牛兒莊煤礦巷道支護設計

牛兒莊煤礦巷道支護設計

牛兒莊煤礦是設計生產(chǎn)能力為0.8噸的中型煤礦。通過野外斜井體工程，立井位置為200m。礦井分3個水平開采,淺部一、二水平回采已接近尾聲,現(xiàn)主要開采三水平(-400m)。三水平埋深已達600余m,屬深部高應力礦井。礦井各類巷道目前主要采用料石砌碹及錨噴支護,這些支護方式在一、二水平淺部開拓中發(fā)揮了積極作用。但進入三水平開拓以來,由于深部高地應力及構(gòu)造應力的作用,且一些巷道處于松散破碎的巖層中,巷道產(chǎn)生了嚴重的變形破壞,尤其是三水平回風下山等巷道破壞尤為突出。為了弄清巷道變形破壞原因,以便采取合理的支護方式防治巷道破壞,對三水平深部高應力松散破碎圍巖巷道的維護狀況進行了調(diào)查分析,在此基礎上,根據(jù)高應力松散破碎圍巖巷道的特點,提出了各類巷道支護技術方案,并在井下試驗應用,取得了較好的效果。1道路的圍巖力學性質(zhì)和道路的破壞機制11.1巷道圍巖強度三水平回風下山等巷道主要穿過大煤(2號煤)～野青煤(4號煤)頂?shù)装宓姆邸⒓毶皫r地層,其圍巖力學性質(zhì)見附表。由附表可以看出,大煤(2號煤)及其頂?shù)装鍘r石的強度相對較低,對處于其中的巷道穩(wěn)定性影響較大,不利于巷道的長期穩(wěn)定;而野青煤(4號煤)頂?shù)装鍘r石的強度相對較高,但從取樣過程來看,巖樣取芯率較低,巖層的整體性相對較差,巖體內(nèi)裂隙十分發(fā)育,且野青煤煤體本身極其破碎,整體性差,強度也極低,只有4.5MPa,因此極易造成處于其中的巷道發(fā)生變形破壞。1.2巷道破壞原因針對牛兒莊煤礦高應力巷道的破壞狀況,經(jīng)分析認為,影響巷道穩(wěn)定的因素主要包括以下幾個方面:(1)巖性的差異。巖性的差異對巷道的穩(wěn)定性影響極大,支護實踐表明,當巷道處于中砂巖及灰?guī)r中時,無論是否經(jīng)受動壓作用,均處于穩(wěn)定狀態(tài);而處于大煤(2號煤)附近的巖層中時,因其圍巖強度(13.4～24.9MPa)較上部的中砂巖強度(73.0MPa)低得多,圍巖自穩(wěn)能力差,巷道一旦經(jīng)受動壓作用,即產(chǎn)生嚴重的變形破壞。(2)構(gòu)造應力。構(gòu)造應力加劇了巷道的破壞。三水平下山穿過幾10條大小斷層及派生斷層,使得圍巖裂隙極其發(fā)育,而裂隙發(fā)育又加劇了圍巖的風化,增強了導水性,加大了作用在支護結(jié)構(gòu)上的松散壓力和變形壓力,導致圍巖塑性區(qū)范圍的擴大,使圍巖產(chǎn)生泥化和流變現(xiàn)象,引起巷道底鼓、兩幫內(nèi)擠和頂板下沉,最終導致整個支護結(jié)構(gòu)的全面破壞。(3)動壓及高應力。動壓及高應力是造成巷道破壞的主要因素。三水平巷道埋深達500～600m,在靜壓作用下,其垂直主應力為σ=γH=12.5～15.0MPa式中:γ為巷道上覆巖層平均容重,γ=25kN/m3;H為巷道埋深,H=500～600m。而大煤(2號煤)附近圍巖的抗壓強度Rc=23.6～24.9MPa,其圍巖穩(wěn)定性系數(shù)為S=γH/Rc≈0.50～0.64>0.4～0.5很明顯,在靜壓作用下,巷道不能保持穩(wěn)定;而回采期間的動壓系數(shù)達1.5～2.0,此時S=0.75～1.28,明顯大于0.4～0.5,巷道也不能保持穩(wěn)定。可見,動靜壓的作用都將引起巷道的變形破壞。野青煤(4號煤)附近的圍巖抗壓強度Rc=26.4～46.9MPa,其圍巖穩(wěn)定性系數(shù)S≈0.27～0.57,動壓期間S≈0.41～1.14?？