复杂地质矿井软岩支护技术实践_蒙进宝.pdf

2023年第1期新 疆 有 色 金 属复杂地质矿井软岩支护技术实践蒙进宝黎伟明（甘肃靖远煤电股份有限公司，甘肃白银 730910）摘要：结合王家山煤矿四号井中采区1105区段石门软岩支护技术实践，分析巷道变形原因。通过改进支护形式，有效控制巷道收敛变形量，工程质量大幅提高。关键词：复杂地质；软岩支护；收敛变形；技术实践0 引言王家山煤矿是甘肃靖远煤电股份有限公司的骨干矿井之一，矿井随开采深度增加，矿山压力增大、地质构造愈复杂，尤其四号井中采区，区域内主要开拓巷道临近揭煤段围岩松软，遇水后易膨胀，且受地质构造影响，岩层不稳定，在巷道开掘后，受动静压影响，短时期内巷道收敛变形严重，严重影响通风、运输及行人安全。1 工程背景1.1 工程概况王家山煤矿四号井中采区深部煤层（+1360m水平以下）平均倾角40，采用暗斜井结合区段石门的开拓方式。1105区段石门为中二采区最低水平阶段进风、运输机巷，与副暗斜井相接，设计工程量 325米，埋深735米，岩性以灰白色、灰色粗砂岩、粉砂岩为主，接近煤层夹杂多层灰黑色泥岩及煤线。1105区段石门基岩段设计采用锚网索喷支护形式，穿煤段及接近煤层不稳定区域设计采用锚网索喷+U29钢支架联合支护形式，棚距700mm，在U型钢棚距底板400mm处补打两根与支护锚杆同类型锚杆固定棚腿，棚后采用混凝土背板（长宽厚=120020050）满背方式背帮封顶，背板混凝土强度不低于C30。1.2 巷道现状1105区段石门，原设计为直墙半圆拱形，巷道净宽5200，墙高1400，净断面积17.89。开掘一年后，穿煤区域锚网索喷+U29型钢支架联合支护巷道，两帮移近量最大达665，顶底板闭合量最大达570。1105区段石门变形破坏特征1主要有浆体大面积脱落、浆体裂缝、棚腿扭曲、钢棚后仰四种情况。2 巷道变形原因分析2.1 巷道埋深大，地质构造复杂，地应力大1105区段石门埋深达 735米及以上，上覆岩层厚，静压大；成煤地层受古河道冲刷、断层等影响，构造复杂，地应力大，支护强度不足以平衡上覆载荷及侧帮应力2。2.2 支架设计存在不合理因素固定钢支架棚腿的锚杆，设计在U型钢支架距底板400mm处棚腿中央打眼，将固定锚杆穿透棚腿，然后加钢垫块上螺母紧固进行固定，棚腿上开凿锚杆眼孔，破坏了该处钢材原始性能，留下薄弱点，受压后更易损坏。2.3 钢棚背帮方式不合理钢棚背帮采用混凝土背板满背方式，背板与锚网支护间存在一定间隙与空洞，且无法用浆体充填密实，使钢棚受力极不均匀。背板外喷射的混凝土，由于与背板不能有效粘合，呈两张皮现象，浆体又无纵、横筋连接，受压后容易开裂，呈大块脱落，失去喷浆支护应有效能。3 支护方案改进根据中国工程院院士康红普教授提出的千米深井软岩巷道围岩支护改性卸压协同控制原理3，对原支护方案做如下改进。3.1 改进U型钢支架背帮方式，增强钢支架支护强度原锚网索喷+U29 钢支架联合支护巷道，受压后，两钢支架间浆体开裂，局部呈大块脱落，究其原因，一是混凝土背板后浆体充填不密实，背板和浆体受压不均匀；二是二次喷浆浆体与混凝土背板及初喷浆体不能有效粘合；三是二次喷浆浆体缺少骨架。鉴上，对钢支架背帮方式等改进，巷道开挖后，先进行锚网索支护，再进行初次封闭性喷浆，喷浆厚度不超过50；之后架设U型钢支架，紧贴钢支架外侧全断面二次铺设支护用钢筋网（6.5钢筋网片，网孔DOI:10.16206/ki.65-1136/tg.2023.01.023612023年第1期新 疆 有 色 金 属100100），钢支架在二次喷浆前采用木楔配合铁丝点式固定牢靠，取消混凝土背板；最后二次喷浆成巷，喷浆总厚度150。3.2 选取更高型号U型钢材，提高支架支护能力将钢支架钢材型号由 U29 型提高到 U40 型。