煤礦深部巷道支護(hù)技術(shù)研究

煤礦深部巷道支護(hù)技術(shù)研究

在深度條件下，該通道圍巖反映了工程軟巖的特征，即在工程力的作用下，可以產(chǎn)生明顯的塑性變形，并產(chǎn)生非線性變形的特征。深井支護(hù)要求支護(hù)結(jié)構(gòu)要有一定的變形量(支護(hù)前期)和支護(hù)強(qiáng)度高(支護(hù)的后期)。目前煤礦深部巖巷普遍采用錨網(wǎng)噴支護(hù),素混凝土噴層抗拉強(qiáng)度低、韌性差,在圍巖大變形條件下,出現(xiàn)脆性破壞,噴層容易脫落使支護(hù)失效和威脅人身安全。為解決這個(gè)難題,研究高強(qiáng)度、高韌性的纖維混凝土材料來(lái)改善錨網(wǎng)噴混凝土噴層性能的課題被提了出來(lái)。我國(guó)煤礦深部開(kāi)采巷道長(zhǎng)達(dá)180萬(wàn)m。在目前的支護(hù)方式下,巷道在服務(wù)期間內(nèi)屢遭破壞,需多次翻修。對(duì)深部開(kāi)采礦井巷道每年的修復(fù)費(fèi)是一筆很大的開(kāi)支,這種狀況不僅影響了礦井正常生產(chǎn)而且影響了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益,因此對(duì)深部高應(yīng)力巷道支護(hù)方法與支護(hù)材料的研究,對(duì)我國(guó)煤礦安全高效生產(chǎn)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。1全斷面支護(hù)參數(shù)試驗(yàn)巷道是孔莊煤礦Ⅳ1采區(qū)上部車(chē)場(chǎng)行人回風(fēng)石門(mén)、軌道下山上部車(chē)場(chǎng)巷道,試驗(yàn)巷道總長(zhǎng)200m,其中:合成(粗)―鋼纖維混凝土巷道長(zhǎng)為100m,對(duì)比巷道長(zhǎng)為100m。巷道埋深為820m。巷道圍巖裂隙發(fā)育,滑面比較多。巷道凈寬為4.0m,巷道凈高為3.5m,原設(shè)計(jì)噴射素混凝土厚度100mm?，F(xiàn)采用全斷面錨網(wǎng)梁+噴射纖維混凝土+錨索支護(hù),具體參數(shù)如下:全斷面使用左旋螺紋鋼錨桿進(jìn)行支護(hù),錨桿規(guī)格均為Φ20×2200mm,其間排距為:800mm×800mm。初噴后鋪網(wǎng)打錨桿。錨索為Φ17.8mm鋼絞線,L=8000mm,每排3根,間排距為1800mm×1600mm,梁用鋼筋焊成梯子間,鋼筋直徑為Φ16mm。2混合纖維混凝土噴層的應(yīng)用2.1纖維特性和用量根據(jù)深井巷道的支護(hù)要求,對(duì)市場(chǎng)能夠買(mǎi)到的工程纖維進(jìn)行遴選,本著經(jīng)濟(jì)適用的要求選用了合成(粗)纖維、鋼纖維按不同配比進(jìn)行試驗(yàn)最終確定。1)合成(粗)纖維,直徑500～800μm,該種纖維的密度為0.91g/cm3;抗拉強(qiáng)度大于450MPa;彈性模量為7.3GPa;無(wú)吸水性;無(wú)味;強(qiáng)抗酸堿性;當(dāng)量直徑為0.5mm;斷裂伸長(zhǎng)率為8%;分散性良好;對(duì)人體安全性好,且具有性?xún)r(jià)比高,適合工程大面積推廣的特點(diǎn)。2)鋼纖維取材比較容易,也是性?xún)r(jià)比較高的高彈模纖維,適合大面積的推廣。鋼纖維選用波浪型鋼纖維,纖維長(zhǎng)度為35mm,長(zhǎng)徑比為50～60,平均極限抗拉強(qiáng)度800MPa以上,密度為7.85t/m3。