柳選軍,劉慶利,朱世陽(yáng),樊 亮

(陜西彬長(zhǎng)文家坡礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 713500)

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深井長(zhǎng)距離大斷面回采巷道支護(hù)方案優(yōu)化

柳選軍,劉慶利,朱世陽(yáng),樊 亮

(陜西彬長(zhǎng)文家坡礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 713500)

為解決文家坡煤礦4101首采工作面長(zhǎng)距離大斷面回采巷道頂板下沉量大、鋼帶變形嚴(yán)重以及幫部破碎擴(kuò)容顯著等圍巖失穩(wěn)帶來(lái)的支護(hù)質(zhì)量差甚至支護(hù)失效現(xiàn)象,采用鉆孔窺視儀對(duì)巷道進(jìn)行布孔觀測(cè)和工程類(lèi)比法對(duì)原支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：采用優(yōu)化方案后，頂板下沉量從600 mm降低到100 mm，并且鋼帶受剪切變形顯著減少；巷道尺寸收斂現(xiàn)象為50～100 mm，低于優(yōu)化前的300 mm.為避免巷道變形嚴(yán)重，在監(jiān)測(cè)監(jiān)控基礎(chǔ)上增加支護(hù)強(qiáng)度是合理可行的。

深井；長(zhǎng)距離大斷面回采巷道；鉆孔窺視儀；支護(hù)方案優(yōu)化

0 引 言

煤礦開(kāi)采深度的不斷增加,井下巷道將處于更高的地應(yīng)力環(huán)境中[1]，深部礦井因其地質(zhì)構(gòu)造、圍巖產(chǎn)狀和巖性、地應(yīng)力場(chǎng)構(gòu)成以及地下水等因素形成了與淺部迥然不同的地質(zhì)特征和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律[2]。深部巖石處于高圍壓、高溫度和高孔隙壓力的環(huán)境，因此，巖石的力學(xué)行為與淺部巖石的力學(xué)行為有很大的不同。隨著開(kāi)采深度、廣度及開(kāi)采強(qiáng)度的不斷提高，地質(zhì)條件日趨復(fù)雜化，顯著增加了巷道支護(hù)難度[3-4]。合理選擇支護(hù)形式及其參數(shù)是整個(gè)工序的關(guān)鍵，現(xiàn)場(chǎng)分析結(jié)果表明，巷道支護(hù)的失敗，絕大多數(shù)是由于支護(hù)形式與圍巖不相適應(yīng)，即支護(hù)選型不當(dāng)造成的[5-7]。,研究高地應(yīng)力軟巖環(huán)境下巷道科學(xué)的支護(hù)方式是保證礦井安全采掘深部煤層的關(guān)鍵之一[8]。

1 工程概況

陜西彬長(zhǎng)文家坡礦埋深680～740 m，屬于深埋煤礦，主要可采煤層為4#煤。4101工作面暨為礦井首采工作面，回采巷道設(shè)計(jì)為矩形斷面，長(zhǎng)達(dá)3 000 m．其中帶式輸送機(jī)巷距離長(zhǎng)、斷面尺寸大，巷道整體多布置在遇水膨脹的泥巖和透水性較好的細(xì)粒砂巖中。在施工過(guò)程中，出現(xiàn)的巷道頂板下沉，底板底鼓，幫部破碎擴(kuò)容等礦山壓力顯現(xiàn)現(xiàn)象，成為制約礦井安全生產(chǎn)管理和快速掘進(jìn)亟需解決的突顯問(wèn)題。

2 原方案支護(hù)效果

4101工作面帶式輸送機(jī)巷設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)為：矩形斷面長(zhǎng)×高=5.7 m×3.65 m，錨索規(guī)格：φ21.6 mm×8 800 mm的鋼絞線，間排距為1.4 m×2.1 m，托盤(pán)材質(zhì)采用長(zhǎng)×寬×厚=300 mm×300 mm×20 mm碟形鋼板，同時(shí)頂板布置W鋼帶。錨桿規(guī)格：φ20 mm×2 700HRB335鋼筋，間排

距700 mm×700 mm，托盤(pán)材質(zhì)采用Q235鋼，規(guī)格為150 mm×150 mm×8 mm，另幫部錨固用木質(zhì)墊板規(guī)格為長(zhǎng)×寬×厚=400 mm×250 mm×50 mm的木板，布置方式如圖1所示。

