小型煤矿大断面巷道支护设计及施工

小型煤矿大断面巷道支护设计及施工

考虑到整体设计、施工速度和减少矿山投资，将一些主要的运输道路直接配置给煤层，使用寿命长，运输量大，道路段大，属于矿山建设的重要路线。由于地质条件的变化，一些原始设计在煤层底板和屋顶层的稳定岩下，运输道路和主要人行道不能配置在所需的层，但必须配置在煤层中。松软煤层中的大断面巷道对支护标准、施工速度要求较高,既要求巷道在服务年限内不变形、不破坏,又要求巷道支护成本低、速度快。松软煤层中大断面巷道的支护设计及施工都十分困难,工程质量也难以有效控制,在施工中易发生片帮冒顶事故,施工进度慢,在使用中由于巷道变形开裂、底鼓而影响生产。采准巷道中常用的支护形式和施工方法由于允许巷道有较大的位移变形,且需经常维护,因此不适用于井底车场巷道、运输大巷及主要硐室。1拉伸煤体垮落和变形破坏机理原生松软煤层有褐煤、贫煤;后生松软煤层即地应力集中区域煤层,煤层受到顶底板岩层的挤压或受断层褶曲等构造影响而造成的碎散煤体。原生松软煤层内部组织结构松散,水分低,密度小,致密性差,粘结力小,遇水泥化。后生松软煤层除具有原生松软煤层的一般物理性质外,还表现为具有更大的流变性。松软煤体的四周只要有自由面存在,就极易发生片帮冒顶,特别是巷道开挖后,支护不及时,煤体的下方形成自由面及空顶,煤体仅靠自重就会大面积垮落,若不加控制则通常按自然稳定角一直冒落至稳定顶板。松软煤层在垮落破坏时没有明显的弹性阶段,应力重新分布的时间很短。根据有关资料,处于煤层中的大断面巷道返修率极高,尤其是在受采动影响和在高应力的条件下。松软煤层对巷道的影响除与本身的性质有关外还和施工方法及措施有着密切的关系。如果施工方法得当,支护层和煤体间比较密实,则能较快地形成新的平衡状态,这种状态对巷道支护层的破坏最小。当巷道与煤体间充填不密实或存在较大的空间时,松软煤体将发生蠕变乃至流变,在巷道四周形成一个松动圈,原应力场的平衡状态被打破,在地压的作用下,松动范围将逐步扩展,直到破碎煤体将巷道支护层四周的空间填满挤实,但在地压作用较明显的地区,地压通过巷道四周松动圈内的固体介质较均匀地传递到巷道支护层,并与松动圈内介质自重应力共同作用,也常常能使支护遭到破坏,但整个过程持续时间较长,一般不会发生大的突发事故,可采取套棚加固的措施来处理。而当施工措施不当,出现大量的煤体塌落现象,又没有及时处理,煤体自行剥落,直至煤层的稳定顶板,这样,煤层顶板下方形成大面积的自由面,在地压作用下,应力重新分布,造成应力集中,煤层老顶出现沉降裂缝,当变形量超过它的临界值,就会突然断裂,冲击巷道支护层,造成事故,甚至引发煤体突出。2巷道顶板压力及支护根据松软煤层的特性和主要运输巷道的使用条件,要求采用刚性的支护形式,来扼制煤体的位移变形,同时又要求支护结构能够提供较大的初始阻力。因此,巷道的支护强度应大于巷道顶部煤体自重应力和来自煤层顶板的部分压力。支护层处于三维受力状态,受力状态比较复杂,计算比较繁琐。实际应用中常将支护层的受力状态进行简化,采用图1所示的受力状态对松软煤层巷道顶板压力进行估算,即:q=kq0+hr(b+h),式中:q——松软煤层巷道顶板压力;q0——巷道所处层位的地压,可根据巷道上覆岩层情况按有关地压计算公式求得;k——地压传递系数,一般根据经验选取,k=0～1;r——松动圈内煤岩体的平均密度;b——巷道的掘进宽度;h——松动圈的高度,一般取支护层至煤层老顶的距离。根据计算出的地压确定合理的支护厚度,在实际设计过程中,为了减少支护厚度以节约投资和提高施工进度,除应采取及时支护、密实充填等技术措施外,还应着重从以下方面完善施工工艺:(1)掘进施工时采用超前支护或小导硐施工法等特殊措施,防止空顶时间过长,造成煤体塌落。(2)由于松软煤体中大断面巷道的支护量大,质量标准要求高,可先施工临时支护,提供给煤体一个足量的初始阻力,防止位移变形,然后再进行永久支护。(3)对断面特大(煤层又厚)、服务年限长或地压大的重要硐室,在支护层砌筑完毕后实行壁后注浆,以加大支护层厚度和提高整体强度;或专门对煤体进行注浆,使碎散煤体结合成板块结构的整体,以提高煤体自身的抗应变能力。3支出的形式和适用条件3.1起球泥砂墙施工料石来源广泛、价格低、施工简便,适合就地取材和实行短段掘砌施工。料石碹初期强度高,又有一定让压能力,是松软煤体中大断面巷道常用的支护形式。施工中料石灰缝砂浆要饱满,发挥其整体作用,壁后充填密实。双料石碹抗侧压能力较差,故侧压大的矿井或墙高超过2.5m的大断面不宜采用这种支护形式。3.2混凝土层料石混凝土联合支护施工时分两次立模砌碹,外层为料石,内层为混凝土。这种支护形式利用料石碹在初期强度高,施工速度快且允许少量变形的特点,混凝土碹则利用其整体性好、抗压能力大的特点,对顶板淋水大,侧压大的厚煤层尤其适用。3.3抗作用不适宜钢筋混凝土支护具有强度高,整体性好,对各方向来压均有较强的抵抗作用,是井巷工程经常采用的重要支护形式。但这种支护方式施工速度慢,不适宜短段掘砌;由于需绑扎钢筋,空顶时间长,初期强度低,来压后容易压裂。因此采用这种支护方式需采取临时支护维护顶板。3.4挡土墙后再砌混凝土金属支架与混凝土联合支护即先架设金属支架作外层支护,然后套内层混凝土碹。这种支护方式适用于地压显现快、掘砌过程中煤层极易片帮、冒落的地段。金属支架施工速度快,具有让压变形、缓解消除部分应力的作用,待压力趋于稳定后再砌混凝土碹。在实际施工中,金属支架巷道的断面要比设计的轮廓尺寸大100mm左右,留下让压变形、巷道断面缩小的余地。3.5离后喷射混凝土支护在煤层较簿、地压小的地段可以采用料石砌碹与喷射混凝土联合支护的方式。即首先施工料石碹体,待施工过一段距离后,再喷射混凝土。这种支护方式的作用机理与料石混凝土