2.2合成厚纖維與鋼纖維的比較2.2.1試驗(yàn)材料及纖維摻量為了比較混雜纖維對(duì)高性能混凝土增強(qiáng)、增韌的效果,選用不同配合比組合進(jìn)行了試驗(yàn):基準(zhǔn)C30素混凝土(用C表示)、合成(粗)纖維增強(qiáng)混凝土(用PC表示)、鋼纖維增強(qiáng)混凝土(用SC表示)和合成(粗)纖維與鋼纖維混雜纖維混凝土(用SPC表示),纖維摻量為體積比,見(jiàn)表1。2.2.2纖維混凝土長(zhǎng)期力1)抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。在混凝土中摻入纖維后,混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均得到不同程度的改變,見(jiàn)表2。在三種加纖維混凝土中混雜纖維(合成(粗)纖維+鋼纖維)的增幅最大,抗壓強(qiáng)度提高了39.8%,抗折強(qiáng)度提高了45.4%,同時(shí)加入單一的纖維,抗壓、抗折強(qiáng)度均有提高,說(shuō)明纖維對(duì)混凝土可以起到微筋材的作用。2)彎曲韌性。纖維混凝土除了可提高混凝土的抗壓強(qiáng)度外,更重要的是可顯著改善混凝土的韌性。試驗(yàn)梁尺寸為400mm×100mm×100mm。不同混凝土的韌性對(duì)比如圖1所示。從圖1可以看出,素混凝土C的脆性極強(qiáng),從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)看,只有0.3mm的位移便開(kāi)始斷裂,且裂縫一經(jīng)出現(xiàn)便迅速產(chǎn)生破壞斷裂。而SPC纖維混凝土則表現(xiàn)出極好的韌性,曲線所包圍的面積最大,明顯表現(xiàn)出增強(qiáng)增韌性能疊加的優(yōu)勢(shì)。韌性明顯高于摻加單一纖維的2種混凝土,彎曲荷載—撓度曲線下包圍的總面積最大。表現(xiàn)出吸收破壞沖擊能量的能力更強(qiáng)的特點(diǎn)。2.3決定纖維混凝土噴層厚度的確定2.3.1支護(hù)參數(shù)確定松動(dòng)圈圍巖是錨桿支護(hù)的主體,松動(dòng)圈巖體的碎脹力(簡(jiǎn)化為重力)由錨桿承受。噴層起局部支護(hù)作用,即錨桿間的表面支護(hù),控制錨桿間非錨固區(qū)危石的墜落的壓力,還有圍巖應(yīng)力的重新分布而帶來(lái)的附加應(yīng)力,附加應(yīng)力計(jì)算是復(fù)雜的,所以噴層厚度大多依據(jù)工程類(lèi)比法確定。此次試驗(yàn)在參考了孔莊煤礦素混凝土噴層厚度的基礎(chǔ)上,根據(jù)地質(zhì)資料,按表3中力學(xué)參數(shù)確定圍巖級(jí)別,再根據(jù)《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》選擇噴層厚度,還要考慮巖石堅(jiān)硬性巖體完整性、結(jié)構(gòu)面特征,地下水和地應(yīng)力確定圍巖的級(jí)別?？浊f煤礦試驗(yàn)巷道為Ⅳ類(lèi)圍巖,根據(jù)《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》查出預(yù)定支護(hù)參數(shù)。論文用FLAC有限差分計(jì)算軟件對(duì)初選的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行支護(hù)效果模擬驗(yàn)算,最后確定噴層的厚度和其他支護(hù)參數(shù),完成噴層厚度設(shè)計(jì)。