＋786 m水平车场交岔点支护与施工工艺研究

吕兆海赵长红张艺耘王 震岳晓军

(1.神华宁夏煤业集团有限责任公司,宁夏回族自治区银川市,750004; 2.西安科技大学能源学院,陕西省西安市,710054)

＋786 m水平车场交岔点支护与施工工艺研究

吕兆海1,2赵长红1张艺耘1王 震1岳晓军1

(1.神华宁夏煤业集团有限责任公司,宁夏回族自治区银川市,750004; 2.西安科技大学能源学院,陕西省西安市,710054)

清水营煤矿井田属弱－中等富水性,二煤顶底板岩层导水性好、富水性强,大巷交岔点施工难度较大,易变形破坏失稳,基于锚网索耦合支护设计思路,在工程地质条件综合分析和地质力学评估前提下,提出大巷交岔点采用拱形断面及锚喷＋锚索＋可缩性钢支架的支护工艺,有效解决了交岔点变形、破坏问题。

巷道交岔点 巷道支护 联合支护 施工工艺

针对传统支护设计方法和施工过程中的不足,从巷道富水顶板变形破坏机理入手,提出锚网索耦合支护＋钢支架支护设计的思路,采取经济有效的支护方式解决清水营煤矿大巷交岔点支护难题,降低了支护成本,避免了巷道的返修。

1 概况

清水营煤矿副立井＋786 m水平车场巷道主要布置在二煤顶、底板中,部分巷道穿二煤煤层。二煤顶板岩性总体由粗粒砂岩构成,次为粉砂岩、泥岩。厚度为0.57～71.09 m,平均11.55 m,伪顶主要发育于井田南部,岩性以泥岩为主,厚度小于0.5 m;底板岩性以粉砂岩为主,次为细粒砂岩及泥岩,厚度0.53～21.14 m,平均5.06 m,一般小于5 m;顶板的侏罗系上统安定组－中统直罗组裂隙孔隙含水层(III)厚度3.4～372.33 m,平均厚度127.12 m,层位较稳定、渗透性强及导水性好。该区域地质构造复杂、煤岩层结构松散、节理裂隙发育、抗压强度低,具有可塑性、膨胀性、崩解性,属于软岩范畴。二煤为黑色块状,半暗型煤,弱沥青光泽,节理及裂隙发育,平均厚度5.74 m。＋786 m水平车场一号巷道交岔点埋深615 m,巷道断面最大宽度10.763 m,最大高度7.3 m。二煤顶底板巷道围岩承载力5～12 MPa,为膨胀粘土岩类。顶底板岩层强度及水理性、交岔点岩性分别如表1、图1所示。

表1 顶底板岩层强度及水理性

图1 交岔点层位柱状图

2 交岔点破坏特征及受力分析

2.1 交岔点破坏特征

富水顶板交岔点围岩变形是围岩性质、地下水影响、围岩应力分布、工程体相互扰动等综合作用下的岩层弯曲、流变的综合反映。交岔点岩柱作为交岔点区域应力最集中的部位,反复受主巷及支巷施工扰动、破坏及交接巷道顶板卸压区和两帮的支承压力区相互叠加影响,造成岩柱处喷浆层开裂、变形、底臌。

2.2 交岔点受力分析

＋786 m水平井底车场埋藏较深,压力相对较大;巷道顶板渗透性强、导水性好,为富水性较强含水层,顶板淋水加速围岩弱化是导致交岔点失稳主要诱因。另外大巷交岔点存在跨度大,二次施工扰动、破坏影响。根据交岔点围岩应力分布符合多工程体并存特征,将交岔点内的主、支巷近似看作圆形断面工程体,根据克斯特纳方程,则极限平衡区的范围Rp为:

式中:Rp——交岔点极限平衡区的范围,m;

C——内聚力,取4.63 MPa;

φ——内摩擦角,取35.7°;

γ——岩石容重,取24.0 k N/m3;

H——交岔点埋深,取615 m;

