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松软复合型顶板巷道掘进顶板控制技术

2025-02-11 59 上传者：管理员

摘要：针对冶坪煤矿1308联巷松软复合型顶板的特性，通过对顶板层理结构分析和围岩松动圈状态的探测。依据巷道围岩松动圈支护理论，采用超前注浆加固与高预应力锚索支护相结合的顶板控制技术，有效解决了大松动圈易垮落顶板的掘进施工和支护难题。

关键词：
围岩松动圈
超前注浆
顶板控制
预应力锚索
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1、背景

冶坪煤矿设计生产能力120万t/a,位于陕西省铜川市耀州区庙湾镇｡所采煤层属于侏罗系中统延安组,含可采煤层2层｡编号为3#(相当于3-3#煤层)煤层､4-2#煤层,3#煤层为大部可采煤层赋存较稳定｡3#煤层伪顶由深灰色和灰黑色泥岩组成,厚度一般小于0.52m,岩性较松软､破碎,属极不稳定垮落岩层;直接顶由深灰色粉砂岩､深灰色和灰黑色泥岩及煤线组成,平均厚度14.36m,为软弱破碎的易冒落顶板;老顶由灰色和浅灰色中粒砂岩､深灰色和灰色粉砂岩组成,平均厚度14.55m,为半坚硬顶板,不易冒落｡

1308联巷设计位于井田西北部,与1308综采工作面外围巷道相连接,主要用于行人､通风,巷道断面为矩形,宽4.7m,高3.0m,掘进断面14.1m2,长度180m｡根据1308工作面外围巷道掘进期间煤岩层揭露情况来看,巷道不但受所处层位顶板垮落影响,还处于由南向北延伸的断层带内,断层区域内岩体结构复杂,岩石力学强度较低｡加之3#煤及其顶板层理发育,泥岩与煤线相互夹层,形成松散､破碎岩体,无任何完整性｡巷道开掘后岩体处于完全的松动破碎状态,黏聚力小,内摩擦力降低[1-2],松动圈逐步扩大,对作业人员的安全构成了极大的威胁,采用常规的掘进方式和支护技术已无法解决当前面临的难题,更不具备安全生产条件｡

2、巷道围岩松动圈支护理论

巷道围岩松动圈是指在地下工程施工中,围绕巷道周围的岩石或土层受到外界荷载作用或岩体内部应力变化而发生松动的区域,是巷道围岩的一种破坏形式[3-5],对巷道的稳定性和安全性具有重要影响｡松动圈支护理论就是研究和认识松动圈的形态和围岩变形特性,通过对现场实测和模拟等手段找出围岩松动圈综合指标,将松动圈的厚度作为巷道支护的依据,利用围岩松动圈内部的原岩应力､节理性质､岩体强度及施工环境对围岩稳定性的影响因素,选择合理的支护方式来控制围岩的弹塑变形｡

依据围岩松动圈状态,将围岩分成小､中､大松动圈三大类六小类,如表1所示｡

1308联巷施工现场状况表明,掘进开挖后围岩内部的应力遭到破坏,进行重新分布,岩体黏聚力急速弱化,内摩擦角也随之发生变化,导致层理发育的顶板失去自承力,迅速离层､破碎,随后岩体滑动､冒落｡采用围岩松动圈支护理论,先强化围岩的结构面,降低巷道开挖后二次应力对表体围岩面的损伤和剪切破坏,后采取主动支护的方式减小围岩变形的塑性状态,提高围岩的自承力,达到理想的支护效果,从而实现对巷道顶板的有效控制｡

表1围岩松动圈分类表

3、松软复合型顶板控制技术

3.1支护方式的选择

准确测定围岩松动圈范围是控制顶板,制定支护方案的依据｡冶坪煤矿1308联巷开掘前,经1308工作面外围巷道已揭露的围岩状况已基本可判定松动圈厚度,为确保数据的准确性,不但采用基点打孔的方式进行探测,还使用新型ssp地质雷达探测仪｡该仪器能将探测区域的内部情况和原始数据传回终端进行分析处理,精确快速辨别现场的地质构造,准确掌握围岩松动圈的范围｡

