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錢(qián)家營(yíng)礦深部井巷維修支護(hù)的認(rèn)識(shí)和控制論文
摘要：為了解決錢(qián)家營(yíng)煤礦深部采區(qū)的巷道支護(hù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)既安全有效又經(jīng)濟(jì)合理，全面認(rèn)識(shí)巷道承壓應(yīng)力的變化規(guī)律，尤其對(duì)采動(dòng)波及范圍大、頻度高的石門(mén)巷道，初次施工過(guò)程中超前考慮適度強(qiáng)化支護(hù)原則，避免支護(hù)強(qiáng)度失當(dāng)造成材料浪費(fèi)或不足形成安全隱患.通過(guò)時(shí)石門(mén)巷道兩幫和底板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的工程實(shí)踐，探索了深部圍巖變形的原因和影響，較好地解決了石門(mén)巷道反復(fù)維修造成的安全和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：井巷工程：全斷面；分類(lèi)控制；待變讓壓
前言：隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，煤礦井巷工程的理論和實(shí)踐有了新的發(fā)展.松動(dòng)圈的理論是井巷支護(hù)的基本觀點(diǎn)，并被廣大工程技術(shù)人員認(rèn)同和采納，實(shí)踐證明對(duì)巷道施工的項(xiàng)板控制效果顯著。但在工程實(shí)踐中，也存在認(rèn)識(shí)上的不足、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變能力差等問(wèn)題造成巷道支護(hù)失效反復(fù)維護(hù)的現(xiàn)象，本文通過(guò)對(duì)松動(dòng)圈理論的多年的井工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐并提出根據(jù)地層賦存狀況、巖層抗壓和抗剪強(qiáng)度、巷道寬高比、地質(zhì)構(gòu)造評(píng)級(jí)等確定松動(dòng)的范圍最后確定支護(hù)原則和控制方法。
一、井巷工程支護(hù)的目的
井巷工程開(kāi)挖后，原來(lái)地層賦存的應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，通過(guò)對(duì)開(kāi)挖過(guò)程中形成的松動(dòng)圈層進(jìn)行有效支撐和維護(hù)以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力重新分布達(dá)到新的平衡，而且新的平衡狀態(tài)在井巷工程的服務(wù)年限內(nèi)保持基本穩(wěn)定。往往在工程實(shí)踐中支護(hù)設(shè)計(jì)大都是滿(mǎn)足初期松動(dòng)的支撐應(yīng)力，對(duì)服務(wù)年限遠(yuǎn)期或后期松動(dòng)和采動(dòng)波及應(yīng)力改變考慮不足。
二、井巷工程支護(hù)的基本觀點(diǎn)
松動(dòng)圈理論是目前分析巷道開(kāi)挖后，圍巖應(yīng)力變化的先進(jìn)的工程理論。工程實(shí)跋中，我們往往只注重了頂部的應(yīng)力尤其重力狀況分析并進(jìn)行了錨噴、錨網(wǎng)噴、錨注噴、錨注網(wǎng)噴、錨網(wǎng)索噴和先錨后架等組合式比較先進(jìn)的支承和維護(hù)方法，擯棄了木棚、鋼鐵支架、料石砌碹以及架?chē)姷缺粍?dòng)支護(hù)的落后方法，對(duì)松動(dòng)圈層內(nèi)的圍巖通過(guò)錨的方式參與積極支護(hù)并使其成為支護(hù)體的組成部分，頂板的支護(hù)得到強(qiáng)化。