大埋深、高应力回采巷道支护技术

2014-11-28任依朴RENYipu刘要毫LIUYaohao李强LIQiang

价值工程 2014年26期

任依朴REN Yi-pu；刘要毫LIU Yao-hao；李强LI Qiang

（中平能化集团八矿，平顶山 467000）

（China Pingmei Shenma Energy Chemical Group No.8 Mine，Pingdingshan 467000，China）

0 引言

随着经济的不断发展，我国对能源的需求量不断增大，目前煤炭作为一种主要能源，为了满足社会需求，需要加大开采力煤炭的力度。目前，南非在采矿深度方面居世界首位，开采矿山的深度都在1500m 左右，最大深度超过4000m，根据设计要求最大深度将达5100m。在我国，矿区的开采通常情况下也经历着由浅到深过程，矿井开采深度逐年增加，平顶山矿区正在开采中的矿井，超过800m 的现在有4 处。

在开采煤矿的过程中，随着开采深度的不增加，将会伴随着严重的冲击地压、瓦斯等灾害的发生。并且，随着矿井开采向着纵深方向延伸，进而使得巷道断面不断增大，原岩应力与构造应力在一定程度上逐渐增强。对于具备硬岩变形破坏特征的工程岩体来说，随着开采深度的增加，进一步化为高应力软岩，使得岩体表现出高地压现象。随着矿井开采深度逐渐增加，巷道地质条件逐渐复杂，无论是围岩应力分布，还是矿压都会出现异常现象，在巷道掘进过程中，导致围岩急剧变形，同时在应力分布趋于稳定后依然保持流变，引发两帮移近和底鼓现象。

1 巷道概况

对于八矿己15-14140 机巷工作面来说，该工作面位于己四下延采区西翼最下部，东起采区上山，西至十二矿北山风井己组保护煤柱边界，南邻正在回采的己15－14120 采面，北部尚未开发。支护断面为斜梯形断面（4.6m×3.0m），设计长度为1383m 现已施工110m。该工作面埋深在800m 左右，工作面瓦斯压力1.8MPa，瓦斯含量22.0m3/t，按照高突危险工作面进行装备和管理。根据钻孔资料，同时对揭露己15 煤层进行分析，该工作面的煤层厚度3.4～3.85m，平均3.6m，在构造区域存在变薄的情况。煤层倾角17～28°，平均为22°，同时呈现出西缓东陡的态势。根据现有揭露资料分析，预计巷道在施工至里程200m-300m 区段煤层顶板倾角将有所变大（巷道起坡）。预计在正常掘进过程中不会遇到大的地质构造影响掘进。采面水文地质条件简单，煤层顶板中粗粒砂岩含水层裂隙发育，赋水程度中等。预计该面正常涌水量2～3m3/h，最大5m3/h。

2 主动与被动联合支护技术

根据巷道顶底板岩层的不同属性，依据已施工巷道的地压规律分析入手，使支护体系和施工工艺过程与围岩变形的活动状态彼此相互适用，进而对围岩变形进行控制，确保巷道的稳定性。巷道开挖围岩暴露后，立即进行第一次支护，采用锚杆索梁挂网的方式对帮顶进行直接封闭，尽可能减少围岩强度损失，防止出现有害的松散状态，待施工过一段时间后再套棚支护。

2.1 锚网索梁联合主动支护技术对围岩进行主动加固这是锚杆支护的主要作用。安装完毕锚杆后，即可为围岩提供相应的支护阻力，随着围岩的变形，其支护阻力不断增加。

荷载体在围岩自承能力锚杆支护锚固系统的作用下，将会转变为承载体，在锚杆的作用下，向围岩提供轴向和横向的支护阻力，在这种情况下，托盘、梯子梁、金属网、锚固剂等将会共同作用，从而改善巷道的维护状况，减少巷道变形量；通过锚索调动深部稳定岩体的自称能力，形成支护系统的统一体。