经多次探测分析,1308联巷伪顶为厚度0.5~0.8m极软型炭质泥岩,上覆岩层为3-2#､3-1#煤线与泥岩的相互夹层,厚度2.3~3.3m,围岩松软破碎,巷道开掘后自然垮落至直接顶顶部的砂岩层面｡故1308联巷围岩松动圈厚度超过3m,为大松动圈,属极不稳定围岩｡

针对1308联巷松软复合型顶板的特殊性,经反复论证后,决定采用超前注浆加固与高预应力锚索支护相结合的方式来控制顶板｡

3.2超前注浆加固顶板

巷道开挖前进行超前注浆的目的是针对308联巷复合型顶板松软､破碎,随掘随落的特点｡通过打孔注浆的方式对松动圈的围岩采取措施进行巩固,解决松动圈内围岩自然冒落的风险｡

为保证超前注浆效果,需要在试验过程中观察现场漏浆情况,测定围岩的渗透系数,然后推测浆液的扩散半径｡浆液扩散半径受浆液的黏稠度､围岩松散系数､注浆压力和施工工艺等因素影响[6-7],是注浆孔布置､注浆材料和设备选择的重要参考数据｡1308联巷巷宽4.7m,为保证两孔间注浆后浆液能相互交叉渗透,依据多次试验推测出的扩散半径分析后确定孔距为750mm｡注浆孔布置于巷道开掘处(即掘进工作面)正头顶部(见图1),延巷道正中心向两侧依次排列,与巷道顶板水平线呈30°夹角向上施工,每排7个,要求孔深不小于7.0m,确保注浆液体在松动圈内完全扩散｡

图1巷道注浆孔布置

考虑1308联巷是超前注浆,即注浆前没有直接揭露围岩,围岩内部结构没有出现大的变化｡从围岩的裂隙状况和浆液渗透性综合分析后,决定选用ZQJC-160/4.6气动架柱式钻机施工钻孔,设计孔径规格为准76mm;注浆压力按3~4MPa设定,选用2TGZ-120/105型双液调速高压注浆泵,该设备轻便灵活,注浆效率高,可根据现场施工状况调整排浆量和注浆压力,满足不同条件下对注浆压力的要求,使注浆工艺由繁变简｡材料选用矿用ZM双液速凝注浆粉状无机材料,分为A型和B型,现场使用时分别加水搅拌然后混合,30s~2min内便可凝结,3~5min完全固化,强度迅速增长,15min时强度达到10MPa以上,特别适用于1308联巷这种复合型松软､易破碎垮落顶板的注浆加固｡

3.3高预应力锚索支护

超前注浆初步将松动圈内破碎松散岩块胶结成整体,但该方式只能对顶板起到临时巩固的作用,并不能保证巷道开挖顶､帮围岩大面积裸露后仍处于长久稳定的状态｡1308联巷属典型的复合型顶板,且受断层构造影响,围岩的层理和节理发育,相互支撑能力差,极易出现承载层面整体断裂､垮落｡所以采取有效的支护手段,将超前注浆形成的初撑结构体与深部围岩的关键承载层相连,才能保证巷道的稳定性｡

通过对1308联巷巷道围岩松动圈围岩变形状态和应力变化分析,必须采用预应力支护技术来抵消松动圈内围岩的应力作用,通过积极主动的预紧方式来约束围岩的弹性变形状态,增加不连续面之间的摩擦力,防止巷道出现失稳垮塌[8-9]｡针对1308联巷大松动圈的特性,普通的锚杆､钢架等支护方式无法保证巷道的稳定性｡高预应力锚索能对支护体系施加一定的张力,分解和改变围岩的应力状态,防止围岩塑性变形区的扩大而导致超前注浆加固的松动圈破裂｡同时,锚索可以调动深部锚固层的原岩应力与自身预紧力相结合,作用于松动圈围岩次生承载层,通过悬吊､挤压的方式抑制围岩的变形和破坏,提高围岩的整体强度,从而保持顶板的完整性｡