U29型钢支架4属于上世纪80年代研发的产品，其惯性矩IX为612cm4，抗弯曲能力较弱，U40型钢惯性矩IX为1064cm4，抗弯曲能力大为提高；再者U40型钢支架承受压力性能强，支撑时间久，具有更稳定的承载能力。3.3 改进钢支架固定棚腿锚杆布置方式，确保支架完整性把原U29型钢支架固定棚腿锚杆由U型钢支架距底板400mm处棚腿中央打眼，将固定锚杆穿过棚腿，然后加垫块上螺母的固定方式（每棚2根锚杆），改为在U型钢支架两侧距底板400mm处补打两根锚杆，配合槽型夹板的固定方式（每棚4根锚杆），杜绝对钢材的原始破坏，确保不降低钢支架棚腿强度，同时增强锚网索喷主动支护与钢支架被动支护的互补作用，提高支护效果。3.4 改进U型钢支架棚梁棚腿搭接方式，提高薄弱处承载能力U型钢搭接段之间的相互作用是通过卡缆来完成的，因此卡缆是U型钢支架的关键构建和重要部位，它既决定了支架的可缩性能，又对支架工作阻力的确定起到关键性作用，其性能直接影响着U型钢支架的承载能力。原U29型钢支架在搭接处设计使用2付螺杆卡缆连接，在实际使用过程中，卡缆易被破坏而失效，或钢支架因工作阻力不足而发生较大收缩量。故将U40型钢支架卡缆在插接处增加到4付，并将螺杆卡缆变更成双槽夹板面卡缆，提高其连接强度，改善连接处力学性能，抵抗破坏，增加工作阻力，提高承载抗收缩能力。3.5 改进U型钢支架加工方式，平衡侧帮应力原设计钢支架棚腿与水平面呈90夹角，钢棚承受巷帮侧压后，棚腿容易向巷内鼓出而失去稳定性。为改善钢棚受力状态，平衡侧帮压力，加工时将棚腿与棚梁插接处角度增加5，使钢支架棚腿与水平面呈85夹角，抵消巷道墙角锚网支护薄弱带来的不利影响，提高对巷帮支护能力。3.6 钢支架滞后锚网索支护架设，避开围岩变形高峰期根据观测，巷道在开掘后一段时间内变形速率较大，故改进锚网索支护后即时架棚加强支护方式为滞后架设钢支架，让围岩应力得到一定释放，起到卸压作用，避开变形高峰期。4 实施效果对原支护方案改进后，在原巷道进行实践，通过变形观测，巷道收敛变形得到有效控制，工程表面质量大幅提高，通过近2个月的观测后，两帮移近量最大达到10后，顶底板闭合量最大达12后巷道趋于稳定，巷道工程质量基本无变化。5 结语（1）该项技术的实施改善了巷道支护质量。通过改进U型钢支架背帮方式、提高支架钢材型号、改进棚梁棚腿搭接方式、固定棚腿锚杆的布置方式和钢支架加工方式、主动支护与被动支护间隔时间等，实践证明有效改善了钢支架支护性能，巷道收敛变形得到有效控制，表面质量和工程观感大为提高，巷道稳定性增强，支护可靠性提高。（2）该项技术的实施提升了工程安全性。通过改进背帮方式，在减小支护厚度的基础上，反而增加了支护强度，通过铺设双层钢筋网片，使锚网索喷棚成为一个有效支护整体，里层钢筋网片起到了棚间浆体的骨架作用，杜绝了浆体、背板“两张皮”，在压力作用下大块脱落现象，消除了浆皮掉落伤害事故隐患；通过用浆体充填直接替换混凝土背板，杜绝了满背方式混凝土背板与锚网支护间的空洞，发挥了喷浆支护的应有作用，支架受力更加均匀，工程安全性有了显著提升。（3）该项技术上具有可行性和适用性。该技术是在原有施工技术和设计基础上的改进与优化，施工方法保持了延续性，相对简单，不必进行可行性分析与论证，实施该技术也无须对施工人员进行特殊培训，简单易行，适用性强。参考文献：1姬书强.不同巷道断面形态下围岩力学性能研究J.煤，2021，30（10）:35-37，50.2翟新献，涂兴子，李如波，等.深部软岩锚注支护巷道围岩变形机理研究J.煤炭工程，2018，50（1）:6.3康红普，郑仰发，李建忠，等.煤矿千米深井巷道围岩支护-改性-卸压协同控制技术J.煤炭学报，2020，45（3）:20.4倪昊，孟祥瑞，赵光明.U29型钢支架的偏载对承载能力的影响分析J.煤炭技术，2011，30（03）:99-101.收稿：2022-05-1862