工程师论文：分析巷道破坏原因及单一支护手段的作用原理

　　摘    要：　软弱围岩巷道变形机理复杂,单一支护手段往往很难对巷道围岩变形进行有效控制。针对软岩巷道围岩支护困难的问题,以糯东煤矿副平硐为工程背景,对巷道破坏原因进行分析,指出了原有支护方案的不合理之处,并对单一支护手段的作用原理进行了分析。结合糯东煤矿的工程地质条件,提出了锚网索、可伸缩U型钢联合加强支护的方案,并对支护参数进行优化。实践表明:该支护方案能够适应软岩变形,支护效果良好,为本矿其他相似工程地质条件下的巷道支护提供了借鉴。

　　关键词：　软弱围岩; 支护对策; 联合支护; 围岩变形;

　　Abstract：　Soft rock roadway deformation mechanism is complex,it is often difficult to effectively control deformation of roadway surrounding rock by the single supporting.Aiming at the difficult problem of soft rock roadway supporting,based on the engineering background of subsidiary adit in Nuodong Coal Mine,the reason of roadway failure was analyzed,and the irrationality of the original supporting scheme was pointed out,meanwhile the principle of single supporting method was also analyzed.Combined with the engineering geological conditions of Nuodong Coal Mine,the scheme combined with bolt-mesh-anchor and stretchable U-shape steel frame was put forward,and the supporting parameters were optimized.The practice showed that the supporting scheme can adapt to soft rock deformation and the supporting effect is good,which provides reference for roadway supporting under other similar engineering geological conditions in this mine.

　　Keyword：　soft surrounding rock; supporting measures; combination supporting; surrounding rock deformation;

　　0 、引言

　　煤炭是我国工业发展中不可或缺的重要能源,随着矿井的规模的扩大,我国每年掘进的巷道总长度约2万km,而由于开采深度的增加或是开采强度的增大,软岩巷道的比例越来越大。软岩巷道具有围岩变形量大且变形持续时间长、整体围岩稳定性差、极难维护的特点,有些巷道甚至需要反复维修,严重影响了煤矿的正常生产。许多专家学者及其现场工程师针对软岩巷道的支护进行了多方面的研究,并取得了一系列的成果[1,2]。文献[3]针对软岩巷道容易底鼓、巷道围岩容易产生流变的问题,提出了锚注等支护措施。张辉等[4]对软岩巷道的支护构件进行了仔细分析,认为软弱煤岩体强度低,胶结性差,造成锚杆支护的可锚性差,不能有效控制巷道的围岩变形,从而研发了单翼倒楔形扩孔装置,有效提高了软岩巷道的可锚性。孟庆彬等[5]针对泥质弱胶结软岩巷道的变形特征,分析了其变形机理,提出了联合支护技术方案,有效地控制了泥质弱胶结软岩巷道的变形。康红普等[6]针对松软破碎的井筒,提出采用注浆与强力锚索、锚杆联合支护的方法,取得了较好的效果。徐佑林等[7]对湾田煤矿的动压影响巷道进行了数值分析,计算了其塑性区的发育半径,并以此为依据设计了动压影响下的软岩巷道支护方案。王其洲等[8]采用数值模拟方法分析了U型钢支架在动压影响下的承载规律,分析了U型钢—锚索协同支护的作用机理。

　　糯东煤矿位于贵州省兴义市,在矿井生产期内其副平硐变形严重,返修频繁,严重影响了矿井的正常运营。本文在学习借鉴前人的基础上,以糯东煤矿副平硐为工程背景,针对巷道破坏原因进行分析,提出了锚网索、可伸缩U型钢联合加强支护的方案,并对支护参数进行合理设计,支护效果良好。

　　1 、工程概况

　　糯东煤矿采用平硐开拓,主平硐用于煤炭运输,是整个矿井的辅助运输系统,布置在粉砂质泥岩中,岩性较软,遇水膨胀,属于软岩巷道[9]。在副平硐施工过程中揭露20号煤层,黑色,粉状,粒状,少量块状,亮煤为主,玻璃光泽,参差状断口,半亮型煤,夹黄铁矿薄层,滑面极发育。煤层与泥岩互层,并在掘进过程中揭露断层,平硐断面为直墙半圆拱,巷道净宽5 630 mm、净高4 332 mm,水沟净宽700 mm、净高700 mm,巷道支护采用36U型钢直墙半圆拱棚支护。副平硐位置如图1所示。

　　图1 副平硐位置平面

　　Fig.1 Plan of the subsidiary adit position

　　2、 副平硐巷道围岩破坏原因分析

　　在生产过程中,副平硐多处发生返修情况,巷道变形较大、围岩出现破裂,巷道围岩稳定性差。特别是副平硐里程K+1 354 m～K+1 410 m巷道失修,巷道原架棚已变形,严重影响矿井辅助运输系统。依据巷道所处地理位置、围岩性质、构造情况,对巷道破坏原因进行分析,主要由以下因素造成[10]。

　　(1)副平硐布置在粉砂质泥岩中,岩石坚固性系数为4～6,岩性较软,整体稳定性较差,自身承载能力差。在巷道顶板上覆岩层的挤压作用下,易发生大范围变形[11]。

　　(2)副平硐在掘进过程中揭露多条断层,且断层发育。软弱岩石在天然的应力场中能够保持平衡,巷道一旦挖掘,应力重新分布。断层处构造应力集中,导致副平硐巷道构造应力大,巷道产生明显的非对称变形,岩体松散,围岩变形严重[12]。

