深部顶板煤巷动压巷道支护技术研究.docx
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深部顶板煤巷动压巷道支护技术研究
深部顶板煤巷动压巷道支护技术研究
于光辉
摘要：
本文分析了深部煤巷动压巷道变形原因，提出多种加固方案，并对方案进行优化选择，最终确定采用槽钢、锚杆、锚索耦合支护加固方案，取得了良好效果。
关键词：
煤巷动压巷道锚网（索）支护
一、概述
鹤壁三矿位于鹤壁煤田中部，南距鹤壁市中心2Km，东距京广铁路汤阴车站21Km，汤鹤铁路支线从本矿工业广场穿过，距鹤壁北站1Km，鹤壁集至汤阴公路由本矿东北穿过，公路及铁路交通方便。
矿井生产能力140万t/a，为鹤煤集团骨干矿井之一。
三矿井田地质构造较复杂，为Шa型。
本井田处于鹤壁煤田中部，地层总走向NNE，倾向SE，倾角8°～48°，一般为21°。
为一具有波状起伏的单斜构造，NNE向及NE向断裂发育，对煤层开采有一定影响。
三水平猴车道布置在三条下山的保护煤柱中，沿煤层顶板掘进，处于背斜轴部，原岩应力比较大，围岩应力集中，猴车道变形比较严重，急需提前加固。
目前，国内外对高应力巷道基本上采用组合支护技术，如U型钢支护+壁后充填，钢筋混凝土+预应力锚索，高强锚杆+锚索、围岩注浆加固等，这些技术适应不同的围岩条件；但由于支护成本、施工条件、施工难度、施工技术等原因，这些技术尚未在鹤壁矿区得到大量的推广应用；目前鹤壁矿区仍大量采用价格昂贵的U型钢支架，实践表明，U型钢支架并不能完全适应鹤壁矿区围岩的地质条件；因此，有必要研究出一套针对性强，经济合理，操作简便，效果良好的巷道维修技术体系，全面改善鹤壁矿区失修巷道的技术面貌。
在把握国内外巷道支护发展现状及方向的基础上，针对三矿三水平猴车道变形、失稳巷道的具体条件开展巷道支护技术研究。
主要研究试验内容：
1、对鹤壁矿区各类失稳巷道围岩结构特点及变形特点进行分析，在此基础上根据巷道维护难易程度进行分类；
2、根据具体情况，选择合理的支护方式进行研究。
3、根据巷道变形特征、巷道服务年限，研究锚杆、锚索、注浆加固、组合锚杆等支护参数；
4、研究失修巷道维修时合理的施工技术；
5、提出适合三矿不同条件下的巷道维修技术体系；
三矿三水平猴车道布置在三条下山的保护煤柱中，沿煤层顶板掘进，三水平猴车道直接顶板为深灰色砂质泥岩，厚4.85m，老顶为细粒砂岩，厚3.04m，直接底为黑色砂质泥岩，厚11.07m，综合柱状图如图1。
设计断面为矩形，净宽4.0m，净高2.6m（下帮高度必须保证2.6m，上帮高度不限），原设计依据工程类比法确定各支护参数，顶板锚杆采用φ20mm高强度螺纹钢树脂锚杆，长度2m，顶板每隔一排布置两根锚索加强支护，锚索直径15.24mm，长度8m，两帮采用φ18mm圆钢树脂锚杆，长度2m，帮顶铺设8#镀锌铅丝菱形网，并且辅设梯子梁支护，锚杆间排距700×700mm，顶板布置6根锚杆，上帮布置4根锚杆，下帮布置5根锚杆。
见巷道锚杆—锚索支护总体布置图。
由于巷道处于动压状态，巷道还没投入使用，就多处发生变形破坏，特别是两帮移近量比较大，最大处移近量达500mm，严重影响巷道的正常安全使用。
二、变形原因分析
三水平猴车道布置在三条下山的保护煤柱中，沿煤层顶板掘进，处于背斜轴部，原岩应力比较大，围岩应力集中，掘进过程中一方面受到两侧放顶煤工作面的采动影响，另一方面受到三条下山重复整修迭加应力的影响，改变了原岩应力场中的静压状态，应力增大，导致巷道围岩应力的再次或多次分布，巷道原有静压状态下稳定平衡被打破，围岩发生显著变形位移和压力增大，需要经过应力重新分布达到新的平衡后，巷道围岩才能重新稳定下来。
由于现有支护方式不能适应动压影响带来的应力变化情况，导致巷道受到不同程度的破坏，或断面变形，或围岩松动失稳，从而影响巷道的正常安全使用。
三、加固方案设计
（一）提出方案
针对三水平猴车道出现严重变形的情况，根据工程地点的地质条件，结合有关失修巷道支护方面的技术资料，提出三种加固方案：
砌碹支护
补打锚索、喷浆支护