2.3.2巷道圍巖應(yīng)力分布噴漿方案選擇先初噴30～50mm的素混凝土,然后分別按噴射厚度為80mm、100mm、150mm的纖維混凝土和原設(shè)計(jì)噴射100mm素混凝土進(jìn)行對(duì)比,錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)不變,評(píng)價(jià)巷道支護(hù)的穩(wěn)定性。論文采用FLAC數(shù)值模擬進(jìn)行分析。1)原設(shè)計(jì)支護(hù)方式穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。在原設(shè)計(jì)支護(hù)方案下,巷道的表面位移量,如圖2所示。從圖2可以看出,在原支護(hù)下巷道頂板下沉量、底鼓量、左幫移近量、右?guī)鸵平糠謩e為40mm、35mm、31mm、31mm。巷道圍巖的垂直應(yīng)力在兩幫及兩底角集中,兩幫距巷道周邊1.4m處有最大集中應(yīng)力32.5MPa。巷道圍巖的水平應(yīng)力在頂?shù)装寮皟傻捉羌?頂部距巷道周邊2m處有最大集中應(yīng)力15MPa,底部距巷道周邊2.5m處有最大集中應(yīng)力18MPa。2)不同的纖維混凝土噴漿厚度。(1)在纖維混凝土厚度為80mm時(shí),巷道頂板下沉量、底鼓量、左幫移近量、右?guī)鸵平糠謩e為32mm、34mm、19mm、19mm。巷道圍巖的垂直應(yīng)力在兩幫及兩底角集中,兩幫距巷道周邊1.2m處有最大集中應(yīng)力30MPa。巷道圍巖的水平應(yīng)力在頂?shù)装寮皟傻捉羌?頂部距巷道周邊2m處有最大集中應(yīng)力15MPa,底部距巷道周邊2.5m處有最大集中應(yīng)力17.5MPa;(2)在纖維混凝土厚度為100mm時(shí),巷道頂板下沉量、底鼓量、左幫移近量、右?guī)鸵平糠謩e為29mm、35mm、17mm、17mm。巷道兩幫塑性區(qū)在1.2m左右,兩幫距巷道周邊1.1m處有最大集中應(yīng)力30MPa。巷道圍巖的水平應(yīng)力在頂?shù)装寮皟傻捉羌?頂部距巷道周邊2m處有最大集中應(yīng)力14.5MPa,底部距巷道周邊2.5m處有最大集中應(yīng)力17.5MPa;(3)在纖維混凝土厚度為150mm時(shí),巷道頂板下沉量、底鼓量、左幫移近量、右?guī)鸵平糠謩e為26mm、35mm、15mm、15mm。巷道兩幫塑性區(qū)在1.2m左右,底板塑性區(qū)在2.1m左右,頂板塑性區(qū)在0.6m左右。巷道圍巖的垂直應(yīng)力在兩幫及兩底角集中,兩幫距巷道周邊1m處有最大集中應(yīng)力30MPa。巷道圍巖的水平應(yīng)力在頂?shù)装寮皟傻捉羌?頂部距巷道周邊2m處有最大集中應(yīng)力15MPa,底部距巷道周邊2.5m處有最大集中應(yīng)力17.5MPa。從以上的模擬結(jié)果來(lái)看,在纖維混凝土噴層厚度在80mm時(shí)頂部支護(hù)已經(jīng)滿(mǎn)足要求,邊墻的位移量偏大,當(dāng)邊墻噴層厚度達(dá)到100mm時(shí)已經(jīng)滿(mǎn)足了工程的要求。因此噴層厚度選擇為拱部80mm,邊墻100mm。2.4混凝土噴射機(jī)噴漿工藝流程1)機(jī)械設(shè)備?；旌狭蠑嚢铏C(jī)采用螺旋式纖維攪拌機(jī),型號(hào)為CJL-5/J,該機(jī)型是專(zhuān)為煤礦井下攪拌纖維研制,體積小,適合煤礦井下空間條件,生產(chǎn)能力5m3/h;混凝土噴射機(jī)采用潮噴工藝,選擇ESP-6型混凝土噴漿機(jī),滿(mǎn)足生產(chǎn)能力為6m3·h-1;耗風(fēng)量8～10m3;適膠骨比為1∶4～1∶5;工作風(fēng)壓0.18～0.6MPa。