于宏斌
摘要:針對(duì)運(yùn)輸大巷巷道斷面大,穿越采空區(qū)造成施工條件復(fù)雜、施工難度大、安全威脅大等技術(shù)難點(diǎn),以陳家山煤礦二三新大巷為例,介紹了錨網(wǎng)噴+U型鋼支架+澆注+注漿聯(lián)合支護(hù)方式通過老窯采空區(qū)影響區(qū)域的支護(hù)設(shè)計(jì)和施工工藝。
關(guān)鍵詞:運(yùn)輸大巷;采空區(qū);聯(lián)合支護(hù);密集U型鋼支架
1 概況
陳家山煤礦平硐二三新大巷是為替代變形嚴(yán)重的原二三石門間平硐大巷而設(shè)計(jì)施工的一條運(yùn)輸大巷。巷道全長(zhǎng)1195m,坡度為+5‰,巷道凈寬5.0m,凈高3.75m,三心拱斷面,掘進(jìn)斷面積21.3㎡,凈斷面積16.9㎡,支護(hù)形式為錨網(wǎng)索+U型鋼支架+澆注聯(lián)合支護(hù)。巷道埋深165-325 m,沿施工方向揭露巖性依次為中粗砂巖、泥巖、4#-2煤、泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖。
巷道掘進(jìn)至610 m煤巷段時(shí),巷道進(jìn)入老窯采空區(qū)影響區(qū)域,此段煤層自然傾角32°,煤層層理明顯,煤厚15m左右,底煤2.5m,煤層普氏系數(shù)2-3。采空區(qū)影響區(qū)段長(zhǎng)20m,巷道頂板距采空區(qū)僅1.5m-5m。掘進(jìn)過程中出現(xiàn)了頂板出水且水溫過高,CH4、CO少量溢出的現(xiàn)象,判斷老窯采空區(qū)賦存積水并且有自燃現(xiàn)象。
2 聯(lián)合支護(hù)技術(shù)原理
針對(duì)穿越采空區(qū)造成施工條件復(fù)雜、施工難度大、安全威脅大等技術(shù)難點(diǎn),確立了“先探后掘、短掘短支、聯(lián)合支護(hù)、及時(shí)封閉、綜合治理”的施工原則。聯(lián)合支護(hù)是首先采用錨網(wǎng)噴一次支護(hù)和初步封閉,再采用密集U型鋼支架(棚距400mm)作為二次支護(hù),最后加以澆注和注漿進(jìn)行加固和完全封閉,最大限度地發(fā)揮了圍巖的自承能力,實(shí)現(xiàn)支護(hù)一體化、載荷均勻化,達(dá)到了巷道問題和及時(shí)封閉的目的,其原理分析如下:
1)針對(duì)巷道壓力大的問題,采用錨網(wǎng)進(jìn)行一次主動(dòng)支護(hù),能有效地控制巷道變形和防止頂板事故。初次噴漿及時(shí)封閉采空區(qū)的裂隙,防止向采空區(qū)漏風(fēng),控制采空區(qū)自燃。
2)密集U型鋼支架是巷道壓力的主要承載結(jié)構(gòu)。松散應(yīng)力集中圍巖體,若采用剛度很大的支護(hù)材料進(jìn)行支護(hù),將在膨脹壓力作用下導(dǎo)致支護(hù)失敗,若支護(hù)材料剛度過小,巷道變形不能得到有效抑制。
U型鋼可縮性支架是一種廣泛應(yīng)用于礦山巷道的支護(hù)器材,具有較高的初撐力,支護(hù)強(qiáng)度大,當(dāng)圍巖作用于支架上的壓力達(dá)到一定值時(shí),支架便產(chǎn)生屈服縮動(dòng),從而避免了圍巖的壓力大于支架的承載力而導(dǎo)致支架的破壞。采用U型鋼可縮性支架可充分發(fā)揮其均布荷載情況下初撐力大、強(qiáng)度高、柔性可塑的特點(diǎn)。
3)巷道澆筑U型鋼可縮性支架連為一體,使作用在U型鋼支架載荷均勻分布;巷道澆筑完全阻斷了采空區(qū)與外界聯(lián)系,同時(shí)支護(hù)體與水、空氣間的聯(lián)系全部中斷,阻止銹蝕反應(yīng),保證支護(hù)體系的長(zhǎng)期性和穩(wěn)定性,避免水泥注漿滲漏跑漿。
4)巷道壁后水泥注漿,改善圍巖的物理力學(xué)性質(zhì),調(diào)動(dòng)了圍巖的自身承載能力;破碎煤巖體重新膠結(jié)成一體,提高煤巖體的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性;錨桿受力傳遞的可靠性和連續(xù)性得以充分發(fā)揮;覆蓋采空區(qū)自燃區(qū)域,達(dá)到防滅火效果;填充導(dǎo)水裂隙,防止采空區(qū)積水對(duì)支護(hù)件的破壞。
綜上所述錨網(wǎng)梁支護(hù)配合U型鋼可縮型支架、噴漿和巷道壁后注漿,使巷道支護(hù)體可以形成一個(gè)多層有效組合拱,即噴網(wǎng)組合拱、U型支架支護(hù)拱、錨桿壓縮區(qū)組合拱及漿液擴(kuò)散加固拱。多層組合拱結(jié)構(gòu)擴(kuò)大了支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效承載范圍,提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力,充分加大并利用了圍巖體自身的強(qiáng)度。
