閮蓭褪諗苛康?倍以上，其中底臌又占頂?shù)装逡七M(jìn)量的56%(以煤為直接底)和75%以上(以泥巖、粉砂巖為直接底)。因此，加強(qiáng)頂?shù)装搴偷纂闹卫沓蔀樾】档V軟巖巷道支護(hù)的關(guān)鍵。3.3變形破壞原因分析小康礦軟巖回采巷道發(fā)生變形破壞原因如下：(1) 地質(zhì)條件復(fù)雜。小康礦煤層變薄、缺失帶較多，形態(tài)復(fù)雜。巷道圍巖泥質(zhì)成分含量大，含大量膨脹性黏土礦物，易于風(fēng)化潮解，而且水穩(wěn)定性差。煤層及頂?shù)装逯卸己写罅康哪噘|(zhì)巖體，具有較強(qiáng)烈的流變特性。巷道圍巖強(qiáng)度相對(duì)較低，單軸抗壓強(qiáng)度為35 MPa，圍巖自承能力較差，是其巷道失穩(wěn)的主要原因。(2) 支護(hù)

19、體系沒(méi)有形成承載整體。首先，原有巷道支護(hù)為開(kāi)放式支護(hù)結(jié)構(gòu)，無(wú)法控制底臌。其次，原有支護(hù)體系單兵作戰(zhàn)，支架與支架間雖然有拉桿連接，但拉桿的強(qiáng)度不能滿足要求，使支護(hù)體系易于被各個(gè)擊破，無(wú)法發(fā)揮整體支護(hù)能力5。(3) 沒(méi)有充分發(fā)揮圍巖承載能力。軟巖巷道支護(hù)的作用在于維護(hù)和提高松動(dòng)圍巖的殘余強(qiáng)度，充分發(fā)揮圍巖的承載能力68。小康礦現(xiàn)有支護(hù)系統(tǒng)只有頂板和肩部的錨桿支護(hù)，很難最大限度發(fā)揮深部圍巖的自承載能力，所以其頂板離層現(xiàn)象特別嚴(yán)重，底臌難以控制。4 小康礦軟巖回采巷道互補(bǔ)支護(hù)技術(shù)針對(duì)軟巖回采巷道變形破壞特征，通過(guò)互補(bǔ)控制支護(hù)技術(shù)最大限度地發(fā)揮U型鋼可縮支架和錨網(wǎng)噴的支護(hù)特性，將兩者支護(hù)優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合起來(lái)

20、，使支護(hù)系統(tǒng)達(dá)到共同承載以及提高圍巖強(qiáng)度的目的。4.1互補(bǔ)控制支護(hù)方案總結(jié)分析小康礦軟巖回采巷道變形破壞特征以及發(fā)生強(qiáng)烈變形破壞的原因，從加固破碎巖體和提高支護(hù)阻力兩方面綜合研究入手，使U型鋼可縮支架和錨網(wǎng)噴支護(hù)分別在承載力和支護(hù)工藝上實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，形成一個(gè)高效而穩(wěn)定的圍巖承載體系，達(dá)到永久支護(hù)的目的?；パa(bǔ)支護(hù)方式斷面如圖4所示。錨索錨桿圖4 互補(bǔ)支護(hù)方式斷面圖(單位：mm)Fig.4 Cross-section of the complementary supporting systems (unit：mm)(1) 錨桿支護(hù)采用22 mm2 400 mm的高強(qiáng)度、高預(yù)應(yīng)力左旋螺紋鋼錨桿，樹(shù)脂