(1)高预应力锚索参数选型设计

高预应力锚索具有高强度､低松弛的特点,1308联巷选用准17.8mm预应力钢绞线锚索,抗拉强度1860MPa,1000h松弛率为1.0%~2.5%,设计长度为9m,满足支护要求｡

锚索间距按0.9m执行,每排布置6根,可满足安全生产需求｡

(2)支护工艺

巷道帮､顶整体铺准6mm的HPB300钢筋网,网片规格1100mm×2000mm,网孔100mm×100mm｡顶部采用7股准17.8mm钢绞线预应力锚索支护,长9000mm,间排距900mm×1000mm,平行布置,每根使用5卷MSCKa2360型树脂药卷锚固,装配长×宽×厚=300mm×300mm×16mm的高强度碟形托盘｡帮部采用准20mm左旋无纵肋螺纹钢筋支护,长度2400mm,间排距700mm×1000mm,左右两帮各5根,沿巷道法线与锚索成排布置,每根使用3卷MSCKa2360型树脂药卷,配长×宽×厚=150mm×150mm×10mm的拱形高强度钢托盘,并安装准14mm圆钢焊作的5孔梯子钢梁,规格2800mm×100mm｡巷道支护断面,如图2所示｡

图2巷道支护断面示意图

4、劳动组织管理

1308联巷试验过程中尽量缩短各工序的衔接时间,具备安全条件下有序的组织平行作业｡通过不断地调整､优化劳动组织后决定,超前注浆与掘进施工和巷道支护按顺序进行｡根据矿用ZM双液速凝注浆材料的性能及围岩渗透性观测后,要求注浆凝固时间不低于4h,即注浆封孔4h后方可掘进施工｡为了提高掘进工效,巷道施工采用“三八”制作业,每天8点班进行设备检修､打孔注浆､敷设轨道延伸管线等工作｡4点班､零点班正常掘进支护,每小班3个循环,每循环1排锚索(进尺1.0m),每小班掘进进尺3.0m,可保证进尺6.0m/d｡

5、支护效果分析

超前注浆加固顶板后,巷道掘进过程中极少有顶板大面积垮落冒顶的现象发生,仅偶尔有局部块状的松动围岩,正常使用临时支护后不会对安全施工造成影响｡采用高预应力锚索永久支护后,巷道帮部因围岩结构相对完整,基本处于稳定状态,但巷道顶板具有明显的变化特征｡巷道顶板变形监测效果,如图3所示,从顶板下沉量变化曲线可以看出有阶段性特点,前20d松动圈内围岩作用较强烈,围岩应力开始释放,巷道顶部下沉量最大值可达150mm,后略有微弱的变化,随之逐步衰减,30d后巷道基本处于稳定状态｡

图3巷道顶板变形监测效果

6、结语

冶坪煤矿1308联巷掘进施工过程中针对复合型松软破碎顶板,通过对围岩松动圈的探查和观测,采用围岩松动圈支护理论,制定掘进施工方案和巷道支护设计｡在巷道开掘前利用超前注浆的方式有效控制顶板自然垮落的风险,降低掘进施工过程中的危险系数;选用高预应力锚索支护能充分调动深部围岩的力学性能,增强顶部围岩的整体抗压强度[8-9],保证巷道的整体稳定性｡有效地解决了松软､破碎､易垮落围岩的掘进施工和巷道支护难题｡

参考文献:

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文章来源:李泽文.松软复合型顶板巷道掘进顶板控制技术[J].煤炭技术,2025,44(02):11-14.