　　(3)支护系统不合理。原设计采用36U型钢进行支护,未考虑巷道围岩性质、地质构造、构造应力集中等因素,对于软岩巷道来说,采用单一的支护方式,巷道支护强度不够[13]。36U型钢支护方式为刚性支护,支护系统遭到破坏后,巷道围岩变形会加剧。

　　3 、巷道围岩控制技术研究

　　通过分析糯东煤矿副平硐巷道围岩的破坏原因,发现单一的支护方式不能满足巷道支护的需求,需要采用多种支护方式相结合的方案,有助于提高巷道围岩的稳定性,因此采用锚网索、可伸缩U型钢联合加强支护的方式[14]。

　　(1)锚杆支护。

　　针对该矿副平硐巷的破坏特点,首先对巷道围岩采用锚杆支护,锚杆属于主动支护,可以对巷道围岩浅部进行加固,锚杆安设完成后,可以在巷道围岩中形成以锚杆两端为顶点的压缩区,围岩强度增加,对巷道浅部围岩起到加固的作用[15],如图2(a)所示。多根锚杆起到群体锚杆的作用,锚杆和锚固区域的岩体组成了承载结构,形成一个加固拱,如图2(b)所示。

　　(2)U型钢支护。

　　在锚杆支护的基础上,锚杆通过对巷道围岩的支护作用,形成了一个加固拱,U型钢支护架通过摩擦机构的可伸缩性能和弹性变形来促使支架在工作中承受载荷,与锚杆形成的加固拱形成了一个整体,允许巷道有一定的变形,又能够给巷道提供足够的支护阻力,组成了一个支护系统共同维护巷道的稳定[16,17]。

　　(3)锚索支护。

　　锚索能够控制巷道深部围岩,可以充分发挥围岩的自身承载能力;整个巷道断面采用了锚索加固,锚索可以形成一个更大的加固拱,增加巷道围岩的整体稳定性;同时锚索还具有补强作用,可以通过调动深部围岩应力来减小薄弱环节所承受的围岩应力,使整体结构受力均衡,使巷道围岩处于稳定的状态。

　　图2 锚杆支护系统作用

　　Fig.2 Action of bolt support system

　　综上所述,采用锚网索、可伸缩性U型钢联合支护将锚杆支护作为基本支护配合U型钢对巷道进行支护,可以提高巷道的支护阻力,形成稳定的承载结构,更好地维护巷道围岩的稳定性[18,19,20]。

　　4 、巷道围岩支护对策

　　4.1 、支护方案的确定

　　经过现场调查,副平硐变形严重,需要扩巷,依据巷道围岩的情况,最终对副平硐采用锚网索、可伸缩U型钢联合加强支护的修复方案,并对支护参数进行优化。巷道支护设计如图3所示。

　　4.2、 施工要求

　　为了保证施工质量,必须严格按规程进行施工,并依据具体情况进行合理施工,有以下几点需要注意。①副平硐巷道里程K+1 374 m～K+1 410 m位置巷道顶板为煤与矸互层,局部煤层较厚位置扩修时,先施工?17.8 mm×10 200 mm锚索,小循环扩刷后使用锚索配合29U型钢锚索托盘挂网片,顶板破碎时可使用双层网,初喷后施工锚杆及锚索支护,建议扩2排初喷一次,施工完成后对顶部?17.8 mm×10 200 mm锚索超长部分进行截取后作为顶部永久支护锚索。②局部位置原巷道冒顶后填充背木不能实施锚网索支护时,采用架棚喷支护,架棚间距更改为500 mm,架棚采用拆一架一逐步进行巷修。③架棚后喷浆厚度以覆盖36U型钢耳部边缘为准,并对喷浆后棚子上多余喷浆料进行清理。④除初喷时围岩破碎不要求对巷道进行洒水湿润外,巷道围岩为岩石及复喷必须洒水湿润巷道,并对喷浆后巷道执行喷浆洒水养护。

　　图3 副平硐支护设计

　　Fig.3 Design drawing of subsidiary adit supporting

　　4.3、 巷道支护效果分析

　　副平硐巷道修复完成以后,为了检验修复方案的合理性,采用“十”字法对巷道表面位移进行监测。在监测过程中没有发生冒顶事故,巷道的变形量较小,巷道的安全性得到极大的改善。如图4所示,巷道初期围岩变形量较大,在45 d左右的巷道围岩趋近于稳定,两帮移近量大于顶底板移近量,达到了预期的支护目标。

　　5 、结语

　　(1)巷道围岩性质、地质构造、支护系统不合理是副平硐巷道变形严重影响矿井辅助运输系统的主要原因。

　　(2)对于软岩巷道单一的支护方式不能满足支护的需求,采用多种支护方式相结合的方案,有助于巷道围岩的稳定性。

　　图4 巷道围岩移近量

　　Fig.4 Approaching amount of surrounding rock of roadway

　　(3)对副平硐巷道采用锚网索、可伸缩U型钢联合加强支护的方案,并对支护参数进行优化后,巷道未发生冒顶现象,巷道的变形量较小,达到了预期的支护效果,为该矿其他巷道的支护提供了借鉴。