21、藥卷加長(zhǎng)錨固，錨固長(zhǎng)度為1 400 mm，預(yù)緊力為150 kN，抗拉強(qiáng)度為780 MPa，底腳應(yīng)力集中區(qū)設(shè)45加固錨桿。采用W型強(qiáng)力鋼帶連接錨桿，托盤為高強(qiáng)度拱形托板，可調(diào)心墊圈，性能與強(qiáng)力錨桿匹配，以提高預(yù)應(yīng)力。錨桿間距800 mm，排距800 mm，底板錨桿間距為1.0 m，錨桿按五花眼布置。(2) 錨索支護(hù)錨索采用高強(qiáng)度低松弛的119鋼絞線，直徑22 mm，長(zhǎng)度7.3 m。樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固，錨固長(zhǎng)度2.2 m。頂部錨索間距為1.5 m，排距為2.4 m。設(shè)置底腳45錨索，可以切斷來(lái)自兩幫的壓力對(duì)底板的破壞，有效控制了底臌。(3) U型鋼支架采用36U型鋼可縮性拱形支架，每節(jié)搭接長(zhǎng)度為60

22、0 mm，每搭接處上5套U型螺桿式卡纜，每節(jié)梁中部安裝強(qiáng)力拉板一套，使支護(hù)體發(fā)揮整體支護(hù)能力，棚距為800 mm。(4) 壁后充填充填材料為不含速凝劑的砂漿，初噴厚度為50 mm，復(fù)噴厚度為100 mm。4.2互補(bǔ)支護(hù)施工工藝互補(bǔ)控制支護(hù)的最佳支護(hù)效果，需要如下工藝為保障，即施加于錨桿的螺母預(yù)緊力矩要達(dá)到500 Nm以上，從而增加錨桿對(duì)圍巖的預(yù)應(yīng)力；U型鋼支架每節(jié)中部安裝強(qiáng)力拉板一套，使支護(hù)體系能夠發(fā)揮整體支護(hù)能力；施加于錨索上的預(yù)緊力矩要達(dá)到700 Nm以上，增加支護(hù)體系對(duì)深部巖層的預(yù)應(yīng)力9，10。5 互補(bǔ)支護(hù)方案的數(shù)值分析5.1數(shù)值模型的建立按照小康礦實(shí)際地質(zhì)條件，選取S2N8運(yùn)輸順槽巷道

23、其中60 m為研究對(duì)象，建立模型大小為60 m 60 m60 m，單元總數(shù)為98 880。其中煤與各巖層厚度分別是，頂板22 m，煤層8 m，底板30 m，數(shù)值模型網(wǎng)格如圖5所示。模型上邊界施加載荷10 MPa以模擬上覆巖層自重，其他3個(gè)邊界均為位移約束。模擬軟巖的力學(xué)行為過(guò)程中采用的材料本構(gòu)關(guān)系為應(yīng)變軟化模型，該模型建立在Mohr-Coulomb準(zhǔn)則基礎(chǔ)之上，與Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的區(qū)別是巖體巷道斷面煤層頂板圖5 數(shù)值模型網(wǎng)格立體圖Fig.5 Diagram of grid generation of numerical model強(qiáng)度達(dá)到峰值之后黏聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度、剪脹角都

24、有不同程度的降低1115，巖層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。表3 巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Physico-mechanical parameters of rocks strata巖層名稱重度/(kNm3)彈性模量/GPa黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/()剪脹角/()抗拉強(qiáng)度/MPa泊松比頂板24.336.32.2826.6120.530.12煤層13.635.82.3527.20.640.24底板22.428.81.5029.6121.300.135.2數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析(1) 圍巖位移場(chǎng)分析圖6給出了數(shù)值計(jì)算所得的互補(bǔ)支護(hù)方式圍巖(a) 水平位移場(chǎng)(b) 垂直位移場(chǎng)圖6 互補(bǔ)支護(hù)方式圍巖位移場(chǎng)等值線

25、圖(單位：m)Fig.6 Displacement contour map of surrounding rock under control of new support system(unit：m)位移等值線圖。計(jì)算結(jié)果顯示，頂板下沉量最大為36 mm，底臌量最大為90 mm，頂?shù)装逡平繛?26 mm。從水平位移場(chǎng)計(jì)算結(jié)果可知，兩幫收斂量只有52 mm。(2) 圍巖塑性圈分析圖7給出了互補(bǔ)支護(hù)和原始支護(hù)方式圍巖塑性圈數(shù)值計(jì)算云圖。圍巖塑性狀態(tài)無(wú)剪切破壞(當(dāng)前步)剪切破壞(先前步)剪切破壞(當(dāng)前步)剪切破壞(先前步)拉伸破壞(先前步)剪切破壞(先前步)剪切破壞(先前步)拉伸破壞(先前步)無(wú)

