深部软岩巷道增强增韧混凝土支护技术.pdf

2 0 1 3 年第2 期 中州煤炭 第 2 0 6 期 深部软岩 巷道增 强增韧 混凝土支护技术 汤 桦 ( 永贵能源开发有限责任公司 ， 贵 州 贵 阳5 5 0 0 2 3 ) 摘要 ： 车集煤矿3 4采 区回风下 山埋深为 6 3 0 6 8 0 1 ， 巷道 围岩 为胶结较松散 的泥岩和砂质泥岩 ， 且顶板砂岩 水较 大， 普通喷 浆工 艺喷层抗拉强度不足 、 韧性差 ， 出现脆 性破坏 ， 导致矿压 显现 明显 ， 巷道支护难度较大 ； 同 时巷道脱皮 、 掉矸及开裂现象严重也威胁行人的安全 ， 为此提 出增强增韧混杂纤维混凝土支护方式。试验 结 果表 明， 使 用纤维混凝土支护段 回弹率 降低 3 0 ， 工作面粉 尘减 少 5 0 ， 降低 了巷道 维护费用 ， 延长 了巷 道 使 用年 限。 关键词 ： 深井巷道 ； 软弱 围岩； 纤维混凝土 中图分类号 ： T D 3 5 3 文献标志码 ： B 文章编 号： 1 0 0 3 0 5 0 6 ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 0 5 8 0 3 近年来 ， 矿 井开采 强度 和深度 13益增 大 ， 深 井巷 道支 护 问题 ， 特别 是 深 井软 岩 巷 道支 护 问题越 来 越 突 出 ， 严重 制约 了矿井 安全高 效生 产 。 J 。原有 的支 护方 式及 支护强 度很难 满 足深井 软岩巷 道安全 使用 的要 求 ， 缩 短 了巷道修 复年 限 ， 在 增加巷 道修 复费用 的同时 ， 也严重 威胁 了矿井 的安全 生产 。 车 集煤 矿煤 炭 开 采开 始 转 向三 煤层 ， l一煤 组煤 层 赋存 条件是 永夏 矿 区典 型 的成煤 地 质 条 件 ， 其顶 底板 多 为砂质 泥岩 或 泥岩 ， 上覆 岩 层 的 顶板 砂 岩水 一 般都 比较大 ， 该矿 是 永 夏 矿 区开 采 三 煤组 的 首对 矿 井 ， 开 展深井 软 岩巷 道 支 护技 术 研究 将 解 决 永夏 矿 区的l一煤层 巷道 支 护难 问题 ， 具 有 重 要 的现 实 意 义， 其后 期 的推广 利用前 景广 阔 。 l工 程 地 质概 况 车集煤矿 3 4采区 回风下 山位 于三；煤层底板 以下 71 0 n l 的范 围 内 ， 巷 道 围 岩 主要 以 泥岩 和 砂 质泥 岩为 主 ， 巷顶 为 厚 3 4 m 的 中粒砂 岩 ， 砂 岩 裂 隙水 局部较 大 。岩层 倾 角较 缓 ， 在 7 。 1 0 。 之 问 ， 起 伏 变化不 大 。从 预测 剖面来 看 ， 落 差在 1 3 13 1 的小 断层 较发 育 。 2 喷射混凝土支护技术特点 针对 深井 软岩 巷道压 力大 、 变形 量大 、 变形速 率 收 稿 日期 ： 2 0 1 21 1 1 4 作者简 介：汤桦 ( 】 9 6 7 一 ) ， 男， 河 南杞县人 ， 工 程师 ， 1 9 9 0年毕业 于焦作矿业学院 ， 长期 从事采矿及安全管理工作 ， 现任永贵能源开发 有限责任公 司副总经理。 58 快 、 持续 时 间长 、 流变 性 突出等特 点 ， 我 国 已发 展 了多种深 井软 岩巷道 支护技 术 ， 主要有 3种 ： 锚 网 喷联合支护 ； 锚网喷架钢棚支护； 壁后充填。其 共 同特 点是利 用锚杆 、 喷射 混凝 土进行 支护 。 2 1 作 用 喷射混凝土作为主要支护工艺 ， 具有其特有的 关键作 用 。 ( 1 ) 加 固围岩 和防 止 风化 。高 速 喷射 的混 凝 土 可 以填 充 围岩裂 隙并 起 到封 闭 围岩 的 作用 ， 以提 高 岩体 黏聚 力和 内摩 擦角 ， 防止 水 、 风化 作用 对岩 面的 侵蚀 。 ( 2 ) 强化 围岩 强度 。岩 面暴 露 后 及 时初 喷 可 以 消 除凹 凸不 平 引起 的应 力 集 中， 从 而避 免 造成 围岩 破坏 ； 使 围岩受 力状态 改变 为三 向受力状 态 ， 强 化 围 岩强 度 。 ( 3 ) 提高 围岩 整体 性 。喷 射 混 凝 土 的黏 结 度 、 柔性 ， 使得 其 喷层密贴 岩 面 ， 形成一 定范 围 的非 弹性 变形 区 ， 围岩受 压 时共 同作 用 ， 保 持 围岩 自身 稳 定 ， 从 而达 到减小 围岩 变形 量 、 降低 围岩 破坏 程 度 的 目 的 。 2 2增 强增韧 混凝 土选择 传 统 的 混凝 土 喷层 虽具 有 高抗 压 强度 的优 点 ， 但其韧性与抗拉强度较低 ， 同时其干缩性会造成 内 部 多小裂缝 ， 影 响喷层 及其 与围岩 的整体性 ， 降低 其 抗拉 强度 ， 在 巷道 围岩受 应力作 用 时 ， 喷层 不但不 能 与岩体共同承载， 还会发生脆性破坏而掉落， 造成喷 射混凝土支护失效 ， 甚至浆皮掉落伤人 。为了满 足深井软岩巷道支护高强高韧的要求 ， 提 出了将 聚 丙烯 纤 维与钢 纤维混 合掺 加到素 混凝 土 中得 到混 杂 2 0 1 3年第 2期 汤 桦 ： 深部软岩巷道增强增韧混凝土支护技术 总第 2 0 6期 纤维混凝土 ， 其具有阻裂 、 抗拉 、 耐久 、 抗压、 韧性好 等优点 川 ， 能有效 阻止喷层 内部裂纹 的产生和扩 展 ， 其 韧性 能适应 软岩 巷道 大变 形 的特点 ， 达 到大变 形 而不 坏 、 坏而 不碎 、 碎而 不 断 的效 果 ， 有 效 克 服 了 素 混凝 土 的弱点 。 3深井软岩巷道 围岩稳定性控制 深 井 软岩 巷 道 支 护工 艺 顺 序 ： 爆 破 成 型一 临 时 支护一 打锚杆孔一 挂 网、 装锚 杆一 初喷 素混凝 土 ( 3 0 5 0 mm) 一打锚索一挂第 2层网并 固定一 ( 移 2次耙矸 机后 ) 湿 喷混 凝土 ( 1 2 0 mm) 一后 巷 进 行 注 浆 ( 局 部 、 距 作业 面 1 0 0 m外 ) 。 3 1设计 方案 3 4采 区 回风下 山采 用锚 网索 喷 支护 时 ， 支 护设 计 如 图 1 所 示 。 图 1 支 护 断 面 示 意 ( 1 ) 巷 道基本 支 护 。每 排 布置 1 9根 2 2 mE 2 5 0 0 mm高 强锚 杆 ， 配 套 2节 树 脂 锚 固剂 ( 型 号 为 MS C K 2 3 5 0 、 MS K 2 3 5 0 ) ， 间排 距均 为 6 0 0 m m， 锚 杆从 巷 道 中心 开始 向两 帮 均 匀 布置 ， 两 帮部 靠 近 顶 板 2 根锚杆与帮部垂直方向成 l 5 。 夹角分别 向底板倾斜 布置 。锚 杆配 套 2 4 0 0 mm梯子 梁 ， 每根梯 子梁 由巷 道 拱部 5根锚 杆 固定 紧贴 巷 道 岩 面 ； 全 断 面铺 设 钢 筋 网 ， 网片规 格 1 0 0 0 m m x 2 0 0 0 mm， 网格 1 0 0 m m x 1 0 0 m m， 相邻 网片搭接不少于 1 0 0 m E， 每隔 2 0 0 mm使用 1 2 铁丝连接 1处。 ( 2 ) 巷道加强支护 。拱部锚索沿巷道 中心线及 左 右各 布 置 1根 锚 索 ， 间 距 1 8 0 0 m m， 排 距 1 0 0 0 mm， 1 8 9 m m x 9 0 0 0 mm 与 ( 2 j 1 8 9 mm x 4 0 0 0 mE锚索交替布置 ； 巷道两帮沿拱基线 向下 4 0 0 mi l l 位置各布置 1排 1 8 9 1T i m6 0 0 0 m m锚索 ， 锚索 间 距 1 6 0 0 mm。 ( 3 ) 增 强增 韧 混 凝 土 支 护 。锚 网支 护 完 毕 后 ， 进行 初次 喷射 混 凝 土 支 护 ， 初 次 喷射 素 混 凝 土 ( 即 目前 的喷 浆工 艺 ) ， 喷厚 控制 在 3 0 5 0 m m 之 间 ， 以 封 闭围岩 为主要 目的 ； 移耙 矸机 后 ， 在 距离 掘进 面大 于 4 0 I n段拱 基线 以上铺 设第 2层 网 ， 然后 对巷 道进 行复喷支护， 湿喷纤维混凝土 ， 喷厚 1 2 0 m m； 铺设第 2层 网时， 在巷道两帮拱基线及两肩窝位置 ， 补充施 工( 2 j 1 8 mm x 1 2 0 0 m m锚杆配合巷道拱部所布置的 3排锚 索 外 露 部 分 固定 钢 筋 网 ， 保 证 2层 网 间距 控 制 在 9 0 mm左 右。用 于 固定 网 的锚 杆 ， 其 预紧力 及 锚 固力不 按支 护锚杆 要求 考核 。 3 2湿喷 纤维 混凝 土工 艺 ( 1 ) 设备 。湿喷设备 由 1台湿 喷机、 2台搅拌 机 、 储 料 槽 组 成 。 采 用 T K 5 0 0型 转 子 活 塞 式 湿 喷 机 ， 生产能力 4 5 i n h ， 工作风压 0 4 0 5 0 M P a 。 砂子 、石子 、纤维 图 2湿喷 工艺设备 配套组合示意 单位 ：m m ( 2 ) 原 材料 及配 比。 纤 维材 料 为 聚丙 烯纤 维 和钢纤维 ， 其具体参数见表 1 ， 配比为每立方混凝土 掺入 8 k g ( 4 0 聚丙烯纤 维、 6 0 钢纤维 ) 。混凝 土材 料 为水 泥 、 骨料 和外 加剂 ， 要求水 泥强 度不低 于 3 2 5 MP a ， 骨料含 泥量 ( 0 1 5 mm) 不 大 于 5 ， 一 般平 均粒 径 0 3 0 4 m m， 外 加 剂掺 人 量 为水 泥 量 的 3 5 ； 水泥 与骨 料之 比为 1 ： 41 ： 5 ， 每 立 方 混凝 土水 泥用量 为 4 5 0 k g 。 拌合用 水应 不含影 响 水泥 正 常 凝 结 和 硬 化 的有 害 杂 质 ( 油 类 、 糖 类 、 污 水 ) ， 不 含对 纤维 及基体 有腐 蚀作 用 的物质 土 ； 水 灰 比应控 制在 0 4 5 。1 IT I 纤 维混凝 土 中水 泥 4 5 0 k g 、 水 1 6 2 k g ( 考虑添加剂对水 的作用) 、 砂9 6 5 k g 、 石子 7 7 5 k g。 表 1 聚丙烯纤维和钢纤维参数 59 2 0 1 3 年第2 期 中州煤炭 总第2 0 6期 ( 3 ) 拌料工艺。混凝土配合比( 质量 比) 要求为 水泥 ： 砂 ： 石 =1 ： 2 3 ： 1 8 4 。每立方 米混 凝土 中添加 2 7 k g 添加剂 A、 4 5 k g添加剂 B。要求搅拌的人员 相对 固定 ， 并进行 培 训 ， 保 证设 备 正 常 运行 ， 每次 上 料 和操作人 员应 不 少于 6人 ( 1人 操 作设 备 ， 4人 装 料， 1 人 调配添加剂 ) 。添加剂 B放入水箱中， 用专 用棍棒搅拌不少于 5圈， 使各种材料能充分分散在 混凝土中， 并且保证坍落度在 8 01 5 0 m m范围内。 定期检查混凝土坍落度 ， 控制计量泵 的加水流量。 4工 程 应 用 为对 比纤维 混凝 土 与素混 凝 土 的支 护效 果 ， 选 择 2 0 0 m巷道 ， 2种混凝土各喷射其中的 1 0 0 r n ， 其 他支 护手段 不变 。在 2个 对 比段 各 设 1 个 观 测 站 ， 为尽 量消 除不利 影 响 ， 要求 两 测 站 至试 验 段 接合 处 距离相等且相距 4 0 8 0 m。