R0——主(支)巷周围剧烈影响半径,m;

r0——主(支)巷的外接圆半径,取2.7 m。

将各数据代入式(1)、(2),计算得主(支)巷周围剧烈影响的范围为7.3 m,交岔点极限平衡区的范围为13.14 m。

由于交岔点内主支巷之间最小距离为500 mm,相邻距离远远小于主(支)巷周围剧烈影响的范围,因此在主、支巷的相互影响下,造成交岔点周边极限平衡区范围较主(支)巷影响范围明显增大,交岔点周边产生的切向压力集中系数明显集中,交岔点周围地压明显增大,加剧了交岔点变形破坏。

3 交岔点支护对策

巷道开挖后破碎区范围内围岩压力以松动压力为主,而弹塑性区范围内围岩压力以变形压力为主。交岔点支护不仅要对破碎区内围岩进行加固,同时要抑制塑性区变形发展。

岩柱作为交岔点支护的关键部位,通常采用喷浆封闭已破碎的围岩而形成,此时岩柱的支撑强度大大降低,严重影响交岔点顶板围岩的整体强度。所以,交岔点岩柱必须采用高强度的混凝进行浇筑,确保自身及围岩整体强度满足支护要求。

因此,富水顶板交岔点的支护过程必须依据分区支护、刚柔相济、及时封闭、缓冲让压、重点加强的原则选择支护方案和工艺,提高交岔点的稳定性。

3.1 巷道锚网喷支护及可缩性钢支架支护

采用锚网喷支护及可缩性钢支架对破碎区围岩进行加固。锚杆支护主要承受松动岩体或冒落岩体重量。U29型钢支架竖向承载能力较大,自稳性较高,有利于控制交岔点围岩松动变形。根据普氏平衡拱理论,交岔点潜在冒落高度(破碎厚度)为:

式中:b——潜在冒落高度,m;

a——巷道有效高度一半,取1.7 m;

ky——顶板岩层完整性系数,取0.5;

fr——顶板普氏系数,取3.0;

α——岩层倾角,取12°;

c——挤压破碎深度,取1.47 m。

将各数据代入式(3),计算得交岔点潜在冒落高度为2.07 m,因此,锚杆长度定为2500 mm。

交岔点采用锚带网＋钢支架联合支护,全断面支护采用ø20 mm×2500 mm左旋无纵筋锚杆,间排距800 mm×800 mm,锚杆预紧力矩大于200 N·m,锚固力大于50 k N。可缩性钢支架采用U29型钢,间距800 mm,每架支架由4节组成,搭接长度0.6 mm,采用卡缆连接,滑动阻力大于230 k N。为提高支架的稳定性,每个钢支架安设7组联接板,腿部打设锁腿锚杆。

锚索锚固可穿过破裂区、塑性变形区,锚入原岩应力区坚固岩层,对塑性区内围岩进行加固,使塑性区围岩释放弹性变形能,并抑制其围岩变形破坏。根据相关条件经相关公式得到锚固长度大于2.5 m,锚索长度大于5.12 m,即选用ø17.8 mm ×8300 mm锚索,间排距2000 mm×2000 mm可满足支护要求。破断力大于260 k N,预紧力120～230 k N,每根锚索用5节MSK23/70树脂药卷。

3.2 巷道交岔点岩柱支护

交岔点由于受主巷、支巷多次施工扰动,造成交岔点岩柱围岩破碎,支撑强度大大降低。保持岩柱的稳定性对交岔点顶板围岩整体强度极其重要,在施工过程中对长度2 m范围内的岩柱采用混凝土进行加固,混凝土强度大于C30,保证岩柱的完整性和支撑强度;2 m范围外采用锚网喷＋钢支架支护。