所謂井巷工程松動(dòng)圈是指地表以下的井筒、巷道和峒室等開(kāi)挖后引起的原有應(yīng)力平衡失穩(wěn)，造成工程空間外巖層受自身重力、粘結(jié)力、抗壓強(qiáng)度及地質(zhì)與水文地質(zhì)構(gòu)造而松動(dòng)甚至破壞的周?chē)鷰r體，需要進(jìn)行支撐和穿結(jié)實(shí)現(xiàn)工程目的的范圍。松動(dòng)圈包括頂板、兩幫及底板等三部分，是一個(gè)閉合的圈層。由于井下巷道大鉚分都采用了半圓拱形斷面，而頂板范圍只是松動(dòng)圈層的一小段弧長(zhǎng)，兩幫直墻與半圓拱頂相切連接，曲線連續(xù)但不可導(dǎo)，切點(diǎn)及直墻是應(yīng)力集中區(qū)，底板是松動(dòng)圈內(nèi)應(yīng)力集中釋放區(qū)，兩地腳是應(yīng)力傳遞過(guò)渡區(qū)，兩墻與底板是松動(dòng)圈內(nèi)受力最為集中的部位，卻淡出了加強(qiáng)支護(hù)的范疇，導(dǎo)致工程服務(wù)年限內(nèi)中途底鼓、片幫，而引起頂板冒落支護(hù)失效不得已再次甚至多次套修支護(hù)，造成安全隱患和人工、材料的大量浪費(fèi)。
三、井巷工程支護(hù)的方法和手段
(一)一般井巷開(kāi)挖后，初次壓力是松動(dòng)圈內(nèi)的圍巖受自重、爆破作業(yè)、抗剪強(qiáng)度、構(gòu)造程度及設(shè)計(jì)斷面形狀等因素影響和作用下，受力產(chǎn)生不同程度的蠕動(dòng)、折斷、翻轉(zhuǎn)等失去自撐能力后的輪廓下沉、開(kāi)裂、掉塊的外部顯現(xiàn)。臨時(shí)支護(hù)的方法是利用錨桿的懸吊、擠壓加固和組合粱作用把松動(dòng)的圍巖控制住，錨桿的著力基礎(chǔ)(樹(shù)脂錨固段)必須是穩(wěn)定巖層，采用30～50mm初噴的方式封閉防止風(fēng)化。第二次壓力受?chē)鷰r自撐、爆轟波、地質(zhì)構(gòu)造和應(yīng)力重新分布等影響造成錨桿控制以外、輪廓以?xún)?nèi)和端頭以?xún)?nèi)兩個(gè)(0.4～0.6m)厚層的圍巖、松動(dòng)范圍加大等的外部顯現(xiàn)，時(shí)問(wèn)需要60～90d(2～3月)，二次壓力顯現(xiàn)后再進(jìn)行掛網(wǎng)補(bǔ)噴的永久支護(hù)作業(yè)，根據(jù)單孔月進(jìn)度確定二次支護(hù)的滯后區(qū)間。
(二)基于上述支護(hù)觀點(diǎn)改變錨桿的傳統(tǒng)理論和實(shí)踐。包括拱基以上放射狀布置忽視底板和兩幫的錨固、錨桿的長(zhǎng)度固定不變忽視了巖性變化與層位賦存和節(jié)理裂隙存在的特殊性、只要是錨桿支護(hù)就是積極支護(hù)等傳統(tǒng)的支護(hù)設(shè)計(jì)理念，改善支護(hù)結(jié)構(gòu)和效果。松動(dòng)圈包括頂板、兩幫及底板等三部分，是一個(gè)閉合的圈層，該圈層的所有部位都受開(kāi)挖影響產(chǎn)生松動(dòng).都應(yīng)該確定錨桿的布置間距進(jìn)行支護(hù)，并控制錨桿與巖層的角度大于30°且小于120°，錨桿的懸吊和組合梁作用都與巖層夾角的正弦成正比當(dāng)該夾角等于零時(shí)，錨桿起作用的就只有擠壓加固一項(xiàng)錨固作用，同時(shí)研發(fā)打底眼安裝錨桿的高性能大功率打眼機(jī)具進(jìn)行地腳和底板錨桿支護(hù)；錨桿還應(yīng)根據(jù)巖石抗壓強(qiáng)度分部位使用不同長(zhǎng)度甚至直徑的錨桿，而節(jié)理裂隙間距小于200mm的區(qū)域適當(dāng)選用長(zhǎng)度大、直徑粗的高強(qiáng)錨桿或錨索：積極支護(hù)的錨桿不僅在緊固時(shí)采用高強(qiáng)緊周工具對(duì)其施加一定數(shù)值的預(yù)應(yīng)力，錨桿的桿體、螺紋螺母過(guò)盈配合及其托板、藥卷的安裝質(zhì)量控制，錨桿的材料屬性現(xiàn)狀應(yīng)為產(chǎn)品錨桿，改變現(xiàn)在的錨桿往往在巷道變形后才起作用使鋪桿成為積極支護(hù)的主體。
