砌碹作為傳統的支護方式,在開拓和準備巷道中曾經得到廣泛使用,目前,雖然比較先進的錨噴支護在煤礦中已經推廣普及,但是,由于砌碹支護具有材料來源廣、投資小、抗壓強度大、對軟巖及破碎帶圍巖整體封閉相對好等優點,因而部分煤礦在服務年限長、地壓較大的主要巷道仍采用這種支護方式。由于碹體的剛性特點,在礦山壓力的作用下,碹體常出現大范圍損壞的現象,給運輸、通風和行人帶來了威脅。如何對損壞的砌碹巷道進行經濟有效的修護,使其在服務年限內保證正常使用,仍然是煤礦技術工作者面臨的課題。為此,通過對皖北煤電公司幾個礦井修護砌碹巷道的調查統計,提出幾點淺顯的看法。
1 碹體破壞的原因
巷道開挖后,圍巖原有的應力平衡狀態受到了破壞,巷道周邊依次形成松動圈、塑性變形區和彈性變形區。圍巖松動圈和塑變區是圍巖體彈性能釋放后的一種狀態,它是在巖體的破裂和運動中形成的,由于塑性變形區的巖體都具有較大支承強度,所以巷道的支護對象是圍巖松動圈。松動圈巖塊由裸露到表層到內部破裂面存在著由小到大的摩擦力,當這種摩擦力足夠大時,就可使巖塊相互嚙合而不掉落。利用松動圈內這層自承帶來加固巷道是修護技術的基本構想。碹體整體式支架作為一種剛性支護體,有其良好的承載能力。但是,當壁后存在空間時,由于不能及時支護圍巖,一旦圍巖產生動壓,碹體就會遭到脆性破壞。凹凸不平的巖體表面對碹體造成的應力集中,是碹體破壞的直接原因。
通過對皖北煤電公司部分礦井砌碹巷道破壞的調查分析,得出的碹體破壞原因有以下幾點:
(1) 掘進巷道成型差,部分地段超挖嚴重。冒空區過頂不實,造成支架受載不均,來壓后呈屋脊變形。
(2) 過地質構造帶、軟巖及穿煤層段巷道易破壞。其原因是破碎帶、軟巖及煤層穩定性差。
(3) 受采動影響巷道被破壞最為普遍。由于采場動壓破壞了巷道圍巖的受力平衡,導致巷道支架破壞。
2 砌碹巷道的修復
碹體受壓變形后,砌塊接縫中的灰漿粘結力被破壞,碹壁開裂,直墻鼓出,拱頂呈鍋底下墜或平頂,頂空呈屋脊形。此時,由于碹石相互咬合,凹凸毛糙的縫隙表面產生的摩擦力使碹體呈多鉸拱狀態,外觀上呈現柔性起伏,使載荷分布均勻,在承受200mm的變成后仍具有一定的支撐力。由于砌碹支架的脆性特點,這種變形破壞達到一定程度就會造成掉落或冒頂。因而,在它還具備一定殘余強度時進行修護是非常必要的。為此,提出以下幾種修護方法供參考。
2.1 噴射混凝土修護
直墻半圓拱巷道拱部較易損壞,如果不再受采動影響或壓力趨于穩定,對拱部只需沖刷后噴射70~100mm厚的混凝土進行粘貼補強即可。這種方法的優點是機械化程度高,勞動強度小,施工快。由于巷道壓力已經釋放,破碎圍巖近似成為均一巖性,大部分灰漿滲入碹壁表面裂隙,能使互不聯系或聯系較弱的碹塊重新膠結成一整體。噴體與碹體相互依存,共同受力,其微小的可縮性和較大的剛度既能阻止或減緩軟巖的蠕變,又能適應巷道的收斂變形。
2.2 鑿壁錨噴修護
壓碎變形的碹壁表面,尖棱毛糙,龜裂縱橫,打錨桿鉆孔易產生卡鉆現象。即使粘透碹壁,也因壁后充填物而使鉆頭受阻或鉆桿不易拔出,另外,壁后有一定的空間也使快硬水泥錨固劑不易從壁孔送入巖孔內。為解決這個問題,在點柱維護的碹壁上按1.0m×1.0m的錨桿柱排距鑿掏不小于200mm×200mm的壁窯,掏出或分開壁后阻擋的活動矸石,然后在壁窯內鉆眼。選用16mm×1600mm端頭彎曲式快硬水泥錨桿,安裝時桿尾應露出碹壁壁面110mm左右,并用塑料薄膜包裹桿尾螺紋。沖刷碹壁后噴射70~80mm厚的混凝土,要求填平噴圓,尤其對壁窯要噴填嚴實。然后拆除桿尾包裹物,上托板緊固。由于存在壁厚及壁后空間,圍巖實際錨固厚度在1.1m左右。其修護機理是:
(1) 高速噴出的混凝土射流嵌入壁縫,使砌塊重新粘結牢固,恢復原有的拱形斷面和抗壓強度。
(2) 嵌入壁窯的混凝土與其中尾部桿體鑄成高強度的楔塊,它把噴層與碹壁楔緊粘牢,使其不易離層脫落。
(3) 使壁后空間普遍減少,非均質巖性趨于均一,支架受力趨于均勻,經過噴射混凝土補強,清除了應力集中,改善了承載結構。
(4) 支架的載荷被錨桿拉拽分擔,提高了支架的承載能力。
2.3 扒碹錨噴修護
如果巖石硬度中等,破碎程度較輕,可采用扒碹錨噴進行修護。具體方法是:從一端開始向一另端順砌行扒掉拱肩以上的壞碹,四周用帶帽點柱維護。每次扒碹長度視巖性而定,一般為1~3m,鑿掉活動矸石,然后及時噴射一層80~100mm厚的混凝土,必要時鋪金屬網。兩幫拱肩碹茬處要實,凝固后打眼安裝錨桿托板錨固,錨距700mm×700mm。該段支護完成后,再繼續向前扒碹,如此循環前進。其特點是:錨噴后,在擴大巷道斷面的同時,又重新構筑起支架的拱形結構,并提高圍巖的強度,改善支護狀況。
2.4 金屬無腿拱棚和U型鋼拱形可縮性支架支護
在穿煤層破碎帶、冒頂區接頂段或巷道超挖后充填物太厚地段,可采用金屬無腿拱棚和U型鋼拱可縮性支架支護。
(1) 金屬無腿拱棚修護。在碹拱拱肩完好處鑿壁掏孔,插入拱棚道橛,用混凝土封實橛窩,水泥背板過頂,再噴射一層70~100mm厚的混凝土,形成鋼筋混凝土復合支架,具有很高的承載能力。
(2) U型鋼拱形可縮性支架采用二接二節式U型鋼拱形可縮性支架,配合混凝土噴漿支護。其工作原理是:當巷道壓力顯現時,由于卡環的卡緊作用,使搭接處U型鋼疊合面產生摩擦力。當軸向壓力大于摩擦力時,支架下縮,從而緩解圍巖應力。
(尹迎亮)