26、剪切破壞(當(dāng)前步)剪切破壞(先前步)剪切破壞(當(dāng)前步)剪切破壞(先前步)拉伸破壞(先前步)剪切破壞(先前步)剪切破壞(先前步)拉伸破壞(先前步)圍巖塑性狀態(tài)(a) 互補(bǔ)支護(hù)方式(b) 原始支護(hù)方式圖7 圍巖塑性圈數(shù)值計(jì)算云圖Fig.7 Numerical calculation nephogram of plastic ring of surrounding rock分析塑性圈范圍可知，原始支護(hù)方式塑性圈平均擴(kuò)展3 m，主要破壞形式為剪切和拉伸，互補(bǔ)支護(hù)塑性圈范圍只有1.2 m。圖7(a)顯示，互補(bǔ)支護(hù)巷道頂板圍巖幾乎沒(méi)有破壞，同時(shí)，為了控制嚴(yán)重的底臌現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了底角強(qiáng)力錨索和底板錨桿，而且施

27、加了一定的預(yù)緊力，計(jì)算結(jié)果顯示這種支護(hù)方式能夠有效控制底臌。6 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)及結(jié)果分析6.1工業(yè)試驗(yàn)地點(diǎn)確定由于小康礦S2N8綜放工作面軟巖特性十分明顯，所以選定S2N8運(yùn)輸順槽的1 2001 250 m為新型支護(hù)試驗(yàn)段，并做不間斷的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，如圖8所示?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容是巷道表面位移的變化規(guī)律。 巷道位置/m巷道位置/m新型支護(hù)試驗(yàn)段S2N8段綜放面設(shè)計(jì)采止線S2N8段綜放面回風(fēng)順槽運(yùn)輸中巷S2N8段綜放面運(yùn)輸順槽開(kāi)切眼(a) S2N8綜放面平面圖軌道中巷新型支護(hù)試驗(yàn)段設(shè)計(jì)采止線地層標(biāo)高/m回風(fēng)中巷運(yùn)輸中巷 巷道位置/m (b) S2N8運(yùn)輸順槽剖面圖圖8 互補(bǔ)支護(hù)試驗(yàn)段位置示意圖Fig.

28、8 Sketch of the new supporting system experimentalsection6.2巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果監(jiān)測(cè)的巷道表面位移測(cè)點(diǎn)1，5位于原支護(hù)巷道中，測(cè)點(diǎn)2，3，4位于互補(bǔ)控制新型支護(hù)試驗(yàn)段內(nèi)，內(nèi)容包括頂?shù)装逡平恳约皟蓭褪諗苛康谋O(jiān)測(cè)，以收斂或者移近量、速度以及加速度為指標(biāo)來(lái)衡量支護(hù)效果的穩(wěn)定與否。(1) 兩幫收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果分析圖911分別為兩幫收斂量、收斂速度以及收斂加速度的變化曲線，可以看出，監(jiān)測(cè)曲線明顯經(jīng)歷：掘進(jìn)、無(wú)采掘影響和采動(dòng)影響3個(gè)階段。兩幫收斂量/mm采動(dòng)影響階段無(wú)采掘影響階段掘進(jìn)階段測(cè)點(diǎn)1 測(cè)點(diǎn)2測(cè)點(diǎn)3測(cè)點(diǎn)4測(cè)點(diǎn)5 觀測(cè)時(shí)間/d圖9 兩幫收斂量

