大断面软岩巷道支护技术分析

侍大军 刘书华

（兖矿集团兖州煤业股份有限公司济宁二号煤矿，山东 济宁272000）

软岩构成的巷道稳定性差,整体强度不足。使用锚喷支护的情况下,锚的支撑作用有限,无法有效增强岩体的稳定性,岩体在易变形、要进行数次整修。当前,锚喷支护下的软岩巷道上部岩体下沉,容易塌落,两帮朝巷空运动。如果支护结构可以适应不稳定的岩体,而且还能承受外力,则巷道能保持稳定。因此,在软岩环境下设置具有大横截面的巷道,并解决岩体易流变,稳定性不足以及随着采矿深入支护难度加大等问题对于煤矿安全高效开采来说意义重大。

1 大断面软岩巷道支护方法选用

多数情况下大断面软岩巷道支护需要综合运用多种支护方法。许多学者研究出几种适用于大断面软岩巷道支护的方法,多数方法都是基于锚杆支护优化而来, 具体来说主要包括以下几种支护方法:

1.1 锚杆、锚索、金属丝网联合支护(锚网索联合支护)。锚杆、锚索、金属丝网联合运用,以支护大断面软岩巷道。三者既能发挥自身的支护作用,也可以发挥联合支护作用,有效控制岩体变形,通过与岩体耦合,在维持岩体的稳定性方面发挥作用。锚网索联合支护施工难度不大,支护效果好,经过实践验证已被许多矿井认可,应用广泛。

1.2 锚网注浆联合支护(锚浆联合支护)。在锚杆、金属丝网支护的基础上通过注浆加固来增强支护效果,有效增益岩体强度,提升其自稳性和承载力,达到增强岩体稳定性的目的。然而,该方法施工难度大,注浆施工效果往往不理想。加固的效果和岩体孔隙率有很大的关系;因而只能特殊的岩体环境中应用。

1.3 锚网砌碳联合支护(锚碳联合支护)。利用锚杆支护的优点增强岩体承载力,辅助使用砌碳支护封闭岩体,避免岩体因风化导致强度降低,并且碳体承载能力较强,可以有效减少岩体变形,锚碳联合支护主要用于使用寿命长,弧形截面的巷道。

1.4 采用硬质层和软质层支护,软质层吸收岩体变形并释放过程中产生的能量,硬质层控制岩体变形。由于能够实现强度、刚度、结构的耦合,因此有效保持软岩岩体稳定性,但技术复杂度高,施工难度大,难以掌握支护结构与岩体的耦合程度,因此,应用不广泛。

以上提到的支护方法在控制大断面软岩道路的稳定时效果较好,在比较分析了上述各种支护方法的优劣势基础上,选择施工难度低的锚网索结合支护方法。

2 工程概况

济二煤矿9309 回采工作面走向长度255m, 平均倾斜长度98m。开采面位于矿井西侧,北侧是未开发的煤层,东侧是已经采空的煤层,南侧为未开采煤层,厚度0.8 m -2.9m,平均厚度为2.2m,倾斜角为6°-9°。2309 回采工作面是一个完全机械化开采的工作面。开采路径沿煤层延伸,开采巷道横截面积为15.5 m2,属于大断面巷道。9309 回采工作面巷道上部岩性较软,遇水后很容易膨胀,属于代表性的软岩巷。

3 大断面软岩巷道支护参数设定

在选定了大断面软岩巷道支护方法后, 就应该设定合适支护参数。本次研究采用FLAC3D数值建模分析技术,对锚杆间距,锚杆排距、锚索数量等参数进行分析,根据巷道岩体变形量来设定的可接受的参数,具体步骤如下:

3.1 分析锚杆间距为800mm,1000 mm,1200 mm 对应的岩体变形量。随着锚杆之间的距离减小,巷道上部以及两侧的岩体变形量逐渐减小。基于减小锚杆之间的距离对岩体变形的影响以及支护施工的经济可行性,最终确定锚杆之间的合理距离为1000 mm,此时岩体变形幅度明显减小。当锚杆之间的距离减小到1000mm时,锚杆间距继续减小时,巷道顶部、两帮的岩体变形程度减小幅度也明显减小。

3.2 在确定了锚杆之间的合理距离之后,改变锚杆排距对巷道上部和周围岩体变形有影响,并且基本上不影响巷道下部变形。随着锚杆排距减小,巷道上部和下部以及两侧的变形量逐渐减小。锚杆排距1400 mm,1200 mm,1000 mm 时, 巷道上部变形量分别为252 mm,191 mm,174 mm,减少量为26%、8%、1.5%,两侧变形量分别为345mm,274mm,257mm,减少量依次为22%、8%、0%。锚杆排距降低至1200mm后,继续减小时,对锚杆巷道上部、下部及两侧变形量影响很小。