2)纖維摻入工藝。由于井下條件的限制,先在地面用螺旋攪拌機(jī)將石子、黃沙和纖維按配比進(jìn)行攪拌,裝入礦車(chē)送入井下施工現(xiàn)場(chǎng)。在井下與水泥和添加劑進(jìn)行攪拌直接送到噴漿機(jī)里噴射到巖面上。混凝土配合比稱(chēng)重每次配量按照半濕式攪拌工藝進(jìn)行,滿(mǎn)足潮噴工藝要求,控制砂子和石子的含水量在8%～10%。2.5試驗(yàn)段力學(xué)性能試驗(yàn)分二段進(jìn)行,第一段是對(duì)比段為噴射素混凝土,第二段為噴射纖維混凝土段。素混凝土試驗(yàn)對(duì)比段因?yàn)椴牧享g性比較差與圍巖的耦合性不好,應(yīng)力比較易集中,出現(xiàn)拉應(yīng)力點(diǎn)比較多,經(jīng)觀測(cè),噴層破壞主要是拉應(yīng)力和剪應(yīng)力破壞,應(yīng)力變化情況如圖3所示。該試驗(yàn)段在巷道掘出170d時(shí)出現(xiàn)了開(kāi)裂,在340d時(shí)已經(jīng)破壞需要維修,同一時(shí)間纖維混凝土試驗(yàn)段由于纖維混凝土韌性好,可以通過(guò)變形釋放部分壓力,使應(yīng)力不易集中,實(shí)現(xiàn)了與錨桿的耦合支護(hù)的效果,圍巖易于達(dá)到穩(wěn)定。另外纖維混凝土的抗拉、抗剪能力提高比較大。盡管?chē)妼討?yīng)力相對(duì)較大,但并沒(méi)有超出纖維噴層的強(qiáng)度。因此從礦壓顯現(xiàn)的情況來(lái)看噴層依然是完好的,在巷道使用兩年后沒(méi)有出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。3支護(hù)經(jīng)濟(jì)效益顯著目前孔莊煤礦在深部-800m水平開(kāi)采的錨網(wǎng)梁噴支護(hù)巷道的初次修護(hù)周期為一年。而高韌性纖維混凝土試驗(yàn)巷道經(jīng)過(guò)兩年半觀測(cè),目前巷道完好,無(wú)開(kāi)裂,據(jù)保守估計(jì)至少還可以推遲兩年以上不用修護(hù),修護(hù)期推遲了三年半以上,據(jù)統(tǒng)計(jì)纖維混凝土巷道比素混凝土巷道每米多投入480元,噴素混凝土巷道維修一次可持續(xù)使用兩年半左右,孔莊煤礦目前重新錨噴支護(hù)外加注漿,支護(hù)直接材料費(fèi)、注漿和人工費(fèi)用為3500元,三年半巷道可節(jié)約費(fèi)用3020元/m,經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。4巷道支護(hù)效果預(yù)測(cè)通過(guò)近兩年半井下試驗(yàn)監(jiān)測(cè),纖維混凝土試驗(yàn)巷道噴層沒(méi)有出現(xiàn)開(kāi)裂和脫落現(xiàn)象,同時(shí)施工的素混凝土巷道對(duì)比段在施工一年后因巷道開(kāi)裂脫落進(jìn)行了修護(hù),試驗(yàn)取得了較好效果,總結(jié)如下:1)經(jīng)過(guò)不同纖維材料不同配比的試驗(yàn)分析證明混雜合成(粗)纖維(與鋼纖維混合)水泥基復(fù)合材料,具有很好的強(qiáng)度、韌性,抗拉、抗剪強(qiáng)度高,適合深井巷道圍巖的支護(hù)。2)通過(guò)類(lèi)比法、有限元軟件模擬分析法,根據(jù)圍巖位移量確定纖維混凝土噴層厚度,可以節(jié)約噴層材料,預(yù)測(cè)支護(hù)效果。3)由于井下條件的限制,采取了地面摻加纖維,控