底板锚索钻机在袁庄煤矿巷道底臌治理及大型设备基础施工中的应用

-1-底板锚索钻机在袁庄煤矿巷道底臌治理及大型设备基础施工中的应用胡开芹（淮北矿业股份有限公司袁庄煤矿，安徽淮北235058）摘要：袁庄煤矿引进ZQJJ-120/1.8型底板锚索钻机施工底板锚索，并配合锁棚腿平锚索，成功地对IV2专用回风道这一严重变形的下山半煤岩巷进行了彻底地修复，取得了良好的修复效果。在此基础上，袁庄煤矿充分利用ZQJJ-120/1.8型底板锚索钻机在巷道底板快速成孔的特征，将该钻机应用到大型设备基础的施工当中，如IV62轨道上山绞车房基础的施工措施、IV62运输上山基础的施工等，缩短了施工周期，减小了开挖工程量，降低了施工成本，取得了显著的技术及经济效益。关键词：底板锚索钻机巷道底板成孔大型设备基础施工0引言现有的巷道支护方案大都特别强调巷道帮顶，尤其是顶板的支护，帮部的支护强度相对不足，而底板往往无任何支护。少数巷道进行了底板的浅部注浆，但难以改变巷道严重底臌的现状。巷道施工方案设计者并不是没有意识到底板支护的重要性，但是反底拱等被动支护措施施工成本太高且施工工艺太过复杂，难以大范围应用；而主动支护，如底板锚索、底板锚杆、底板深部注浆等支护措施，又受到底板成孔难的制约，难以实现，因为巷道底板锚杆、锚索孔的施工必须做到以下两点：①成孔速度快；②施工过程不影响巷道的正常使用。巷道底板成孔难的症结在于底板钻屑难以排出。地质钻机虽然可以进行底板钻孔，但是成孔速度慢，且地质钻机这一庞然大物势必影响巷道的正常使用，另外，地质钻机的每一次移动都耗时耗力。ZQJJ-120/1.8型底板锚索钻机利用潜孔冲击器进行破岩，利用高速风流排渣，很好地解决了底板钻屑的排出问题，成孔速度可达3—5min/m，另外该钻机占地面积小，总重量轻，施工过程基本不影响巷道的正常使用，且钻机移位方便。袁庄煤矿将ZQJJ-120/1.8型底板锚索钻机成功地应用到IV2专用回风道的修复中，取得了良好的效果。IV2专用回风道断面为直墙拱形，尺寸2800mm×2800mm。采用36U金属支架支护，排距600mm×600mm。由于特殊的工程地质状况及围岩性质，该巷道自成巷-2-以来，变形极为严重，平均每年修复一次，每次修复前，巷道收缩率基本达到了50%。利用ZQJJ-120/1.8型底板锚索钻机施工底板锚索，并配合锁棚腿平锚索进行巷道修复后，巷道在两年内的总变形量很小，用肉眼根本无法察觉。ZQJJ-120/1.8型底板锚索钻机成孔速度快，孔径可通过更换不同外径的潜孔冲击器来调节。因此，袁庄煤矿利用该钻机施工深孔，并通过深孔注浆将钻孔变成大型设备的基础支撑点，大大降低了大型设备基础施工的开挖工程量及混凝土浇筑工程量，更缩短了施工周期。1ZQJJ-120/1.8型底板锚索钻机简介1.1巷道底板成孔原理1.1.1冲击碎岩众所周知，岩石，即使是软岩，也是具有较高强度的物质。自然界中，凡是强度较高的物质，大多具有一个共同的特性——耐磨性，岩石就具备这样一个耐磨的性质。对于这样一种耐磨的物质，仅依靠研磨的手段将其中的一部分物质从母体中分离开来是十分困难的，但遗憾的是，目前除安徽理工大学研发的钻机之外，市面上其它可用于巷道底板成孔的钻机几乎全部依靠研磨的手段进行钻孔施工。在明白了上述道理之后，我们自然会考虑较高强度的物质还有没有其它较为特殊的性质可以为我们所利用，实际上，像岩石这类强度较高的物质还具有另外一种共性——脆性，正是这种脆性特征给了我们一个破解的思路：冲击碎岩，因为凡是脆性的物质均具有一个致命的弱点，怕冲击。在应用冲击破岩技术时，要切记冲击功、钻杆旋转速度、冲击频率之间的关系，这里需要一个详细地理论分析过程，旋转速度过快，即使冲击功很大，破岩效果也很差；钻速过慢，情况也是一样。