观测结果如图 3所示 。 观测天数， d 图 3试 验 段 围岩 相 对 移 近 量 对 比 由图 3可 知 ， 两试 验 段顶 底 相 对移 近量 差 别 较 小 ， 而两帮相 对移 近量纤 维混凝 土试 验段 大 ， 原 因是 混 杂纤 维混凝 土韧 性 和 延展 性 好 于 素混 凝 土 ， 表 现 出柔 性支护 特征 。 5 效 益 分 析 ( 1 ) 目前 采用增 强增 韧 混凝 土 湿 喷技 术试 验 段 1 0 0 m， 保 证 了此段 巷道 的有 效 支护 强 度 ， 避 免 了巷 道二次返修 ， 按 照二 次返修投 人人力 、 物力 4 0 0 0 元 m进行计 算 ， 直 接经 济 效 益 为 4 0万元 。 车集 煤 矿每年的锚 网索喷支护巷道返修量都在 6 0 0 r n以 上 ， 若 采 用此 种湿 喷 支护 工艺 ， 减 少巷 道返 修 率 5 0 左右， 每年直接经济效益为 1 2 0万元 。 ( 2 ) 通过 对 现 场 施 工监 测 得 知 ， 喷 浆 料 回弹 率 降低 3 0 ， 提高 了材料 利用 率 ； 工作 面粉 尘减 少 6 0 5 0 以上， 净化 了工作面环境， 保护了工人的身心健 康。施工完毕 3个月后 ， 矿压显现明显好转 ， 巷道脱 皮 、 掉矸 及开裂现 象 比车集 煤矿原 施工工 艺减少 8 0 以上 。 6 结语 增强增韧湿喷技术 的应用提高了巷道的支护强 度 ， 减少 了巷道 的浆 皮开 裂 ； 提高 了巷道 使用 的安全 性 ， 降低 了巷道修复年 限， 减少 了巷道支护成本 ； 同 时提升 了 深部 软 岩 巷 道 锚 喷 支 护 技 术 的有 效 可靠 性 ， 对永 夏矿 区类似 巷道 支护有着 重要 指导 意义 。 参考 文献 ： 1 周华强 巷道支护限制 与稳 定作用理论 及其应 用 M 徐 州 ： 中国矿业大学出版社， 2 0 0 6 2 王怀新 深井主要巷道 支护方式的研 究 与应 用 J 煤矿 安全 ， 2 0 0 3 ( 8 ) ： 2 5 2 6 3 王其胜， 李夕兵 ， 姚 金蕊 深井软岩 巷道 破坏原 因及矿 压显现 规律 J 中国矿业 ， 2 0 0 7， 1 6 ( 1 1 ) ： 7 2 - 7 4 4 李本涛 深井软岩巷 道支护技术 研究 D 徐 州： 中 国矿 业大 学 ， 2 0 0 6 5 张玉祥 ， 陆土 良， 刘长海 ， 等 深井软岩巷道 围岩控制机理 _ J 矿 山压力与顶板控制 ， 1 9 9 7， 3 ( 4 ) ： 1 1 4 1 1 6 6 赵国藩 ， 彭少 民 钢纤维混凝土结构 M 北 京： 中国建筑工业 出 版社 ， 1 9 9 9 7 祝顺义 纤维混 凝土在软岩 巷道 支护中 的应用研究 j 工程 设计与建筑 ， 2 0 0 4， 3 6 ( 1 ) ： 1 8 - 2 1 8 毕远志， 朱赞成 ， 毕永志 ， 等 深井 软岩 巷道喷射高韧性纤维混 凝土支护技术 J 金属矿山， 2 0 0 7 ( 】 0 ) ： 2 9 3 3 9 毕远志 ， 孔一凡 ， 蔡东红 ， 等 高韧性纤 维混凝土在深部软岩巷 道支护中的应用 J 煤 炭学报 ， 2 0 1 0 ， 3 5 ( 1 1 ) ： 1 9 6 9 1 9 7 3 1 0 毕远志， 华渊 ， 张大林 ， 等 改性聚丙烯( 粗 ) 一钢纤维混杂对混 凝土增强增韧性能 的试验研究 J 工 业建筑 ， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 1 1 ) ： 8 5 8 8 ( 责任 编辑 ： 秦 爱新 )