29、變化曲線Fig.9 Variation curves of convergence quantity curves of roadway walls測(cè)點(diǎn)1測(cè)點(diǎn)2測(cè)點(diǎn)3測(cè)點(diǎn)4測(cè)點(diǎn)5兩幫收斂速度/(mmd1)無(wú)采掘影響階段掘進(jìn)階段采動(dòng)影響階段觀測(cè)時(shí)間/d圖10 兩幫收斂速度變化曲線Fig.10 Variation curves of convergence rate of the roadway walls 兩幫收斂加速度/(mmd2)觀測(cè)時(shí)間/d兩幫收斂加速度/(mmd2)原始支護(hù)互補(bǔ)支護(hù) 觀測(cè)時(shí)間/d圖11 兩幫收斂加速度變化曲線Fig.11 Variation curves of conve

30、rgence acceleration of the roadway walls掘進(jìn)階段，原支護(hù)方式巷道兩幫平均收斂速度為1.20 mm/d，互補(bǔ)支護(hù)方式兩幫平均收斂速度為1.18 mm/d。回采階段，原支護(hù)方式兩幫平均收斂速度為9.35 mm/d，互補(bǔ)支護(hù)方式兩幫平均收斂速度為4.17 mm/d，相對(duì)原支護(hù)方式減小55.4%。需要特別指出的是，在工作面回采到監(jiān)測(cè)時(shí)間的155 d之后，互補(bǔ)支護(hù)方式巷道兩幫收斂量和收斂速度有明顯的穩(wěn)定趨勢(shì)，這個(gè)階段互補(bǔ)支護(hù)方式兩幫收斂速度相對(duì)原支護(hù)方式減小80.3%。眾所周之，加速度反映物體受力特點(diǎn)，針對(duì)軟巖巷道支護(hù)，加速度能體現(xiàn)支護(hù)阻力和圍巖壓力合力的變化趨勢(shì)

31、。由圖11可知，互補(bǔ)支護(hù)方式在巷道回采階段對(duì)圍巖變形的控制作用十分明顯，互補(bǔ)支護(hù)方式兩幫收斂加速度變化較原支護(hù)方式穩(wěn)定，而且有逐漸為零的趨勢(shì)，由此可知，U型鋼的高阻可縮性起到了較大作用，同時(shí)，這種支護(hù)特性與錨噴網(wǎng)互補(bǔ)使支護(hù)體系承載力能夠有效抵御來(lái)自圍巖的強(qiáng)烈變形，調(diào)動(dòng)了圍巖的承載能力。(2) 頂?shù)装逡平俣冉Y(jié)果分析圖1214分別為頂?shù)装逡平?、移近速度以及頂?shù)装逡平?mm采動(dòng)影響階段無(wú)采掘影響階段掘進(jìn)階段測(cè)點(diǎn)1測(cè)點(diǎn)2測(cè)點(diǎn)3測(cè)點(diǎn)4測(cè)點(diǎn)5 觀測(cè)時(shí)間/d圖12 頂?shù)装逡平孔兓€Fig.12 Variation curves of convergence quantity curve of th

32、e roof and floor測(cè)點(diǎn)1測(cè)點(diǎn)2測(cè)點(diǎn)3測(cè)點(diǎn)4測(cè)點(diǎn)5掘進(jìn)階段無(wú)采掘影響階段采動(dòng)影響階段頂?shù)装逡平俣?(mmd1) 觀測(cè)時(shí)間/d圖13 頂?shù)装逡平俣茸兓€Fig.13 Variation curves of convergence rate of the roof and floor觀測(cè)時(shí)間/d頂?shù)装逡平铀俣?(mmd2)頂?shù)装逡平铀俣?(mmd2)原始支護(hù)互補(bǔ)支護(hù)觀測(cè)時(shí)間/d圖14 頂?shù)装逡平铀俣茸兓€Fig.14 Variation curves of convergence acceleration of the roof and floor移近加速度變化曲線，其變