槽钢、锚杆、锚索耦合支护
（二）确定方案
方案
名称
技术原理
优缺点
与三水平猴车道的
适应性
方案筛选
砌碹
支护
利用料石的强度及整体性抵抗围岩的压力。
优点：
在静压状态比较适用，巷道美观。
缺点：
塑性变形量范围小，不能适应动压状态。
一方面砌碹支护工作量比较大，目前三水平猴车道马上投入运行，时间上不允许；另一方面三水平猴车道处于动压状态，砌碹支护很难适应。
×
补打锚索、喷浆支护
对围岩施加预应力，主动支护围岩，充分调动巷道深部围岩的强度。
优点：
工艺简单，容易操作，能够给围岩一定的预应力。
缺点：
不能适应巷道高应力、大变形状态。
三水平猴车道处于高应力、塑性大变形状态，单一锚索、喷浆加固支护不能适应高应力带来的塑性大变形。
×
槽钢、锚杆、锚索耦合支护
通过锚杆-围岩、锚索-围岩以及槽钢-围岩支护的耦合而使其变形协调，从而限制围岩产生有害的变形损伤，实现支护一体化、载荷均匀化，达到巷道稳定的目的。
优点：
能够消除单一锚喷支护或钢棚支护控制围岩存在的弊端。
缺点：
支护成本高，工序复杂。
能够弥补锚杆支护能力不足的缺陷，防止锚杆间的破坏煤体发生塑性大变形，避免因过度变形而破坏围岩本身的承载程度，从而提高支护的整体性
√
把三种加固支护方案进行比较筛选，确定采用槽钢、锚杆、锚索耦合支护作为最佳支护方案。
四、耦合支护原理
槽钢、锚杆、锚索耦合支护是针对巷道围岩由于塑性大变形而产生的变形不协调部位，以及围岩结构面产生的不连续变形，通过锚杆-围岩、锚索-围岩以及槽钢-围岩支护的耦合而使其变形协调，从而限制围岩产生有害的变形损伤，实现支护一体化、载荷均匀化，达到巷道稳定的目的。
槽钢、锚杆、锚索耦合支护材料主要包括槽钢、锚杆、锚索，它们在整个体系中所起的作用是不同的。
在槽钢、锚杆、锚索耦合支护中锚杆通过与围岩相互作用，与原支护锚杆起着主导承载作用，同时能够防止围岩松动破坏，并有一定的伸缩性，可随巷道围岩同时变形，而不失去支护能力。
槽钢的主要作用是弥补锚杆支护能力不足的缺陷，将巷道围岩控制在其允许变形范围内，防止锚杆间的破坏煤体发生塑性大变形，避免因过度变形而破坏围岩本身的承载程度，从而提高支护的整体性，达到巷道的正确维护要求。
锚索作为一种新型的加强支护方式，由于锚固深度大，可将浅部不稳定煤层锚固在深部稳定煤层中，同时可施加预应力，主动支护围岩，能够充分调动巷道深部围岩的强度。
五、支护设计
由于三水平猴车道顶板已采用锚索加固，锚索间排距1400mm，锚索直径15.24mm，长度8m。
由于两帮高度不一致，所以两帮槽钢长度选择不同，两帮均采用10#槽钢支护，上帮工字钢长3.0~3.5m，下帮工字钢长2.8m，每根槽钢必须紧贴巷帮，采用两根锚杆及一根锚索固定于帮上，锚索打在槽钢中间，根据巷道围岩松动圈范围，确定锚杆长度为3.5m，材质选取φ20的高强螺纹钢，锚索选用原材料为φ5mm×7mm高强度、低松弛粘结式钢绞线，直径为15.24mm，长度8m。
每根锚杆采用2根Z2335树脂药卷固定，每根锚索采用3根Z2335树脂药卷及3根K2335树脂药卷固定。
上帮锚杆、锚索间距为1100mm，下帮锚杆、锚索间距为1000mm，工字钢布置在原支护两排锚杆之间，排距700mm，每根槽钢必须埋入底板下200mm。
两帮加固结束后，再复喷150mm厚砂浆。
加固支护断面图如图：
六、施工工艺及要求
1、施工前，先在两排锚杆中间按坚直方向挂线，定出工字钢的位置，按眼距定好眼位，然后按所定眼位使用煤电钻打眼。
2、锚杆、锚索安装：
锚杆、锚索安装包括装锚固剂，插入锚杆、搅拌药卷。
工序虽然简单，但工序的操作好坏将直接影响整个锚杆支护效果，必须做到装锚固剂之前检查锚杆孔的质量、锚杆锚索构件质量、药卷是否硬化、过期或损坏，已变化过期和损坏的药卷，严禁使用。
同时严格控制药卷的搅拌时间为30±5S，且要求药卷的搅拌过程应连续进行，中途不得间断。
锚杆、锚索安装时必须注意预留外露的锚杆、锚索长度能够安装工字钢。
3、安装工字钢：
把打好的锚杆锚索穿入工字钢孔内，然后上好托盘，紧固螺母。
安装的工字钢必须保证有200mm埋入巷道底板。