3 聯(lián)合支護(hù)施工
施工工序?yàn)樘椒潘蜻M(jìn)→錨網(wǎng)鎖支護(hù)→初噴→安裝支架→澆筑→注漿,循環(huán)進(jìn)尺0.4m。錨網(wǎng)和U型鋼支架支護(hù)如圖1所示。
3.1 錨網(wǎng)噴支護(hù)
1)錨桿采用?20mm×2250mm螺紋鋼錨桿,間排距為800mm×800mm,使用兩節(jié)K2335型樹脂錨固劑固定,錨固長(zhǎng)度700 mm,錨桿外露長(zhǎng)度不得大于50 mm;網(wǎng)采用?6mm冷拔絲金屬網(wǎng),網(wǎng)規(guī)格1000×2000mm,網(wǎng)格100mm×100mm。
2)噴漿混凝土配比為1:2:2,水泥為425#普通硅酸鹽水泥,石子粒度為5 mm,速凝劑摻量為水泥質(zhì)量的2%-3%,噴漿的厚度不得小于70 mm。
3.2 架設(shè)U型鋼支護(hù)
U型棚材質(zhì)選用U29型鋼,該棚分為3個(gè)部分,底寬5300mm,腰寬5000mm,凈高3750mm。支架搭接長(zhǎng)度500mm,搭接段用3道卡纜擰緊,卡纜間距80mm,支架間距400mm,兩架之間用L50角鐵連桿連接,每架3根,兩側(cè)棚腿和頂梁各一根,頂部和兩幫用板皮背實(shí)。
3.3 澆筑
澆注混凝土配比為1:2:2,水泥為425#普通硅酸鹽水泥,石子粒度為20-40 mm,速凝劑摻量為水泥質(zhì)量的2%-3%。采用模板澆筑,模板長(zhǎng)度為2m,澆筑厚度為200mm。
3.4注漿
1)注漿孔采用矩形布置,排距為2m,每排4個(gè)孔,孔間距1.5m,孔深5m,孔徑?35mm。注漿材料為425#普通硅酸鹽水泥,漿液水灰比為(0.8-1):1。
2)注漿壓力??紤]巷道圍巖滯后注漿加固是在圍巖應(yīng)力場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定后對(duì)破裂巖體的固結(jié),注漿壓力主要用于克服漿液在裂隙中的流動(dòng)阻力,同時(shí)保證實(shí)際有效擴(kuò)散半徑不小于2.0m,因此注漿壓力宜控制在3.0MPa-4.0 MPa,并在施工中調(diào)整。
4 應(yīng)用效果分析
為了考察聯(lián)合支護(hù)效果,觀測(cè)支護(hù)后圍巖活動(dòng)規(guī)律,保證施工質(zhì)量,對(duì)巷道變形位移設(shè)三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè),經(jīng)過六個(gè)月的觀測(cè),得出如下結(jié)論:
1)密集U型棚支護(hù)有效地控制了巷道變形,聯(lián)合支護(hù)完成1個(gè)月后水平平均移近量為120mm,頂板位移量為30mm,底鼓量為500mm,施工60d后,頂?shù)装寮八轿灰屏口呌诜€(wěn)定,變化很小。
2)巷道兩幫巖體在圍巖應(yīng)力作用下向地板擠壓流動(dòng),使底板處于高應(yīng)力場(chǎng)的力學(xué)環(huán)境中,底鼓明顯。
3)巷道斷面整體收縮,沒有出現(xiàn)明顯的局部變形破壞,支護(hù)體處于均勻受力狀態(tài),充分發(fā)揮了U型支架的支護(hù)性能。
4)巷道變形沒有經(jīng)過明顯的、劇烈的來壓過程,說明支架逐漸產(chǎn)生主動(dòng)屈服縮動(dòng),使支架上的壓力來壓緩和,避免了圍巖的壓力大于支架的承載力而導(dǎo)致支架的破壞。
5 結(jié)論
1)巷道過采空區(qū)的支護(hù)設(shè)計(jì)必須充分考慮采空區(qū)自燃和積水的治理,綜合治理才能有效地保證巷道施工質(zhì)量和安全。
2)密集U型鋼支架支護(hù),具有更高的初撐力和支護(hù)強(qiáng)度,對(duì)于破碎散巖體具有很好的支護(hù)效果。
3)低壓力注漿以滲透注入為主,結(jié)合架后充填可將圍巖壓力均勻作用在U型支架上,提高圍巖強(qiáng)度、改善圍巖狀態(tài),同時(shí)加強(qiáng)了錨網(wǎng)支護(hù)的整體性和協(xié)調(diào)性。
4)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)可以將錨網(wǎng)噴、U型支架和澆筑注漿加固技術(shù)有機(jī)結(jié)合,充分發(fā)揮了錨網(wǎng)的主動(dòng)支護(hù),U型鋼可縮性支架配合壁后水泥注漿充分提高了圍巖強(qiáng)度和錨網(wǎng)支護(hù)整體性能。聯(lián)合支護(hù)技術(shù)研究的應(yīng)用,較好地解決了運(yùn)輸大巷過采空區(qū)的支護(hù)難題,為今后巷道過采空區(qū)及松散破碎巖體的支護(hù)做出了有意義的探索。