梢?大部分巖層中的巷道在動靜壓的作用下均處于不穩(wěn)定狀態(tài),需要采取各種加固措施,以提高軟弱圍巖的整體強度,改善圍巖的力學性能,確保巷道圍巖的穩(wěn)定。2巷道支護方案針對牛兒莊煤礦高應力巷道破壞狀況,經(jīng)分析認為,合理的巷道支護方案從支護方式上分為兩大類:一類是錨注預加固聯(lián)合支護方案,其中包括全斷面預加固,全斷面返修、預加固等;另一類是錨噴注聯(lián)合支護。2.1錨注入方案和聯(lián)合防護(1)巷道斷面現(xiàn)狀三水平下山中未破壞段和局部破壞段及二水平三角墻等處,原采用料石砌碹支護,目前巷道斷面仍能滿足要求,但后期仍將承受動壓作用。其維護加固方案為全斷面采前預加固,即首先噴漿封閉料石碹體裂隙,并布置短管進行壁后注漿充填,然后全斷面布置注漿錨桿及樹脂錨桿,對圍巖進行注漿加固。(2)全斷面返修、預加固方案三水平下山中變形破壞嚴重、斷面不能滿足要求的部分,因多次破壞和修復,碹體壁后空頂嚴重,采用全斷面返修、預加固方案,即首先刷大巷道斷面,采用料石重新砌碹,并在巷道頂幫布置短管進行壁后注漿充填;動壓作用前,再全斷面布置注漿錨桿,進行圍巖的深部注漿加固,以形成料石碹體、注漿錨桿、漿液加固后的圍巖共同作用的碹錨注聯(lián)合支護結(jié)構(gòu)。2.2失穩(wěn)破壞情況三水平十盤區(qū)巷道埋深600余m,屬高應力巷道,原采用1.5m長縫管錨桿錨噴支護,由于支護參數(shù)與圍巖特性不匹配,致使巷道施工后不久便在高應力的作用下失穩(wěn)破壞。針對此類錨噴巷道的破壞狀況,提出了錨網(wǎng)帶噴注聯(lián)合支護方案。即對新開掘巷道,調(diào)整支護參數(shù),改錨桿為2.0m長樹脂錨桿,并掛金屬網(wǎng)、鋼筋帶和噴漿,形成錨網(wǎng)帶噴初次支護;滯后工作面30～40d再采用注漿錨桿注漿加固,完成二次支護。對已施工的錨噴巷道,根據(jù)巷道的穩(wěn)定狀況,補打注漿錨桿,進行注漿補強加固。3錨注預加固方案下面重點介紹采前預加固支護方案在三水平回風下山中的試驗及應用情況。三水平回風下山采用料石砌碹支護,由于受多次采動影響,該下山不同區(qū)段料石碹體發(fā)生了多次破壞,進行了多次返修,返修中又發(fā)生多次冒頂,造成修復后的碹體壁后空頂嚴重,兩幫圍巖極其松散破碎。外52804和外52805下兩普采面的開采,必將對三片口以上300余m范圍內(nèi)的下山巷道造成嚴重破壞,因此需對其進行采前預加固處理。根據(jù)目前下山維護狀況,決定采用錨注預加固聯(lián)合支護方案,即在原料石砌碹基礎上,首先噴漿封閉碹體,并布置短管進行壁后注漿充填;然后在巷道頂幫布置注漿錨桿與樹脂錨桿(二者隔排布置),對深部圍巖進行注漿加固,底角布置底角注漿錨桿,以利漿液擴散至底板巖層中,防止底鼓(見圖1)。注漿錨桿規(guī)格為M22×2000mm,樹脂錨桿規(guī)格為?16mm×2000mm,錨桿間排距均為1.0m×2.0m;采用水泥?水玻璃漿液,水灰比0.8,注漿壓力1.0～1.5MPa。回風下山碹體錨注前后進行了圍巖松動圈測試,測試結(jié)果見圖2。由圖2可看出,圍巖淺部經(jīng)過壁后充填注漿后,波速有所提高,但其波速相對較低,平均只有1.5×103m·s-1左右,說明壁后注漿充填對提高圍巖整體性及巖體強度有一定作用,但圍巖仍處于松散狀態(tài);圍巖深部錨注加固且經(jīng)受動壓作用后,圍巖波速明顯提高,一般均大于2.0×103m·s-1?？梢?錨注加固明顯提