軟巖條件下的復(fù)合支護技術(shù)研究

軟巖條件下的復(fù)合支護技術(shù)研究

1井田煤層特性北灘煤礦是我國第一個大型沿海煤礦，建于1983年，設(shè)計生產(chǎn)能力為0.9萬噸。隨著采煤機械化程度的提高和通過近幾年對礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的改造,使礦井的生產(chǎn)能力大大提高。2004年經(jīng)核定,礦井生產(chǎn)能力達到2.4Mt/a。該礦采用中央立井多水平上下山開拓,其中一、二水平為陸地區(qū)域開拓水平,標高分別為-175m,-250m,開采煤層分別為煤2、煤4;三水平為北皂煤礦向海域延深水平,標高為-350m,開采煤2層。北皂井田成煤于新生代第三系,含煤地層厚203m,主要由泥巖、黏土巖、含油泥巖、炭質(zhì)頁巖、砂巖和煤組成。煤層共分4層,其中可采煤層為煤2和煤4,二者平均間距70m。煤2平均厚4.4m,其頂板為含油泥巖,抗壓強度6.7MPa,底板為黏土巖、砂質(zhì)泥巖互層,抗壓強度7.6MPa;煤4層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,平均厚8.1m,其頂板為泥巖夾炭質(zhì)泥巖,平均抗壓強度為2.29MPa,底板主要為含油泥巖,抗壓強度2.45MPa。煤2、煤4頂、底板的共同特性是遇風(fēng)、遇水都極易產(chǎn)生風(fēng)化、泥化膨脹現(xiàn)象,屬于膨脹性軟巖。另外,井田內(nèi)以斷裂構(gòu)造為主,多為高角度的正斷層,落差由零點幾米到上百米不等,密集分布全區(qū)。受斷層的影響,煤層節(jié)理異常發(fā)育(區(qū)域不同,程度不一樣),具有很高的空隙度和很好的透氣性。節(jié)理走向與主斷層走向近似平行,煤體的抗壓強度遠遠小于煤塊的抗壓強度,故煤2、煤4均為節(jié)理化軟巖。整個含煤地層則屬于典型的強膨脹、節(jié)理化復(fù)合型軟巖。2煤巷分層開采,各有利導(dǎo),個別有空氣調(diào)整北皂煤礦歷經(jīng)近20年的生產(chǎn)實踐,在巷道支護方面,對不同煤巖層、不同采區(qū)和不同服務(wù)年限的巷道采用了多種多樣的支護形式,可歸納為架棚、料石碹(含混凝土澆注)、錨(網(wǎng))噴3種基本支護形式。其中,錨噴支護占全礦在籍巷道的40%以上,主要分布在穩(wěn)定性相對較好的煤層和油頁巖中;料石碹(含混凝土澆注)支護,主要應(yīng)用在開拓、準備巷道,其巖性主要為全巖或半煤巖;采用U型鋼棚支護,是考慮在煤、巖層穩(wěn)定條件差,單進要求較高,單純錨噴支護很難達到預(yù)期支護效果,所采用的一種中間替代支護形式。用于不穩(wěn)定層位,如全巖、半煤巖、過斷層破碎帶或沿老空(巷)及沿斷層走向且煤層節(jié)理異常發(fā)育的煤巷。另外,在分層開采的下分層采用了強度稍低的平頂工字鋼棚支護。對于這3種支護形式,各有適應(yīng)性,各有優(yōu)、缺點。錨噴支護的主要優(yōu)點:一是錨桿把圍巖錨固起來形成組合拱,具有很強的承載能力和很好的可縮性。如果組合拱厚度在1～1.2m,相當(dāng)于2～3層料石碹的強度,相當(dāng)于U25鋼棚支護強度的2～3倍;二是施工速度快。缺點是:初期穩(wěn)定性差,尤其是在頂板破碎條件下施工時表現(xiàn)出一種不安全感,也往往導(dǎo)致支護失敗。鋼棚支護的優(yōu)點:一是初期穩(wěn)定性好,即施工時安全系數(shù)高;二是施工速度快。缺點是,承載能力小,巷道后期變形量大。料石碹支護的優(yōu)點:一是初期穩(wěn)定性好,施工時安全系數(shù)高,而承載能力一般。缺點是:勞動強度大,施工速度慢。同時,3種支護形式在多年的應(yīng)用中,存在著諸多方面的不合理,而在設(shè)計中一時又很難解決,如料石的規(guī)格、架棚的棚距、錨桿的直經(jīng)、長度、間排距基本上千巷一律,而實際在現(xiàn)場中,不同地點、層位巖石的物理、機械性質(zhì)和壓力分布都各不相同,所需要的支護參數(shù)、強度不能一樣。