3.3 在确定锚点之间的距离,锚杆排距以及锚杆长度的前提下,分别分析锚索数量1、2、3 根的情况下岩体的变形量, 对比分析确定合理的锚索数目。锚索数量的变化并不主要影响巷道底板的变形。随着锚索数量的增加,巷道上部和两侧岩体变形量逐渐减小,同时也减小幅度不随锚索数量增加而衰减。综合考虑选定锚索数量为3 根。

4 大断面软岩巷道支护施工工艺

4.1 顶部锚杆施工

4.1.1 9309 工作面使用一次全断面掘进,巷道掘进尺寸的误差不得大于300mm。4.1.2 随着掘进面的前进要应及时使用锚杆,空顶距离不能大于3m。一旦发现巷道顶部、两侧破碎,就可以根据需要减小空屋空顶距。4.1.3 使用单锚气动钻机打孔,使用2.8 m 长、直径28 mm 的钻杆钻孔。4.1.4 在钻孔之前要检查巷道的横截面是否符合标准。如不符合就需要先进行一定的处理之后再钻孔;在钻孔之前要先清除危险活动岩石块, 确认工作环境安全后在开始作业。要精确定位锚杆孔,误差控制在80 mm 以内,并且锚杆孔眼要和巷道轮廓线垂直。严格根据锚杆的长度钻孔,孔深与长度的误差要可控制在±25 mm,钻至既定的深度后,拆掉锚杆,清洁孔眼。4.1.5 将装有螺母等配件的顶板锚杆插入孔内,设置搅拌套筒,顶推锚杆,将锚固剂打入孔内。4.1.6 当锚固剂到达孔洞底部时开始中速搅拌,主要做顶推+旋转动作。然后加快旋转速度,持续45s,主要做旋搅动作,使锚固剂混合均匀。托盘接近顶网时用钻杆将其和顶网压紧3min。搅拌全程用时不得超出80s,按锚固剂凝固所需时间等待一会,等其完全凝固再上紧螺母。4.1.7 仔细确认锚杆与顶板是否结合紧密,锚杆露在外部的部分长度是否满足施工要求,不符合则必须补打。装好中间首根锚杆后,再依次安装巷道中线两侧的该排锚杆。

4.2 锚索施工

4.2.1 用单锚气动钻机,八根长1200mm 的钻杆钻孔,孔眼深度要在设计范围内。4.2.2 用锚索推送树脂药卷达到孔眼底部。4.2.3锚索下部通过搅拌器连接钻机,启动钻机,锚索转动,推向孔底,搅拌过程先慢后快,当锚索外露250mm 左右时,全速旋转越25 秒停机。4.2.4 3min 后拆除搅拌器、钻机,用千斤顶张拉锚索,直到预紧力达到既定值。

4.3 两侧锚杆施工

4.3.1 两侧锚杆用煤电钻钻孔,确保孔深符合要求。4.3.2 将药卷推送到孔底,然后将锚杆插入孔眼。4.3.3 装好搅拌套筒,旋转锚杆推送到孔底, 当锚杆外露95mm 左右时, 使锚杆旋转25s 后停机。4.3.4 2min 后产出搅拌套筒,铺设锚网,上紧螺母。4.3.5 仔细确认锚杆、托盘、露在孔外的锚杆长度是否满足施工标准,如不符合需要重新打孔。4.3.6 巷道两侧的锚杆施工顺序是从上到下、从外向内逐排布设,结合巷道两侧岩体情况先对面积较大、留空时间长的区域进行施工。

5 结论

综上所述,锚网索联合支护方法综合考虑到巷道岩体复杂多变的情况,通过锚固使锚杆、岩体相互作用,聚集破碎岩块形成整体,有效发挥岩体自身的承载力, 从而防止岩体强度的进一步减弱,保持岩体整体稳定性。同时,锚杆可以随着岩体变形移动,支护效果稳定。锚网起到阻止锚杆间隙煤岩体松动掉落,可以有效提高岩体的完整性和支护结构的稳定性。由于锚固很深,锚索能有效发挥深部岩体的承载力,有效组织浅表岩体的破坏。同时可施加预应力支撑岩体。通过数值模拟和现场实践可以验证该支付方法的可靠性。