摘 要:针对8104工作面運输平巷在掘进过程中因巷道超高造成的巷帮支护难题展开研究,在分析巷道变形破坏机理的基础上,设计了基于浅部锚杆约束及深部锚索加固的锚网索联合支护方案,并在工程实践中成功应用,取得了良好的围岩控制及巷道支护效果,具有较为显著的技术及经济效益。
关键词:超高巷道;锚固约束原理;锚网索支护;“三高”锚杆
1 现场工程概况
8104工作面主采8#煤层,埋深238~265m,煤层厚度6.8~11.2m,平均为9m,煤层倾角5~11°,平均8°,巷道直接顶为平均厚度2.2m的砂质页岩,老顶及上部岩层分别为1.6m的粗砂岩、1.9m的细砂岩、1.5m的中砂岩及1.9m的粉砂岩。工作面运输平巷沿煤层底板掘进,设计长度1850m,巷道断面设计为5000×3500mm,由于巷道在520~590m共计约70m的区段范围内受构造影响,顶板破碎极难维护,采取人工破顶的方法破除破碎顶板,这就造成巷道高度超过设计的3500mm,最高可达7500mm,超过设计高度的两倍。本文即针对该段超高巷道的支护难题展开研究。
2 基于锚固约束的巷帮支护机理
巷道开挖后原岩应力状态被打破,在地应力的作用下围岩发生载荷卸载及破坏,并逐渐向巷道空间内发生位移变形。根据相关文献检索及数值模拟结果表明,随着巷道高度的增加,巷道两帮的水平位移场逐渐向深部发展,说明巷道高度的增加使巷道帮部围岩扰动范围有增大趋势,高度超过某个临界值时,巷道两帮围岩深部会沿着一个剪切面发生滑动失稳,表现为两帮围岩整体向巷道空间移动,导致帮部围岩失稳及支护困难。同时,巷道两帮围岩的失稳又会导致对顶板支护的弱化,导致顶板下沉破坏加剧,破坏对顶板的支护效果。
对于超高巷道,不宜采用金属支架,否则金属支架腿部过高影响支架的整体稳定性。本文设计采用锚杆索联合支护方式,能够充分借助锚固、挤压及悬吊作用提高围岩整体性及承载性,有利于围岩的控制。同时超高巷道高度大于宽度的特殊性要求我们必须重视对巷帮的支护,巷道高度越大,帮部围岩越容易失稳,巷道整体支护结构也就越容易失稳。超高巷道支护的关键在于对两帮的支护。
根据前文分析,巷道高度增大会导致巷道围岩扰动范围增大,两帮塑性区宽度增大,常规的锚杆支护难以打入稳定的岩层中,因此设计支护方案时必须考虑锚固及加固深度更大的锚索支护。同时,处于塑性区的围岩对围压施加较为敏感,浅部的锚杆支护恰恰能够通过提供高密度及高强度的围压来改善围岩性质,从而提高锚固的效能,削弱围岩塑性破坏的不利影响。因此,设计应选用高强度、高刚度、高预应力的“三高”锚杆进行浅部支护。这样可以在巷帮浅部围岩中依靠锚杆的锚固作用形成支护-围岩整体结构,提高围岩承载能力,同时,锚固结构的形成可以对深部围岩起到约束作用,防止深部围岩的继续破坏及向巷道空间继续移动。配合锚索支护的深部支护,可以实现巷道两帮的有效支护及巷道整体的有效支护。
3 支护方案设计及工程实践
综上分析,设计巷道采用锚网索联合支护方式,支护参数说明:顶锚杆使用高强螺纹钢锚杆,规格Φ20×2400mm,每根使用CK2340、Z2388共2支树脂锚固剂,锚固长度1300mm,预紧力矩不低于300N·m,间排距1000×1000mm;帮锚杆使用高强螺纹钢锚杆,规格Φ20×2400mm,每根使用CK2340、Z2388共2支树脂锚固剂,锚固长度1300mm,预紧力矩不低于300N·m,间排距1000×1000mm;顶板及两帮配合高强度预应力钢绞线锚索,规格Φ17.8×10300mm,每根锚索使用树脂加长锚固剂CK2340(1支)、Z2388(2支),锚固长度2000mm,预紧力不低于200kN,间排距1500×2000mm,顶板每排两根,两帮每排2~3根,根据巷道高度具体选用,并根据现场及时补强支护;使用好金属网、钢筋梯子梁、锚杆索托盘等,加强锚固力施加,提高锚固强度。
该段超高巷道掘进完成后按照本方案进行支护,并进行了为期45d的连续矿压监测,观测结果显示,掘进后10d内为巷道围岩变形速率累积期,顶板最大变形速率3.8mm/d,两帮最大移近量速率为4.5mm/d,10d后巷道围岩变形速率放缓,变形积累量缓慢增长,约0.1~1.2mm/d;观测期内两帮移近量统计值为251mm,顶底板移近量统计值为221mm,巷道变形量总体处于预期及可控状态。截止目前,工作面已安全推过该段超高巷道,巷道掘进及回采期间围岩总体变形量可控发展,验证了该支护方案的合理性。
4 结语
本矿总体地质条件不复杂,但是在8104工作面运输平巷在掘进过程中因巷道超高造成的巷帮支护难题确实对采掘工作造成较大困扰。本文针对巷道在520~590m共计约70m的区段范围内的超高问题,在分析巷道两帮围岩变形破坏及位移变化的基础上,确定采用锚网索联合支护方式。必须在掘进后迅速进行锚杆浅部支护,这样可以在巷帮浅部围岩中依靠锚杆的锚固作用形成支护-围岩整体结构,提高围岩承载能力,同时,锚固结构的形成可以对深部围岩起到约束作用,防止深部围岩的继续破坏及向巷道空间继续移动。
参考文献:
[1]何富连,姚再峰,李士俊,王宁博,许华威.巨高巷道帮不稳定三角块滑移及控制[J].岩石力学与工程学报,2015,34(S1):3238-3248.
作者简介:
赵凯(1985- ),男,山西长治人,工程师。