二次支护在软岩巷道中的应用

2013-01-27颜亚民李士东

中国矿业 2013年1期

关键词：槽钢软岩锚索

颜亚民，李士东

（山东裕隆矿业集团有限公司单家村煤矿，山东济宁273100）

1 矿井基本情况

山东裕隆矿业集团有限公司单家村煤矿设计生产能力21万t，1990年10月矿井正式投产，2006年对矿井生产系统进行了改造，并改进生产工艺，采用了综合机械化放顶煤新工艺。于2008年批准核定生产能力为81万t／a。

该矿井属低瓦斯矿井，矿井相对涌出量为0.43m3／T，绝对涌出量为0.64m3／min，无高瓦斯区，煤尘爆炸指数为39.6%，具有强爆炸性，煤层自然发火倾向为自然类。

矿井为一对立井开拓，主井装备一对4.2t箕斗，提煤兼回风；副井装备一对双层2车（1t矿车）罐笼，担负矿井辅助提升任务兼进风。

采煤方法为走向长壁综采放顶煤开采，全垮落法管理顶板。

掘进采用炮掘工艺，开拓与准备巷道一般采用锚网喷支护，回采巷道一般采用锚网索支护。

2 巷道开拓情况

八采区作为矿井的接续采区，八采区的皮带大巷和轨道大巷为全矿开拓重点，巷道采用锚网索喷支护，锚杆采用Φ18mm×1800mm的无纵筋螺旋钢筋，间、排距均为800mm，锚固力为8.5T；锚索采用Φ15.24mm×5000mm的规格，中－中1.3m，排拒5m，锚固力28MPa；采用长×宽：3.5m×0.9m的菱形镀锌金属网；喷浆厚度10cm，强度c20。两条大巷自2009年10月份开拓以来，由于受地质条件的影响，软岩性质表现非常突出，地应力显现明显。该区域围岩压力大、稳定性差，造成巷道严重变形，采用锚网喷支护方式的巷道在二个月左右的时间里，断面由原来的11.4m2缩小到5～8m2不等。两条软岩巷道的变形主要表现在顶板下沉量较大，两帮收缩、片帮、底鼓严重，墙基础失脚，喷浆表面开裂，围岩整体向巷道内膨胀，部分锚索被拉坏。巷道的变形严重影响到运输、通风、行人问题，在修复时也尝试采用加大锚杆长度和支护密度的办法，只能暂时减缓巷道的变形速度，但一直未根本解决巷道变形严重的问题。因此寻找更合理的支护方式已成为迫在眉睫的事情。

3 围岩概况

八采区两条巷道设计均为岩巷，围岩多为灰及灰白色的泥岩，呈半胶结或松散状易风化，遇水膨胀；间夹中粗粒砂岩，偶见坚硬的石灰岩，岩石层理不清晰且变化较大。巷道在断层发育带内掘进，其中sdf17断层落差80～240m，sdf17－1断层落差约40m，在掘进过程中揭露大小不等的断层有6个，由于该区域地质构造复杂，尤其是断层的发育，造成巷道支护困难。

4 软岩破坏机理和锚网喷支护分析

4.1 软岩的特点

八采巷道围岩中，岩石的膨胀和崩解主要是松软岩石所表现的特征。巷道开掘一段时间后，岩石经不同程度风化及底板浸水，围岩体积增大，围岩膨胀变形造成支护变形破坏，当围岩的塑性区大于锚杆的锚固范围，锚杆相对而言失去作用，此时岩石及上覆岩层的重量大于锚杆锚固及围岩共同支撑作用而出现巷道的变形。锚固层也随之出现开裂破坏。相应的引起压力增大，挤压巷道，造成巷道破坏变形，同时造成锚索也被拉坏或锚索梁脱落。

综上所述，采用单独的锚网索喷支护或加大锚杆密度的方法来控制软岩支护是不合理的。

在频繁修复中发现，这种膨胀软岩底板及巷道底脚是最薄弱环节，巷道破坏都是首先在底板上失稳，造成巷道底脚快速移近，随即帮和拱失稳。特别当巷道封闭慢及底板有水时，巷道变形表现的尤为突出。

5 软岩支护工艺

根据本区域地质条件复杂和巷道变形破坏的机理，经过分析决定对该两条巷道采用二次支护工艺，一次支护方式采用打锚杆挂网喷浆，二次支护进行全断面槽钢支护加打锚索并浇灌底板。