2.1.1 锚杆选项计算

①按悬吊理论计算

1）锚杆长度L：

式中：

L1、L2、L3分别代表锚杆外露长度、软弱岩层厚度（该厚度根据柱状图确定，单位mm）、锚杆伸入稳定岩层深度（该厚度通常超过300mm）。

2）锚固力N：根据锚杆杆体的屈服载荷对锚固力N 进行计算：

式中：

σ屈、d 分别代表杆体材料的屈服极限（单位MPa）、杆体直径。

3）锚杆间排距：D≤1/2L=0.5×1.85=0.925

锚杆排距L0=Nn/2kraL2=8×105×103/2×3×24×103×1.8×1.5=2.16m

式中：

N、k、r、a 分别代表每排锚杆根数、安全系数（取2-3）、上覆岩层平均容重（取24kN/m3）、1/2 巷道掘进宽度（单位m）。

②根据组合梁原理计算

1）锚杆长度

L：L=L1+L2+L3=0.05+1.583+0.5=2.13m

式中：

L1、L3、L2分代表锚杆外露长度、锚固端长度、组合梁自撑厚度，其单位m。

K1、P、ψ 分别代表与施工方法有关的安全系数（掘进机掘进2-3、爆破法掘进3-5、巷道受动压影响5-6）、组合梁自重均布载荷（单位MPa）、与组合梁层数有关的系数。

组合层数：1 2 3 ≥4

ψ 值：1.0 0.75 0.7 0.65

B、σ1、σx分别代表巷道跨度（单位m）、最上一层岩层抗拉计算强度（通常情况下为试验强度的0.3-0.4 倍，单位MPa，实验强度为46kg/cm2）、原岩水平应力（σx=λrzMPa，其中：λ 为侧压力系数，一般为0.25-0.4，=0.4×24×805=0.007728MPa，z—巷道埋深m）。

2）锚杆间距：以上所选锚杆长度，还需验算组合梁各层间不发生相对滑动，并保证最下面一层岩层的稳定性。

式中：

m1、K、P、r1分别代表最下面一层岩层的厚度（单位m）、安全系数（取8-10）、本层自重均布荷载（P=r1m1，单位MPa）、最下面一层岩层的容重（单位kN/m3）。

③锚杆的锚固长度按下式计算：

式中：L——树脂卷长度，mm；L0——锚固长度，mm；R——钻孔半径，26mm；R1——树脂卷半径，17.5mm；R2——锚杆半径，10mm。

2.1.2 锚索选型计算

①锚固长度La

La≥fst/πfcsd1=（1870/3.14×10MPa）×17.8mm=1060mm

式中：d1、fst、fcs分别代表锚索钢绞线之径（单位mm）、钢绞线抗拉强度（单位MPa）、锚索与锚固剂的设计粘接强度（通常按10MPa 计算）。

②锚索间排距

L/S≥2 即S≤L/2=6000/2=3000mm

式中：L、S 分别代表锚索孔深度、锚索间距。

③锚索锚固力P

P1≥P≥P1/K 或P2/K P≥P1/K=400/2=200kN

式中：P、P1、P2、K 分别代表设计锚索锚固力200kN、锚固段锚固剂与孔壁的粘结力（单位kN）、锚固段锚固剂与钢绞线的粘结力400kN、安全系数（取2）。

2.1.3 支护参数选取

综以上计算分析，根据工程类比法进一步确定控制技术方案。采用锚网梁索对顶板进行支护，采用Φ20×2200mm 左旋高强预应力锚杆，Φ4mm 冷拨丝金属网，网格规格为40mm×40mm，采用Φ20×2000 等强锚杆对两帮进行处理。

2.2 36u 拱缩型棚子被动支护

巷道开挖采用锚网索梁主动支护后，围岩原有应力达到新的平衡状态，在短时间内巷道帮顶是稳定的，但随着时间的推移及帮顶后期来压仍会出现一系列的问题（顶板下沉、底板鼓起、两帮位移等）。此时再采用36u 拱缩棚的支撑力及围岩自身的支撑力来抗衡围岩压力，以达到新的应力平衡状态，在强度和刚度方面，为巷道围岩提供最终的支护，确保巷道的稳定性和安全性。