33、化過(guò)程同樣經(jīng)歷：掘進(jìn)、無(wú)采掘影響和采動(dòng)影響3個(gè)階段。掘進(jìn)階段，原支護(hù)方式頂?shù)装迤骄平俣葹?.23 mm/d，互補(bǔ)支護(hù)方式頂?shù)装迤骄平俣葹?.61 mm/d，相對(duì)于原支護(hù)方式減小26.0%，巷道基本上處于穩(wěn)定狀態(tài)?；夭呻A段，頂?shù)装逡平俣戎饾u增大，巷道斷面急劇縮小，支架變形折損也很嚴(yán)重。原支護(hù)方式頂?shù)装迤骄平俣葹?9.67 mm/d，互補(bǔ)支護(hù)方式頂?shù)装迤骄平俣葹?.43 mm/d，相對(duì)原支護(hù)方式減小57.1%。與兩幫收斂速度有同樣的特點(diǎn)，在工作面回采到155 d之后，互補(bǔ)支護(hù)方式巷道兩幫收斂量和收斂速度有明顯的穩(wěn)定趨勢(shì)，這個(gè)階段互補(bǔ)控制支護(hù)巷道兩幫收斂速度相對(duì)原支護(hù)方式減小51.

34、4%。由圖14中可知，互補(bǔ)支護(hù)方式巷道在掘進(jìn)階段和回采階段頂?shù)装逡平铀俣让黠@小于原支護(hù)方式，而且回采階段加速度有為0的趨勢(shì)，由此可知，互補(bǔ)支護(hù)方式全斷面支護(hù)體系能夠提供有效的支護(hù)阻力來(lái)控制圍巖變形，尤其底腳錨索和錨桿起到了預(yù)期效果。6.3超前工作面15 m處兩幫收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果圖15給出了超前工作面15 m處兩幫收斂量變化曲線，監(jiān)測(cè)歷經(jīng)15 d。兩幫收斂量/mm原始支護(hù)互補(bǔ)支護(hù) 觀測(cè)時(shí)間/d圖15 超前工作面15 m處兩幫收斂量變化曲線Fig.15 Convergence quantity curves of the roadway walls15 m forward the working f

35、ace由圖15可知，互補(bǔ)支護(hù)條件下，超前工作面15 m處兩幫平均收斂量比原支護(hù)條件下小87 mm，減小比例為49.5%。監(jiān)測(cè)期間，原支護(hù)兩幫收斂速度為14 mm/d，互補(bǔ)支護(hù)方式僅為6.3 mm/d，相對(duì)減小55%。由此可知，在工作面超前支護(hù)段內(nèi)，互補(bǔ)支護(hù)方式對(duì)圍巖的變形控制更加有效。7 結(jié) 論從支護(hù)體系的互補(bǔ)控制作用入手，分析了互補(bǔ)控制支護(hù)方式的特點(diǎn)，并結(jié)合小康礦軟巖巷道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得出如下結(jié)論：(1) 通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析了小康煤礦回采巷道圍巖失穩(wěn)的機(jī)制，指出原有支護(hù)系統(tǒng)變形不協(xié)調(diào)、支護(hù)阻力低和沒(méi)有發(fā)揮圍巖的承載能力是導(dǎo)致巷道破壞和支護(hù)失效的原因。(2) 從加固破碎巖體和提高支護(hù)阻力兩方面綜

36、合研究入手，本文提出了高強(qiáng)度、高預(yù)緊力錨網(wǎng)索配合U型鋼可縮支架的互補(bǔ)控制新型支護(hù)技術(shù)，錨網(wǎng)噴和U型鋼可縮支架在支護(hù)承載力、施工時(shí)間和工藝上的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而實(shí)現(xiàn)軟巖巷道的有效支護(hù)。(3) 結(jié)合鐵法礦業(yè)集團(tuán)小康礦現(xiàn)場(chǎng)條件，選定S2N8運(yùn)輸順槽為互補(bǔ)控制支護(hù)方式試驗(yàn)段。兩幫和頂?shù)装迨諗苛?、收斂速度以及收斂加速度監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，互補(bǔ)控制支護(hù)方式能夠達(dá)到提高圍巖強(qiáng)度和維持圍巖穩(wěn)定的目的。參考文獻(xiàn)(References)：姜耀東，趙毅鑫，劉文崗，等深部開(kāi)采中巷道底臌問(wèn)題的研究J. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(7)：2 3962 401.(JIANG Yaodong，ZHAO Yixin，LIU We

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