矿井巷道稳定性分析及支护方案研究

矿井巷道稳定性分析及支护方案研究

0巷道围岩大变形工程软岩是指在工程力的作用下，可产生明显的塑料变形的工程岩体。巷道开挖后,岩体的原岩应力状态遭到了破坏,引起应力重新分布,围岩将向巷道临空面发生位移变形,围岩出现底鼓、顶沉,缩帮等大变形特征。针对新安煤矿软岩巷道稳定性控制问题,提出了对该矿软岩巷道变形机理及控制对策进行研究的必要性,结合室内试验、现场地质调查、数值分析等多种手段,提出了新安煤矿深部软岩巷道稳定性控制的方法。1安三矿回风合成巷道菌株甘肃平凉新安煤业有限责任公司是徐州矿务集团公司在甘肃省投资的全资子公司,由在建的新安煤矿、崇信县百贯沟煤业有限公司和山西项目部组成。新安煤矿井田面积为4.51km2,可采储量约7425万t,设计生产能力90万t/a,设计服务年限约为58.9a。新安煤矿+535m回风石门位于矿区+535m水平,巷道赋存于粉砂岩、泥岩、细砂岩和砂质泥岩等岩层,各个岩层沿巷道的走向和与垂直巷道走向方向均有约10°倾角,存在着膨胀性软岩,复杂的地质条件等问题。巷道有严重的底鼓现象,最大量达1800mm,两帮出现上折或者下折,顶板出现较大的非对称下沉现象,围岩表面的混凝土喷层有开裂剥落、钢筋网外露现象,部分锚杆、锚索被挤出或拉断而失效。2巷道围岩破坏特征通过现场实地调查可知,新安煤矿软岩巷道变形破坏问题突出,主要表现在以下几个方面:(1)以底鼓为主的非对称特征。底鼓量占巷道变形量的很大一部分,底鼓现象严重,底板的破坏范围大,呈现出不对称变形特征。底鼓量平均1500～1800mm,破坏范围占巷道1/2左右。(2)顶底板收缩严重的非对称特征。巷道表面位移为加速-缓慢减速-恒速变形型。表现为顶板偏左肩处呈破碎状剥落,下沉严重区域呈兜状下沉状态。顶部变形的主要特征是顶板岩层发生比较显著的相对错动位移和向内挤压。(3)帮部严重鼓出并出现折帮。在非线性应力作用下,岩层之间的软弱结构面处与岩层夹角为钝角的帮部位置出现向上错位滑动或内挤,而夹角为锐角的帮部位置出现向下的错位滑动或内挤。最大挤出量达到1200mm之多,且两帮多为非对称内挤和错位。(4)支护体失效数量多,力学破坏特征明显。锚杆、锚索承载力较低,多出现拉断现象,锚杆、锚索和金属网的破坏特点显示了支护体难以承受巷道围岩的变形能力,以变形刚度和强度不协调为主要特点。3支出的设计3.1预压焊网支护根据新安煤矿+535m回风石门的具体围岩地质条件,通过分析围岩变形力学机制和转化技术,结合数值模拟结果,确定在新安煤矿+535m回风石门延长段采用新型恒阻大变形锚杆耦合支护设计方案,在特殊地质地段(如遇围岩泥化严重地段)对围岩注浆加固。支护方案:(1)支护方式。恒阻大变形锚杆+φ6mm压焊平网+反底拱钢砼+喷射C20混凝土支护;(2)设计断面。半圆拱巷道,墙高1600mm,拱半径(净)2350mm;(3)支护材料及参数。(1)锚杆:采用HMG-500型恒阻锚杆,直径22mm,长度为3000mm,钻头选用直径35mm合金钻头,锚杆间排距为1000mm×1000mm,平行布置。锚杆采用树脂药卷端头锚固,每孔采用1根CK2870(里)、1根Z2835(外)树脂锚固剂。(2)底板加固:采用φ22mm螺纹网绑扎现浇砼支护,绑扎间排距为300mm×300mm,单层钢筋网,钢筋搭接时搭接长度不小于400mm。(3)金属网:采用φ6.0mm压焊网,网片尺寸为1000mm×2200mm,网格尺寸100mm×100mm,网片搭接100mm,网与网之间通过专用联网器钩扣联结,连接点间距不大于200mm。(4)混凝土:喷射混凝土强度等级为C20,内掺防水剂。(4)方案断面支护示意图如图1所示。3.2施工过程的设计3.2.1锚杆钻机注意事项严格按爆破图表要求布置炮眼、安装炸药等工作,做好光面爆破,确保有良好的成型,然后初喷60mm混凝土、挂网、安装长度3m恒阻大变形锚杆、复喷40mm混凝土。(1)锚杆施工准备工作。按设计图布置眼位,并用手镐刨出眼窝,在钎杆上做好钻深标记;准备好风管、水管及锚杆钻机等工具。(2)恒阻大变形锚杆施工顺序。锚杆钻机试运转;根据眼位,钻头放入眼窝后,启动手柄开关;按设计的角度和方向钻进打眼,直至达到要求深度;安装锚固剂,1根CK2870(里)、1根Z2835(外)树脂锚固剂;用锚杆钻机将杆体旋进岩孔,然后依次安装托盘、螺母。(3)施工注意事项。点眼或打眼过程中,不准用手直接扶或托钻杆和用手掏眼口的岩粉;打完眼后,先停风后停水;安装锚固剂前须用压风将岩孔内的岩屑清除干净;安装后,托盘应在喷射混凝土面或岩面平整处,以使承载力均匀分布,防止压力传递,造成锚杆产生弯曲应力;锚杆安装技术偏差严格控制在《锚杆支护技术规范》要求范围内。3.2.2第二次支护施工在第一次支护的基础上挖底(三心拱,最低处1200mm)、绑扎φ22mm螺纹网底板浇筑砼。第二次支护施工要求及注意事项:按设计要求挖出三心拱面或用喷砼造面;钢筋距巷道底板不低于200mm;钢筋搭接长度不得小于400mm;钢筋在巷道两帮处进入墙里不小于150mm;钢筋十字交叉及搭接处必须用铁丝绑扎牢固;严格按设定配合比搅拌混凝土,浇筑时必须采用震动泵进行震动。3.3围岩位移近量和稳定性通过现场对巷道围岩位移量的监测,巷道施工后的前4～20d为围岩变形的急剧变形期;掘进20～80d为变形减缓期,围岩移近量逐渐减小并趋于稳定;掘进80d之后围岩基本处于稳定状态,可以基本认定巷道在80d左右已经趋于稳定。从监测曲线来看,恒阻大变形锚杆+φ6.0mm金属网+底板钢砼+喷射混凝土支护从根本上控制了回风石门延长段的非线性大变形,同时保证了巷道全断面的稳定。4板钢砼+金属网+混凝土支护方