另外,鋼棚與噴漿共同支護,二者的變形速率是不同的,很難形成互補作用,等。近幾年,隨著減人提效工作的進行,礦井老采區(qū)又在不斷收縮,主要開采一些邊角煤柱和斷層煤柱,導(dǎo)致萬噸煤掘進率高,接續(xù)緊張,單進高,而現(xiàn)場條件卻是圍巖非常破碎,巷道壓力大,支護難度大,使U型鋼棚的投入量加大,支護成本提高,嚴重影響了礦井的經(jīng)濟效益。從上述3種支護形式的成本看,相同斷面不同的支護形式,其成本是不同的,其中,錨噴支護最低;砌碹支護約占錨噴支護造價的150%;U型鋼棚支護最高,約占錨噴支護造價的200%。所以在生產(chǎn)過程中,應(yīng)該優(yōu)先選擇錨噴支護,最大限度地提高錨噴支護比例,壓縮U型鋼的投入比例,這是降低噸煤成本的有效途徑。如何充分發(fā)揮錨噴支護的優(yōu)勢,屏棄一些設(shè)計中的不合理因素,拓寬錨噴支護適應(yīng)范圍,是今后支護改革的重點。3巷道支護二次組合支護技術(shù)的應(yīng)用基于上述存在的問題,根據(jù)對巷道破壞形態(tài)的分析發(fā)現(xiàn),不管是何種支護形式的巷道,它們的變形破壞都有一個共同的特點,即無論是初次支護的新開巷道,還是實施了多次支護的返修巷道,其支護體的破壞是一個過程,而不是瞬間整條巷道或者是巷道的一個局部全部破壞了。它總是首先從一個或幾個部位開始出現(xiàn)變形、裂紋、損傷逐漸破壞,進而導(dǎo)致整個支護體的失效。具體表現(xiàn)特征是沿著巷道斷面各個方向的變形速度及其變形量各不相同,總是首先從劇烈變形的部位出現(xiàn)裂紋、產(chǎn)生鱗狀剝落、片狀剝落、塊狀崩落和結(jié)構(gòu)失效,導(dǎo)致巷道局部破壞進而演變成整個支護系統(tǒng)的破壞。既然巷道破壞是一個過程,首先從局部開始破壞,從而導(dǎo)致支護體的破壞。對于這個“局部”就是支護的薄弱部位,這也正說明設(shè)計采取千巷一律的支護參數(shù)是不合理的。為了解決這個問題,在支護體出現(xiàn)了薄弱部位之后,首先對薄弱部位進行錨噴或者注漿等一系列的措施,對原支護系統(tǒng)的薄弱部位進行補強,施加一定的預(yù)應(yīng)力,改變支護系統(tǒng)的受力狀態(tài),使圍巖和支護體達到新的耦合力學(xué)狀態(tài),杜絕支護體局部的破壞。支護的薄弱部位叫做支護的關(guān)鍵部位,對關(guān)鍵部位進行二次補強的處理方法,叫關(guān)鍵部位二次組合支護技術(shù)。采用這項技術(shù)的關(guān)鍵在于二次組合支護時間的確定。根據(jù)有關(guān)資料和多年來的工程實踐驗證,在巷道破壞過程中,都將逐步的出現(xiàn)鱗狀剝落、片狀剝落、塊狀崩落和局部失穩(wěn)破壞4個階段。實踐證明,只要能在片狀剝落階段及時對薄弱部位進行二次補強,支護體就能夠達到一種新的平衡維持巷道穩(wěn)定,而且在這時進行補強,所需要的人力、物力最少,投入最低。鑒于目前經(jīng)常使用的3種基本支護形式,從施工工藝看,采用錨噴做基本支護形式最便于巷道后期出現(xiàn)薄弱部位時采取補打錨桿、掛網(wǎng)噴漿或注漿等措施補強,再次組合成拱使圍巖與支護體達到一種新的耦合狀態(tài),故錨網(wǎng)噴支護是首選的基本支護形式,為二次組合支護技術(shù)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ),是一種最佳的選擇。通常錨噴巷道經(jīng)常在巷道的兩幫出現(xiàn)縱向裂紋,有時伴隨著兩幫整體內(nèi)移,當(dāng)內(nèi)移速度和內(nèi)移量較大時,應(yīng)及時采取補打比基礎(chǔ)錨桿長一些的錨桿,并墊大木托盤的辦法進行處理。另一種現(xiàn)象是在巷道兩肩部經(jīng)常出現(xiàn)噴層破碎,并且有內(nèi)移、下沉現(xiàn)象,當(dāng)內(nèi)移、下沉量較大時,應(yīng)采取剝掉松散的煤體,重新補打比基礎(chǔ)錨桿長一些的錨桿,并掛網(wǎng)噴漿,噴漿的標號也要比原標號高50號。砌碹巷道經(jīng)常出現(xiàn)的一種現(xiàn)象是兩肩部料石崩皮,隨之出現(xiàn)片