(三)根據(jù)圍巖的巖性、節(jié)理裂隙等構(gòu)造、煤巖互層石門(mén)巷道的礦壓特點(diǎn)；首先，由于巖層的彈性模量低和臨時(shí)支護(hù)，松動(dòng)圈內(nèi)的彈性勢(shì)能積聚引起形變，巖層的彈性模量越低圍巖發(fā)生的變形越大，錨桿的著力基礎(chǔ)所在的巖層彈性模量是支護(hù)價(jià)值因數(shù)主要決定因素。其次，初次壓力顯現(xiàn)很快，松動(dòng)圈的彈性變形也與巖石的強(qiáng)度(抗壓、抗剪)密切相關(guān)，巖石的強(qiáng)度越大，變形量越小初期變形的時(shí)間越短，而巖石自身強(qiáng)度低的泥質(zhì)沉積巖、煤層頂?shù)装濉⒚簬r互層等變形量大變形時(shí)間也越長(zhǎng)。此外，初期及后期巷道變形的時(shí)間和強(qiáng)度還與井巷所處的開(kāi)采深度正相關(guān)。引入高強(qiáng)錨桿金屬網(wǎng)、錨索網(wǎng)梁提高對(duì)構(gòu)造及松散巖、煤層控制巷道變形量及變形的發(fā)展，控制開(kāi)挖后的初期變形才是軟巖支護(hù)的重點(diǎn).巖石硬度f(wàn)小于4、節(jié)理裂隙間距小于200mm、破碎及風(fēng)化帶的部位與周?chē)紤?yīng)在開(kāi)挖前采用管縫錨桿間距(200～300mm)與巷道方向夾角15～25°超前控制巖體、控制周邊眼的密度和裝藥量、分次放炮等技術(shù)措施控制巖體蠕動(dòng)、彎曲折斷、翻轉(zhuǎn)等變形。
四、采動(dòng)影響
錢(qián)家營(yíng)煤礦是開(kāi)灤集團(tuán)的骨干礦井，迄今已連續(xù)五年生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煉焦配煤實(shí)現(xiàn)550百萬(wàn)噸／年，煤炭近距離多層賦存(各個(gè)煤層間距6～10米).涌水量大，立井集中大巷開(kāi)拓方式，又隨著開(kāi)采水平的加深，采動(dòng)波及范圍大、頻度高，尤其是平、斜石門(mén)巷道，受采動(dòng)應(yīng)力的反復(fù)影響，圍巖頂板下沉失穩(wěn)、兩幫收斂變形嚴(yán)重以及地鼓現(xiàn)象突出，嚴(yán)重影響這巷道的功能使用。致使部分巷道的區(qū)段經(jīng)常修護(hù)。通過(guò)其他區(qū)域的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我們?cè)诎瞬蓞^(qū)施工軌道、運(yùn)輸平石門(mén)時(shí)，認(rèn)真分析了巷道穿越12～7煤層之間的煤層以及頂?shù)装宓牡刭|(zhì)賦存狀態(tài)、將在以后多個(gè)煤炭生產(chǎn)反復(fù)受采動(dòng)影響，采取了除了正規(guī)支護(hù)外，重點(diǎn)控制并加強(qiáng)兩幫和底板的支護(hù)強(qiáng)度，安全和經(jīng)濟(jì)效果明顯。
五、適度強(qiáng)化支護(hù)的動(dòng)因
隨著開(kāi)采深度的加大、區(qū)域開(kāi)采強(qiáng)度的增加和開(kāi)采煤層的采動(dòng)應(yīng)力的波及疊加，采區(qū)內(nèi)的石門(mén)巷道反復(fù)出現(xiàn)頂板破壞、兩幫內(nèi)斂和底板鼓起等巷道變形，嚴(yán)重影響巷道的運(yùn)輸、行人、通風(fēng)、排水等安全生產(chǎn)職能，必須不斷投入大量的人力、物力和財(cái)力進(jìn)行整修，不僅影響安全，而且制約生產(chǎn)，還造成大量的浪費(fèi)，提高了煤炭的制造成本。分析礦場(chǎng)圍巖應(yīng)力變化發(fā)展的規(guī)律，結(jié)合各個(gè)工場(chǎng)的實(shí)際，施工巷道不僅滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)定的斷面尺寸，而且提高圍巖承載能力，并充分預(yù)留斷面積受壓變小的空間。適度強(qiáng)化支護(hù)的剛度和柔度。
六、常規(guī)支護(hù)方式及不足
