深部软岩巷道支护技术分析

2019-07-13蒋金虎

探索科学(学术版) 2019年5期

蒋金虎

开滦(集团)有限责任公司唐山矿业分公司河北唐山 063500

煤炭是现代工业生产所依赖的基础性能源,随着近年来我国工业化进程的加快,对煤炭资源的开采力度也在不断加大,浅层煤炭资源储量已经很少,许多矿井不得不增加开采的深度,采掘大埋深的煤炭资源。大采深矿井最大的特点就是矿压大,地质条件复杂,支护难度大,特别是对于深部软岩巷道的支护,一直是近年来煤矿技术工作者研究的重点。软围岩强度和稳定性较差,在开采扰动和较大的矿压作用下易发生变形和破碎,巷道维护工作量很大,对深井煤矿开采带来了很大影响。生产实践证明,对于大采深软岩巷道,某种单一的支护方式是难以起到有效支护作用的。对此应采取“锚、网、索、喷”联合支护的方式,以维持大埋深巷道掘进软围岩的稳定。

1 软岩巷道的特征与分类

软岩是地质岩体的中的一部分,是特定环境下的具有显著塑性变形的复杂岩石力学介质,通常抗压强度σc＜20MPa的岩层可定义为软岩。按照软岩的自然特性和工程力学作用下的变形机理,软岩可分为以下几类：即节理化软岩、高应力软岩、膨胀性软岩和复合型软岩。相比于硬岩,软岩具有更强的可塑性、膨胀性、崩解性、流变性和易扰动性特征,软岩不仅质地松软、强度低,而且易于受到风、水、开采扰动等因素的影响而发生软化、膨胀、裂隙和变形,物理特性不稳定。软岩的以上特性给软岩巷道的掘进和支护带来了很大的困难,特别是在大采深、高地应力的作用下,巷道围岩易产生失稳变形,掘进期间易出现冒顶和片帮。

2 软岩巷道的支护对策

①优化巷道位置,通过地质勘探掌握区域地质构造和岩体力学性质,尽量避开构造带、软岩区间和高应力区;

②合理选择支护断面,目前普遍常用马蹄形断面,适用于围岩松软、有膨胀性和具有一定侧压和底压的巷道;

③提高围岩强度,锚杆和注浆是软岩加固的常用方式,可降低软岩的流塑性,提高围岩自承力;

④提高围岩表面强度,一般采用喷砼和挂设金属网的办法,阻隔风水对围岩的侵蚀,从而提高围岩表面的强度和完整性,促进巷道长期稳定;

⑤采用刚柔相济的整体支护,对于软岩巷道不能一味地增加支护强度,应使支护结构与围岩变形相协调,以提高围岩自承力为原则。

3 深部软岩巷道联合支护方式的设计与施工

3.1 联合支护的设计联合支护应采取锚杆、锚索、金属挂网、喷砼以及型钢相结合的方式,充分发挥各种支护措施的优势,形成兼具强度和整体稳定性的支护体系。

①锚杆设计：锚杆做为主要的支护受力件,应具有较高的强度,一般多采用钢筋树脂锚杆,根据围岩破碎区和塑性区范围合理设计锚杆长度,确保锚固深度;保持初锚力不小于40kN,锚固力不小于65kN,按照1000mm 间距,交错排列。为防治软岩巷道片帮和底鼓,应用锚杆对两帮底角进同样行加固,保持锚杆与巷道底面水平线呈45°夹角,按照700mm 间距布设;

②锚索设计：锚索为多根钢丝拧成的鋼绞线,具有一定的强度和张紧性,采用树脂锚固剂锚固于巷道顶板和两帮。每两根锚索按1.5m 间距,沿巷道中心线两侧呈平行状对称布设,并垂直于巷道竖直轮廓线,每条锚索设计锚固力200k N,预紧力130k N,确保锚固力大于锚索的破坏负荷;

③喷砼：喷砼的主要目的是为了封闭围岩,防止围岩潮解软化和风化。喷砼浆料按照水泥、河沙、石子按2：2：1比例拌料,对巷道裸露围岩进行多次封闭喷补;

④金属网：金属网为直径50×150mm 的金属网兜,使用锚杆托盘压紧固定与巷道内表面,可防止小块松散围岩的冒落,提高支护系统的整体性;

⑤U 型钢支护;巷道断面采用矿用U36型钢,按照巷道断面尺寸和支护强度,设计U 型钢尺寸和排距;

⑥注浆保护;围岩注浆可有效提高软围岩的强度和稳定性,改善其泥化的特点。根据生产实践,注浆保护应在掘进后一两个月内完成,注浆加固的时间和深度应根据围岩及裂隙发育情况来决定;其他注浆参数如注浆孔布置、注浆压力等可根据施工实际进行调整。

3.2 联合支护的施工联合支护的布设需要多次施工,巷道掘进开挖成型后进行一次支护施工,首先审帮问顶检查围岩,为减少围岩风化应立即用水泥砂浆喷覆封闭,围岩稳定后开始安设锚杆,挂设锚网和锚索,并对喷砼脱落处进行复喷,即完成一次支护。一次支护完成后应密切观察一次支护的破损情况和围岩变形情况,对于出现掉皮漏岩、锚杆折断、钢筋爆扣弯曲等问题的,要及时进行局部修补,补设锚杆和补喷砼,根据观测数据确定二次支护时间。二次支护首先清理一次支护掉落的喷层,并清污复喷,待喷砼凝固后实施底拱梁与U 型钢支护施工,期间可同时进行围岩注浆加固作业,架棚后再行喷砼覆盖,即完成全部支护施工,最终形成一个完整的钢金属支架支护体系。