4、两帮工字钢安装结束后，挂线喷浆，两帮喷150mm厚砂浆，顶板喷50mm厚砂浆。
五、锚索施工的技术要求及安全技术措施
1、打锚索孔时，接长式钻杆连接处强度较低，在接头位置进入孔内之前，要控制锚杆机推力，以免钻杆折断伤人。
2、锚索孔深误差控制在±30mm。
3、每孔用4支树脂药卷，必须充分搅拌，锚索搅拌树脂药卷过程中，不能停顿，搅拌时间不得少于25S。
4、松开盘住的锚索时，要注意其弹性比较大，防止突然弹开伤人。
5、锚索要随打随安装但可把当班安装的锚索集中一次进行张拉。
6、张拉锚索前，应先检查张拉千斤顶、油泵各油路接头外是否有松动，若发现有松动现象，应及时拧紧。
7、张拉锚索时，应使张拉油缸与锚索保持同轴，张拉千斤顶卡住锚索后，人员可暂撤到千斤顶侧面，张拉千斤顶正下方禁止站人。
8、锚索外露长度控制在200±20mm。
9、锚索安装48h后，如发现预紧力下降，必须及时补拉。
10、张拉时发现锚固不合格的锚索，必须立即在其附近补打，或者张拉器将不合格的锚索拔出，然后用锚索钻机将原来的钻孔刷一遍，重新安装锚索。
11、禁止在锚索、锚杆上系倒链、滑轮起吊大件。
12、有关机具的使用、操作、维护、保养等均应按厂家的产品说明书或操作指南进行。
六、监控量测
本段试验巷道进行了表面位移监测。
1、实验目的：
表面位移监测是用来观察巷道围岩向挖空区移动规律的现场实验，可以观察巷道围岩表面岩壁的位移。
2、监测仪器
表面位移监测仪器设备比较简单，主要仪器有测线、短木桩、位移收敛计、半圆等。
3、监测步骤
首先是设点，然后是观察记录，最后是资料分析。
4、结果分析
为确保能够更好地验证支护设计的可靠性，及时在三水平猴车道进行了巷道表面位移观测，每隔50m设立一个观测站，对巷道进行围岩表面位移观测，每个断面的测点布置如图3。
采用十字布点法，设专人观测数据及围岩变形，实测数据经整理取平均值，如表1。
图3测点布置图
d
ba
c
表1：
围岩变形实测数据
起测天数
1
2
3
5
10
13
18
22
30
25
30
40
45
50
a（mm）
2790
2781
2776
2772
2769
2752
2748
2735
2728
2727
2726
2725
2725
2724
b（mm）
1192
1180
1174
1173
1170
1158
1152
1143
1139
1139
1138
1138
1137
1137
c（mm）
1938
1934
1929
1918
1914
1911
1910
1907
1905
1905
1904
1904
1903
1903
d（mm）
1425
1423
1420
1417
1413
1411
1410
1408
1407
1406
1405
1405
1404
1403
测试数据表明，巷道加固后，上帮收敛量为67mm，下帮收敛量为55mm，上帮收敛量大于下帮收敛量；顶板下沉量为22mm，底板鼓起量为35mm，顶板下沉小于底鼓。
巷道围岩总的收敛变形如图4。
从图中可以看出，巷道加固30d后，顶底板和两帮的围岩变形都趋于稳定，此后巷道收敛速率明显减小，说明施工采取的支护手段基本合理。
七、锚索支护修复巷道的推广应用前景
随着开采深度逐渐加大，失修巷道越来越多，软岩巷道施工和支护问题日益突出。
本项目主要是利用巷道产生的变形破坏的主要原因和特点，针对围岩的具体情况，提出了煤巷动压巷道维修的原则与对策，采用了“先让后抗，以柔克刚，缓冲压力，稳定支护”的支护理念，解决了巷道重复修复的支护问题，经过近一阶段的实践证明，巷道支护是稳定的。
2007年8月至今，在三矿三水平猴车道开始实施试验方案，成功解决了巷道开裂、返修的问题，通过比较，采用槽钢、锚杆、锚索耦合支护技术加固巷道，取得了良好的社会效益和经济效益，实践证明，该方案具有推广价值。
2011-12-24510728138839410728197610024097
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