開(kāi)灤礦區(qū)開(kāi)拓石門(mén)巷道(與運(yùn)輸大巷成一定夾角的巷道)的支護(hù)，一般采用架棚支護(hù)的形式，這種被動(dòng)支護(hù)的形式在兩側(cè)各個(gè)煤層的采動(dòng)影響，加之隨時(shí)間的推移鐵質(zhì)支架銹蝕程度不斷加深、木質(zhì)背板的腐朽、施工造成的頂幫接觸受力不均以及金屬網(wǎng)梁的強(qiáng)度迅速下降等，另外，多個(gè)近距離煤層反復(fù)動(dòng)壓影響以及頂?shù)装宸�(wěn)定性差、貫通的水力聯(lián)系形成的涌淋水、粉細(xì)砂巖的極易風(fēng)化膨脹等，都形成頂?shù)装逑鄬?duì)移近量加火、兩幫內(nèi)斂嚴(yán)重等，使支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致支護(hù)失效。
七、石門(mén)巷道圍巖松動(dòng)機(jī)理及先錨后架支護(hù)
巖石巷道施工積極吸收煤巷錨索支護(hù)的技術(shù)成果，把石門(mén)巷道穿越煤層群及其頂?shù)装宓闹ёo(hù)引入錨網(wǎng)索技術(shù)。按巷道設(shè)計(jì)斷面正頂和兩幫向外延展200mm作為預(yù)留內(nèi)斂變形量，斷面形狀為半圓拱，錨桿采用直徑20mm，右旋2000mm螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，以巷道中線均勻向巷道兩側(cè)分布.錨桿間排距800mm菱形，并采用直徑6mm鋼絲電焊金屬平網(wǎng)，網(wǎng)間壓茬100～200mm。由于是半圓型斷面，半圓與兩幫直墻直接相切.切點(diǎn)相冠線不可導(dǎo)，是支護(hù)體最為薄弱的部位，巷道來(lái)壓時(shí)頂板的不均布載荷和底板向上的均布載荷交互作用下，直墻與半圓的相冠線上下向內(nèi)收斂變形。整個(gè)主體工程施工時(shí)在兩幫直墻與半圓的相冠線以上300～350mm處各打一排直徑20mm，右旋2400mm螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，然后按800mm間距套U29--10.5m2的可縮性支架，以巷道中線向兩側(cè)各接頂1米，兩腮和兩幫不插背，待變讓壓。
八、工程實(shí)踐
(一)三采中石門(mén)(150米)采用了棚間距為500mm的U25--10.5m2的架棚支護(hù)，從1998年3月投入使用后到2006年9月的八年多的服務(wù)時(shí)間看，期間整個(gè)石門(mén)整體套修5次·清臥皮帶巷底板鼓起多達(dá)9次，這期間大部分的時(shí)間內(nèi)勉強(qiáng)堅(jiān)持生產(chǎn).在02年后的五年中長(zhǎng)期進(jìn)行維護(hù)不斷線，生產(chǎn)的連續(xù)性難以為繼，后通過(guò)采用了錨注方法進(jìn)行了套修，輔之以錨索進(jìn)行了加固積極支護(hù)效果明顯。
(二)四采下部軌道平石門(mén)。在施工到9#煤層位置(采用架棚支護(hù)，棚間距0.5m)時(shí)，由于頂板破碎加之伴隨有頂板淋水，造成迎頭頂扳發(fā)生了大范圍的冒落，冒落空間長(zhǎng)＊寬／高=18.6＊4.1*10.8m。冒落后采用了頂板和兩幫密集管縫錨桿支護(hù)與巷道方向成20°夾角放射布置超前支護(hù)，并分次放炮尤其控制周邊眼裝藥量的方法，完成后2.5m進(jìn)行化學(xué)膨脹材料充填固化圍巖，較好的順利通過(guò)了冒頂區(qū)域。
九、結(jié)論
隨著礦井開(kāi)采深度的增加，礦壓越來(lái)越大.井巷維修工作繁重。本文探討了開(kāi)灤集團(tuán)公司錢(qián)家營(yíng)煤礦采區(qū)巷道礦壓顯現(xiàn)的特點(diǎn)，并提出了一些克服礦壓的適時(shí)11次支護(hù)和剛?cè)峤Y(jié)合支護(hù)觀點(diǎn).對(duì)工程實(shí)踐有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義，并在巷道維修中廣泛采用，安全及經(jīng)濟(jì)效益顯著。
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