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试述软岩大变形巷道锚网索联合支护技术实践

2020-09-16 118 上传者：管理员

摘要：针对孟家窑煤矿软岩巷道变形破坏、难支护现象,通过实地勘察分析了巷道变形破坏特征,总结出导致巷道变形破坏的主要原因是松动圈大、围岩性质及不协调的支护体系,通过优化支护布置方式、增设锚网和地锚的手段形成锚网索联合支护方案。现场工业性试验结果表明:采用锚网索联合支护后,围岩变形量显著减小且未表现出持续的变形趋势,满足巷道使用要求。

关键词：
巷道支护
支护体系
矿业工程
软岩巷道
锚网索
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煤炭回采过程中,软岩巷道常伴随着持续大变形和难支护等问题[1],两帮移近和底鼓问题明显,严重制约了工作面生产,巷道需多次返修导致维护费用提高[2],且对支护技术有较高要求。为解决软岩巷道难支护问题,多数学者通过提高支护强度达到削弱围岩变形的目的[3]。本文针对孟家窑煤矿软岩巷道的大变形破坏现象,采用锚网索联合支护技术实现对软岩大变形巷道长效控制。

1、工程概况

孟家窑煤矿11505工作面开采5号煤层,煤层平均厚度4.1m,倾角18～30°,埋深约400m,工作面为一单斜构造。煤层内部裂隙发育,直接顶和直接底均主要由泥岩、砂质泥岩和粉砂岩构成,强度较低承载性差;老顶和老底以中、细粒砂岩为主,属半坚硬类岩石。顶底板详细参数见表1。运输巷设计长度为1258m,断面形式为5.2m×3.1m的矩形断面。在原支护设计下,巷道表现出持续的大变形现象,返修后短时间内易再次发生,给工作面的正常生产带来了严重影响。

表1顶底板岩

2、巷道变形破坏特征及影响因素分析

为对11505工作面运输巷采取针对性围岩控制措施,通过对目标巷道现场勘测,对原有支护方案和变形破坏特性进行分析,确定了引起巷道变形破坏的影响因素。

2.1变形破坏特征

如图1所示,11505工作面运输巷原支护方案采用常规锚杆索组合支护的方式,顶板按间排距0.94m×0.9m布置规格为D20mm×2200mm的高强螺纹钢锚杆,配合以间排距为2.0m×2.7m对称布置D15.24mm×7300mm的锚索,两帮则选用D18mm×2000mm的圆钢麻花头锚杆,按间排距0.85m×0.9m进行布置。在实地勘测中,巷道围岩变形明显,尤其是底鼓现象严重,在巷道两帮岩体呈现高度破碎状态,尤其顶角破坏严重,同时可发现支护体系存在许多锚杆索内断及顶板锚杆脱落现象,可判断支护体系已经失效。

2.2变形破坏原因

1)围岩松动圈大。

为了更直观了解巷道破坏范围,在勘察中借助围岩松动圈探测仪进行了检测,测试结果见表2。

表2松动圈测试结果

表2为选取的3个断面测试结果,由表2可知,多数测点的松动圈范围超过了1.6m,围岩松动破坏较大,同时考虑施工中存在支护不到位导致支护效果不能发挥出来,这也是现场发现许多锚杆拉伸脱落的原因。

图1原支护方案布置(mm)

2)巷道围岩性质影响。

11505运输巷整体处于煤层内部,且顶底板以泥岩等软岩为主,巷道围岩本身在地应力条件下易呈现出一系列破碎、松散等流变特性,导致在巷道开挖后破碎程度加剧,岩层强度和整体性随之降低,围岩自身承载性能变差,开挖后在应力场二次平衡过程中不易稳定,且在返修后仍表现为反复且持续的变形破坏现象。