圖1 巷道設(shè)計(jì)支護(hù)圖(單位：mm)

4101工作面帶式輸送機(jī)巷在掘進(jìn)過(guò)程中，圍巖穩(wěn)定性較差，頂板最大下沉量達(dá)到600 mm，導(dǎo)致部分巷道中的錨索托盤(pán)和W鋼帶由于所受荷載較大，產(chǎn)生嚴(yán)重彎曲變形；幫部出現(xiàn)破碎擴(kuò)容現(xiàn)象，巷道收斂變形明顯，收斂最高達(dá)300 mm；局部圍巖破碎嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)支護(hù)失效現(xiàn)象，對(duì)工程質(zhì)量、安全、進(jìn)度等方面產(chǎn)生極大影響，如圖2所示。

圖2 原支護(hù)條件下圍巖狀態(tài)及支護(hù)效果

3 圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

圍巖松動(dòng)圈測(cè)試通過(guò)在圍巖表面打孔，用觀測(cè)裝置對(duì)圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如巖性、巖層分界、圍巖破碎情況、圍巖內(nèi)部裂隙的發(fā)育等情況進(jìn)行記錄，從而分析得出圍巖松動(dòng)圈。這種方法操作簡(jiǎn)單，結(jié)果明晰，已成為采礦工程、地下工程測(cè)定圍巖松動(dòng)圈的主要方法之一，如圖3所示。

圖3 巷道圍巖鉆孔窺視設(shè)備

巷道開(kāi)挖破壞了巖體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，圍巖釋放一部分勢(shì)能，產(chǎn)生變形，圍巖中形成松動(dòng)圈。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安裝松動(dòng)圈監(jiān)測(cè)斷面，測(cè)量圍巖松動(dòng)圈范圍，結(jié)合松動(dòng)圈支護(hù)設(shè)計(jì)理論，評(píng)價(jià)巷道支護(hù)效果，能夠判斷巷道圍巖穩(wěn)定性。監(jiān)測(cè)斷面如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)斷面示意圖

隨巷道掘進(jìn)，距掘進(jìn)工作面每隔20 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面并布以十字樁兼做圍巖收斂觀測(cè)，共計(jì)3個(gè)。通過(guò)對(duì)頂板窺視孔觀測(cè)分析：孔內(nèi)2.2 m位置發(fā)現(xiàn)頂板離層，2～1 m范圍內(nèi)見(jiàn)較多圍巖破碎現(xiàn)象和裂隙，頂板圍巖松動(dòng)圈范圍小于頂板圍巖錨桿支護(hù)長(zhǎng)度；觀測(cè)孔中有淋水，與存在頂板裂隙水的地質(zhì)情況相符合。一周后，通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，距頂板窺視孔孔口1.8 m位置發(fā)生孔徑變小現(xiàn)象，如圖5所示。

圖5 巷道頂部窺視效果

幫部除孔口破碎狀態(tài)較嚴(yán)重外，圍巖較完整，只存在較少的裂隙發(fā)育，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)圍巖中存在的裂隙和破碎情況，且?guī)筒繘](méi)有發(fā)現(xiàn)裂隙滲水現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6 巷道幫部窺視效果

對(duì)比頂板和兩幫觀測(cè)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，4101帶式運(yùn)輸機(jī)巷層位多為泥巖、透水性較好的細(xì)粒砂巖，頂板受裂隙水影響，圍巖破碎，下沉量較大。通過(guò)對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面30 d的觀測(cè)，頂板下沉量最大為600 mm；幫部較完整，但因頂部受裂隙水影響產(chǎn)生的失穩(wěn)導(dǎo)致幫部移近量增大，最大為300 mm，并出現(xiàn)破碎擴(kuò)容現(xiàn)象。

針對(duì)4101工作面帶式輸送機(jī)巷在掘進(jìn)過(guò)程中頂部和幫部圍巖失穩(wěn)共同引發(fā)支護(hù)質(zhì)量較差甚至支護(hù)失效問(wèn)題，根據(jù)窺視孔觀測(cè)結(jié)果分析認(rèn)為，巷道幫部圍巖較完整，頂部2 m范圍內(nèi)圍巖較破碎，但松動(dòng)圈范圍沒(méi)有超過(guò)錨桿的支護(hù)長(zhǎng)度，從科學(xué)支護(hù)及節(jié)約支護(hù)成本的原則出發(fā)，錨桿支護(hù)間排距不做調(diào)整，但為了防范和對(duì)頂部圍巖進(jìn)一步破碎失穩(wěn)的有效控制，把錨索長(zhǎng)度由8.8 m變更為12 m，間排距調(diào)整為1.4 m×1.4 m.