5.1 二次支护技术的特点

采用 “二次支护”，一次支护的目的是及时封闭和隔离围岩，以防止巷道周边悬露面上个别危石掉落，同时对围岩初期移动给以一定限制，因此一次支护应在开巷后尽早进行。但是一次支护并不能使 “支架－围岩”系统达到力学平衡，因此，一次支护后围岩必然产生一定变形，以便继续释放一些能量。等围岩变形和能量释放到一定程度后在进行二次支护。二次支护的目的在于促进围岩进一步趋于平衡，以保证巷道使用期间的稳定性和工作安全。所以二次支护应在初次支护尚未失效、围岩尚未达到极限允许位移量和围岩移动速度的合适时间进行[1]。

5.2 支护设计

一次支护同巷道掘进时的正常锚网喷支护，但为了及时封闭岩石，减少岩石的风化时间，放炮后首先对围岩进行初喷，喷厚30cm。

待巷道发生一定变形，围岩尚未失稳时，对巷道进行二次支护，二次支护的设计如下：

墙及顶部：①锚喷支架联合支护，支架为矿加工的槽钢（不低于14＃）U型支架。②U型架由4部分组成，分别为两帮、拱部两段，U型架本身带有锚杆间排距孔，留孔的作用为稳固U型架并紧贴岩面，加强岩巷内支护。帮部每根长度为1.7m，拱部每段长度为3.05m，接头处由两块长200mm钢板焊接并采用Φ16mm的螺栓连接、组合、固定。③施工过程中将锚杆镶嵌在U型架孔内，锚杆使用Φ18mm×2200mm，锚杆间排距为800mm×800mm；药卷使用2支（K2860或CKA2370）。④锚杆安装后，锚杆锚固力不低于8.5T，外露长度为30～50mm。⑤锚索支护时，每3m一组，一组共6棵锚索，锚索规格为Φ15.24mm×6000mm，采用圆托盘，规格为：Φ250mm。

底板：①在轨道巷施工中，底板起底为弧形，垂距85cm，底板部分采用不低于14＃槽钢加工的拱形支架，共分两段，每段槽钢支架拱的长度为2.2m，两段槽钢支架接头处由两块长20mm钢板焊接并采用Φ16mm的螺栓连接、组合、固定（拱形支架整体总长度为4.4m）。②拱形支架安装时，必须与顶板U型支架逐个相对应，并紧跟顶板U型支架施工，确保支架有效、可靠。③拱形支架带有锚杆孔，孔间距为800mm，支架与支架之间距离为800mm，支架位于一次支护的两排锚杆之间。④施工过程中将锚杆镶嵌在拱形支架孔内，锚杆使用Φ18mm×1200mm，锚杆间排距为800mm×800mm；药卷使用1支（K2860或CKA2370）。两段槽钢支架连接处偏两边200mm处各打设一棵锚杆，在这两棵锚杆基础上按800mm×800mm的间距继续向两边打设锚杆，锚杆数共6棵。底板充填标准。①基础以下挖空处进行充填浇灌，浇灌混凝土比例为：灰∶石子∶沙子＝1∶2∶2。②充填时，中间不得有空隙造成充填不实，严禁出现拌料不均等现象。③充填时，在人行道侧将水沟按照规定的标准尺寸进行挖设、浇灌，水沟浇灌后断面为S净宽×S净深：300mm×400mm，确保水沟顺直、畅通。水沟中心线偏巷道中心线1.3m。

二次支护效果：为检验二次支护的效果，在巷道中共设巷道移近量观察点10个，每个点都观测巷道顶底板移近量和两帮移近量，通过半年多的观测，巷道移近量大大减少，断面变化基本控制在15%以内，且随时间的增加逐渐趋于稳定，说明二次支护的效果是显著的，方案是可行的。

6 工程技术措施及建议

在二次支护施工中，需要注意以下几个方面：①在迎头放炮后，要及时进行初喷，缩短岩石在空气中的暴露时间，相应减少岩石风化时间；②施工中出现的积水要及时排出，尽量防止水渗入底板，以免岩石膨胀；③巷道两地脚的支护和封闭是关键，施工中，墙上的槽钢与底板的槽钢要保持接触，槽钢后面要浇灌严实；两墙最下面的锚索打设时向下带有一定角度；④为合理确定二次支护时间，观测点安设位置处两次支护的时间间隔也有所不同，通过观测点数据的反映，在一次支护后30～40d进行二次支护是较为合理的时间，能够充分发挥两次支护的作用。