3)支护体系不协调。

原支护属于刚性支护,未能给软岩巷道留有足够的能量释放空间,因而表现出较强的不适应性。另外锚杆索布置忽略了帮角和底板的影响,造成巷道受力不均,使这些部位成为应力释放的主要方向,任一关键部位的率先破坏进一步诱发整体支护结构失效。况且在两锚杆之间没有限制围岩变形结构,在破碎程度较高的软岩巷道中锚杆索的约束效果无法得到体现,使围岩受力结构不完善,表现为持续的变形趋势。

3、支护优化设计

3.1优化设计方案

考虑原支护体系下巷道变形特征和影响因素,提出采用“锚杆+锚索+锚网”联合支护方式,使围岩与支护体系协调统一,充分发挥支护效果。

1)优化锚杆索布置。

联合支护方案仍以锚杆索为主要支护手段,其布置方式影响着巷道受力状态,首先重新评估地质状况重新计算锚杆索间排距,同时考虑顶角为施加支护导致受力不均的影响,将顶角处的锚杆和锚索向外侧偏转加固帮角,改善围岩应力分布。

2)锚网支护。

在两帮和顶板铺设锚网,限制巷道围岩表面位移,将锚杆索对围岩的约束力扩散至整个巷道表面,改善围岩表面受力效果同时防止破碎岩体的垮落。

3)地锚支护。

通过增设地锚,使巷道具有一个完整的支护体系,抵抗应力在底板部位释放的同时改善围岩整体受力分布效果。

3.2优化支护参数

1)锚杆支护参数。

锚杆均选用D22mm×2200mm的高强度螺纹钢锚杆,顶锚杆和帮锚杆的间排距分别为0.9m×1.0m和0.8m×1.0m,最外侧顶锚杆距巷帮350mm,并向巷帮偏转20°,最外侧帮锚杆距顶底板各350mm,并分别向顶底板方向偏转20°,地锚按间排距1.8m×2.0m对称布置两根,各距煤帮1700mm并向外偏转20°。

2)锚索支护参数。

顶板按间排距1800mm×3000mm,对称布置两根规格为D15.24mm×6300mm的锚索,施加150kN预紧力,钻孔深度为6000mm,并使锚索分别向煤帮偏转20°,锚索托盘采用长×宽×厚=300mm×300mm×14mm的刚托板。

3)锚网支护参数。

顶锚网采用D6.5mm的钢筋焊接成网片尺寸为长×宽=5200mm×1000mm的网片,网孔尺寸留置为120mm×120mm,网片搭接100mm且每间隔200mm联网两道;帮锚网则采用D4.0mm铅丝编织成网孔尺寸为50mm×50mm、网片长×宽=3000mm×1000mm的菱形金属网,网片间搭接100mm,每间隔200mm联网两道,另外还需保持帮部与顶板锚网的对接。

支护示意如图2所示。

图2锚网索联合支护方案布置(mm)

4、现场试验效果分析

为了验证锚网索联合支护效果的可靠性,在100m试验区段巷道上,间隔25m布置四个围岩表面位移测站,对运用锚网索联合支护条件下巷道变形情况进行跟踪监测,监测结果如图3所示。

图3巷道围岩变形时程曲线

由图3可知,在支护后约15d范围内,巷道表面变形量迅速增加,变形量占总变形量的80%左右,在支护15～20d范围内,巷道变形量缓慢增加并逐渐趋于稳定,分析可知此时间段内锚网索支护体系开始逐渐生效,提高了围岩的承载能力,此阶段围岩变形量占总变形量的14%左右,在支护20d后,巷道围岩基本停止变形。最终变形量为顶板65mm,底板55mm,两帮移近量76mm,巷道围岩变形得到有效控制。

参考文献：

[1]郭萌.深井软岩回采巷道变形失稳机理研究[D].太原:太原理工大学,2019.

[2]张利子.软岩巷道支护技术研究与应用研究[J].装备维修技术,2019(4):44.

[3]韩连昌.高应力大变形软岩巷道复合支护技术研究与应用[D].贵阳:贵州大学,2019.

李刚.软岩大变形巷道锚网索联合支护技术应用[J].煤,2020,29(09):69-70+113.