同樣對(duì)優(yōu)化支護(hù)施工的巷道從變更支護(hù)開(kāi)始的位置隨巷道掘進(jìn)，每隔20 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，共布設(shè)3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，并布以十字樁兼做巷道收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)，具體如圖4所示。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面觀測(cè)時(shí)間同樣為30 d，最后取其加權(quán)平均值，結(jié)論為：優(yōu)化支護(hù)后的圍巖穩(wěn)定性、完整性明顯提高，頂板下沉量最大為100 mm；幫部收斂量最大為50～100 mm；較優(yōu)化前的最大頂板下沉量和幫部收斂量明顯降低，并且鋼帶受剪切變形顯著減少。方案優(yōu)化后和優(yōu)化前30 d觀測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)比如圖6所示，優(yōu)化后的支護(hù)效果如圖7所示。

圖7 方案優(yōu)化前和優(yōu)化后的數(shù)據(jù)對(duì)比

圖8 優(yōu)化后的頂部支護(hù)效果

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)4101工作面支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化得出如下結(jié)論

1) 頂板觀測(cè)孔2.2 m位置發(fā)現(xiàn)頂板離層有離層現(xiàn)象，2～1 m范圍內(nèi)見(jiàn)較多圍巖破碎帶和裂隙，頂板圍巖松動(dòng)圈范圍小于頂板錨桿2.7 m的支護(hù)長(zhǎng)度；

2) 二次對(duì)頂板觀測(cè)表明，頂板在剪切應(yīng)力的作用下，觀測(cè)孔1.8 m位置發(fā)生孔徑變小現(xiàn)象；

3) 觀測(cè)孔中有淋水，表明頂板受砂巖裂隙水影響，圍巖破碎程度較幫部嚴(yán)重，引發(fā)頂板下沉量增大，鋼帶變形明顯等因圍巖失穩(wěn)帶來(lái)的支護(hù)問(wèn)題;

4) 以增加錨索長(zhǎng)度，縮小了錨索間排距作為方案優(yōu)化的主要內(nèi)容，采用優(yōu)化后的方案，頂板下沉量從最大600 mm減少至100 mm，巷道收斂也從最大300 mm降至50～100 mm，圍巖穩(wěn)定性顯著提高；

5) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明，圍巖破碎變形嚴(yán)重的深井大斷面巷道，當(dāng)松動(dòng)圈范圍小于錨桿有效支護(hù)長(zhǎng)度，不改變錨桿支護(hù)間排距，通過(guò)加大錨索支護(hù)長(zhǎng)度和縮小錨索間排距，既可以節(jié)約支護(hù)成本又可以有效控制圍巖變形，優(yōu)化后的方案是合理可行的。

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Supporting scheme optimization for long distance and large dimension entry of deep mine

LIU Xuan-jun,LIU Qing-li,ZHU Shi-yang,FAN Liang

(ShaanxiBinchangMiningCo.,Ltd.,Xianyang713500,China)

To solve phenomenon of poor quality and even failured supporting broungt by the instability of surrounding rock due to large amount of roof subsidence and serious deformation of the strip and the significant crushing capacity for two side of roadway at long distance and large section gateway of 4101 mining face of WEN Jia-Po coal mine,using borehole camera and engineering analogy method to optimized the original support scheme.Useing optimized scheme,roof subsidence reduce from 600 mm to 100 mm,and reduce shear deformation of steel strip significantly.The narrowing size phenomenon of roadway is 50～100 mm less than 300 mm compared with before.In order to avoid the severe deformation of roadway,increasing supporting intensity is reasonable and feasible based on online monitoring.

deep mine；long distance and large dimension entry；borehole camera；supporting scheme optimization

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0105

1672-9315(2015)01-0028-04

2014-08-20責(zé)任編輯:高 佳

柳選軍(1967-)，男，陜西彬縣人，高級(jí)工程師，E-mail:920182072@qq.com

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