高应力软岩巷道成功实现一次支护的实践探索

刘新文 冯红耀

煤矿井巷设计施工中,经常遇到具有流变性和膨胀性的各种松软岩体。传统工艺基本都是采用硬岩巷道支护技术,针对一次支护出现的问题进行二次支护修复,面临着巷道经常出现前掘后垮、多次采动巷道围岩和反复维修巷道等维护困难问题,硬岩巷道支护一般不允许围岩进入塑性状态,而高应力软岩巷道的独特之处就是其巨大的变形能必须以某种形式释放出来,允许围岩进入塑性状态。因而在一般硬岩巷道采用的锚喷网、砌碹等单一的支护技术手段,在高应力软岩巷道往往不能解决问题,巷道处于多次返修但仍很难维护的窘境。因此改变传统工艺的思路——增加或是改变软岩巷道开挖阶段的变形空间,释放围岩中存在的变形能是解决高应力环境下软岩巷道支护问题的关键。

1 高应力软岩巷道支护设计的原则

1)改善围岩力学性质,充分发挥围岩自稳能力,尽量避开高地应力区。2)加强锚网的强度和刚度,以增强围岩表面约束能力,限制破碎区向纵深发展。3)适时进行二次支护且二次支护适当地控制锚网的强度,保证初期支护具有一定的柔性,在巷道不失稳的前提下,允许围岩有较大的变形,让其充分地释放能量。4)实现深部高应力软岩巷道厚壁支护。a.采用全长锚固全螺纹钢等强锚杆;b.采用锚索加固,增加围岩自承圈厚度;c.改变支护结构,在巷道的两底脚增加斜拉锚杆或巷道底板开挖成反底拱形并锚喷(梁)支护,从而形成完整的、封闭的支护整体。5)严格控制超挖量,减少对围岩的扰动。

2 松动放矸卸压支护方案设计及数值模拟

结合以上提出的设计原则,根据控制高应力软岩巷道大变形的理论分析,并针对目前轨道石门采取的支护方式,主要考虑了以下四种方案:方案1:单一工字钢拱形支架支护;方案2:锚网喷加锚索支护;方案 3:拱形支架、松动放矸卸压;方案4:全封闭圆形支架+全断面松动放矸卸压。

工字钢支架参数:弹性模量E=200 GPa,惯性矩 I=2.37e-6 m4,横截面积为2.5e-3 m2,密度d=7 800 kg/m3,宽度为0.15 m。锚杆支护参数:间距为850 mm,横截面积为3.14e-4 m2,弹性模量 E=100 GPa,屈服力为17.35 kN,粘结力为2 000 kN/m,粘结刚度为1.5 GPa。

设计模拟过程为:巷道按照设计断面开挖后,沿着巷道周边架设拱形支架(并采用梁单元模拟支架支护),计算200时步后停止,主要是为了模拟巷道开挖后在卸压前围岩发生的变形,然后沿着支架四周松动放掉一定范围的围岩(松动范围500 mm),使围岩与支架之间有一定的变形空间,释放围岩的变形能,从而实现巷道周边(除了底板)松动放矸卸压。

针对秦源煤矿目前井下的支护类型,仅给出拱形支护和全断面支架支护的数值模拟模型,即方案3和方案4放矸卸压前后的数值模型,分别如图1,图2所示。

3 数值模拟计算结果及分析

数值模拟结果从顶板下沉量、底鼓量、两帮最大移近量等三方面展开,其计算结果如表1所示。

表1 不同支护方案围岩控制效果 mm

数值分析结果表明,采用全封闭圆形支架+全断面松动放矸卸压技术后,能使巷道围岩浅部的高应力转移到远离巷道的深部,巷道处于相对较低的应力区中。不但能有效控制两帮及顶板的初期剧烈变形,而且巷道两底角及底板经过松动放矸卸压后,消除了这些部位的应力集中现象,两底角和底板处的围岩变形大幅度减小,控制巷道底鼓的效果也非常明显。

4 实际操作施工工艺研究

秦源煤业有限公司的煤层属于三软煤层,开采深度400 m左右。煤层顶板为砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩、中细砂岩互层,一般4 m～5 m,最大厚度22.5 m,岩石较松软,易破碎塌陷。煤层底板为泥质粉砂岩、砂质泥岩,致密块状。

在上述地质条件下,针对一次支护方式结合原有掘进工艺提出了一种分步有控的卸压支护方式:即巷道掘进时紧跟迎头打设顶板锚杆保证安全,架设棚式支架,当围岩变形挤压支架时,每次都主动松动放掉一定厚度的围岩,使围岩与支架之间留有一定的变形空间,使高应力向深部转移,并控制放掉围岩的次数,调整围岩的变形空间,从而可以控制围岩变形能的释放,并将其作为高应力软岩巷道的一次支护方式。

最终形成了全断面锚网喷+锚索+圆形钢梁联合支护的施工工艺,具体如下:

1)采用光面爆破掘进,使巷道成行规整,减少对围岩的工程扰动,必要时,对围岩进行注浆加固;

2)掘进后立即喷射一层厚度为30 mm～50 mm的混凝土,及时封闭围岩;

3)及时打锚杆挂网,锚杆长度在1.6 m～2.4 m之间,且长短结合,底板锚杆长度为1.6 m,并全部使用全螺纹钢等强锚杆全长锚固,二次喷射混凝土;

4)安装圆形钢梁可缩性支架,铺钢筋网及隔离层;

5)进行架后充填,充填材料可用煤矸石粉或者砂袋;

6)用混凝土浇筑底板。

5 结语

根据秦源煤业有限公司轨道石门采用上述施工工艺的运营情况分析,人为放矸预留支架与围岩之间的空间结构,保证变形能向预留空间传递释放,防止了变形能往围岩纵深发展,减少了一次支护后的巷道维修工作,也说明了主动或是预留变形空间更有利于高应力环境下软岩巷道的一次支护和后期维护。

[1]周宏伟,谢和平,左建平.深部高地应力下岩石力学行为研究进展[J].力学进展,2005,35(1):91-99.

[2]晏玉书.我国煤矿软岩巷道围岩控制技术现状及发展趋势[M].徐州:中国矿业大学出版社,1996:1-17.

[3]孙晓明,何满潮.深部开采软岩巷道耦合支护数值模拟研究[J].中国矿业大学学报,2005,34(2):166-169.

[4]蔡美峰,何满潮,刘东燕.中国煤矿软岩巷道支护理论与实践[M].北京:科学出版社,2002.

[5]王连国,李明远,王学知.深部高应力极软岩巷道锚注支护技术研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(16):2889-2893.

[6]赵华玮,代学灵,王德文.极软岩巷道耦合支护技术研究[J].矿山压力与顶板管理,2005(2):87-89.