3.3 交岔点施工工艺

交岔点整体采用台阶法工艺施工,即先施工上部台阶,再施工下部台阶。上下台阶的分界线位于拱基线下100～200 mm位置,上下台阶相距3～5 m。交岔点施工工艺见图2,按图2中Ⅰ部分、Ⅱ部分、Ⅲ部分的顺序首先施工上部台阶,每循环0.8 m,待拱部爆破后在临时支护下及时进行锚网支护并喷浆封闭,随后施工锚索。待台阶长度满足施工要求后退回,再第二次按Ⅰ部分,Ⅱ部分,Ⅲ部分、Ⅳ部分的顺序施工下部台阶并用混凝土浇筑交岔点岩柱,完成交岔点整体施工及初次支护后方可架设可缩性钢支架、张紧锚索并喷浆成巷。

图2 交岔点施工工艺

3.4 工程效果评价

该支护方案在＋786 m水平井底车场进行了实施,通过近3个月的矿压监测,交岔点处表面位移和底臌量控制在允许范围内,未出现开裂及底臌;巷道两帮的最大位移量30 mm,顶底板最大移近量45 mm。

4 结论

(1)交岔点围岩变形是围岩性质、地下水、围岩应力分布、工程体相互扰动的耦合作用,其应力分布呈多工程体并存特征,交岔点周边极限平衡区的范围明显增大,切向压力明显集中,加剧了交岔点变形破坏。

(2)对巷道交贫点附近采取分区支护进行加固,即对围岩松动区采用 锚网喷支护＋钢支架,弹(塑)性区范围采用预应力锚索,交岔点岩柱采用浇筑混凝土的支护方案是可行的。由支架、锚索、锚网喷支护组成的联合支护结构形式具有较好的整体性、稳定性,较强的承载力和抗变形能力,能够满足交岔点硐室的长期稳定需要。

[1] 邱天德,程子厚.深井井底车场围岩稳定性分析及合理形式确定[J].中国煤炭,2014(7)

[2] 吕兆海,闫学忠,朱海鱼等.掘进巷道过含水断层水害分析及施工工艺[J].中国煤炭,2014(3)

[3] 周敏,黄兴,时凯.深井井底车场高地应力硐室群稳定性分析[J].煤炭科学技术,2012(2)

[4] 祁和刚.煤巷交岔点大断面联合支护研究[J].矿山压力与顶板管理,1997(3/4)

[5] 郭志飚.煤矿深部Y型大断面交岔点双控锚杆支护技术及工程应用[J].岩石力学与工程学报,2010 (29)

[6] 李凤仪等.岩体开挖与维护[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003

[7] 张建华,翟锦,吕兆海.富水软岩巷道变形分析及控制研究[J].煤炭工程,2013(5)

[8] 王铁牛.三软煤层底板岩巷变形分析与加固技术[J].煤炭科学技术,2012(5)

[9] 赵长红,丁学福,张忠凝.清水营煤矿软岩巷道支护实践[J].煤矿安全,2013(3)

(责任编辑 张毅玲)

Study on intersection supporting and construction technology ofthe＋786m level shaft station

Lv Zhaohai1,2,Zhao Changhong1,Zhang Yiyun1,Wang Zhen1,Yue Xiaojun1
(1.Shenhua Ningxia Coal Group Co.Ltd.,Yinchuan,Ningxia 750004,China; 2.School of Energy Engineering,Xi＇an University of Science&Technology,Xi＇an,Shaanxi 710054,China)

Qingshuiying Coal Mine has weak-medium water-rich property,the roof and floor rock of 2＃coal has good water conductivity and strong water-rich property,the intersection of main roadway is difficult in construction,unstable easily to deformate and breaking.Based on the ideas of the bolt mesh cable coupling support design and in a comprehensive analysis of the engineering geological conditions and evaluation of geological mechanic premise,the intersection of main roadway using the supporting technique including arched section and bolt spray-anchor-retractable steel stent,which solved the questions of the intersection deformation and breaking.

intersection of roadways,roadway support,combined support,construction technology

TD353

A

吕兆海(1980－),男,宁夏灵武人,工程师,博士,主要从事采矿工程和采空区衍生灾害预报研究。