反过来说，若冲击功较小，根本达不到破碎岩石的数值，即使钻速很大，也只能依靠研磨进尺。理论研究时，首先应该依据岩性确定一个合理的钻速，然后再依据岩石破裂准则确定一个合理的冲击功数值范围，最后依据气流的速度和气量的大小确定冲击频率的大小。1.1.2高速气流排渣对于同样的环境，各种流体中，气体可达到的最高运动速度要远远大于其它流体；同-3-样，处于流动气体中的物质，能够获得的最高运动速度同样大于处于其它流体中的物质能够获得的最高速度。另外，气体具有较大的可压缩性，这种可压缩性会导致气流在受到一定阻碍后积聚压力，发生间歇性喷发力，一方面以更快的速度将碎渣排除孔外，另一方面可以保持排渣通道的畅通，因此，底板锚索成孔技术研究中，选用气流排渣是获取较高钻进速度最好的手段，这就是底板锚索快速成孔技术的又一个基本思路。1.2ZQJJ-120/1.8型底板锚索钻机技术特征ZQJJ-120/1.8型底板锚索钻机靠冲击破岩，气流排渣。钻机的旋转速度并不高，但钻进效率却很高，对于常见的泥岩、砂岩等巷道底板它的平均钻进速度可达1m/（3-6）min。淮南矿区井下风压、风量较大（风压一般大于0.8MPa，风量一般大于10m3/min），故通常的成孔速度在1m/3min左右，1个小班可成8m孔16孔，其中还包括移机及安装锚索时间。2底板锚索钻机在IV2专用回风道底臌治理中的应用2.1IV2专用回风道概况图1显示，IV2专用回风道沿4煤掘进。4煤只有1.4米厚，因而专用回风道顶板是泥岩，底板也是泥岩，而两帮却是半煤半岩，围岩极为软弱。巷道修复迎头所剥落碎块几乎全是散碎的岩渣，很少能见到大块的矸石，巷道底板更是软弱，而且有大量积水存在。图2显示，IV2专用回风道还有运输下山、轨道下山、回风下山、阶段车场等四条巷道。五条巷道之中，IV2专用回风道的层位最高，受巷道掘进所引起的次生应力影响最为严重。除此之外，上述五条巷道上方的3煤中对称布置有采煤工作面若干，工作面开采结束后五条巷道上方的保护煤柱内强大次生高地压使巷道的受力状态进一步恶化，而专用回风道距离3煤最近，受到影响当然也最大。-4-回风道顺41煤层掘进，41煤向上9m左右为31煤层向下2m为42煤层，岩性多为泥岩图1IV2专用回风道走向剖面图47.84.045.86.038.89.0下石盒子组3.532.823°20.22.61.9～3.41.45.414.813.47.55.9岩性描述层厚(m)综合柱状(1:200)倾角时代累计(m)3.81.21.22.12.03.023.841.821.210.051.146.6644.15.3216.915.95图2IV2专用回风与周边巷道位置关系2.2治理对策2.2.1帮部锁棚腿平锚索加固如下图所示，用900~1000mm长的废旧U型棚加工而成的短梁取代了常规的锚索托盘，将U型棚棚腿和锚索有机地联系了起来。每节U型棚棚腿因此有了3个稳定的支点，其抗弯-5-强度因而大大提高，而锚索的作用效果显然不会因此而削弱。图3棚腿加固组合梁示意图2.2.2底板锚索加固底板锚索采用Φ22mm×5300mm的高强锚索，托盘为29U型钢，29U型钢长度2800mm,底板锚索以巷道轴线为对称轴，按照间排距1600×1600mm进行布置，每断面2根。底板锚索的锚固方法：a、锚索孔成孔后，首先采用水下锚固剂实施端锚，然后通过注浆实施全长锚固；b、将两根2500mm的注浆锚杆丝扣连接并与锚索捆绑在一块，下放至设计位置后，用马利散实施锚固与注浆一次性处理，端部用快干水泥封口，快干水泥距上端距离300mm。1600mm1600mmU形棚底梁巷帮巷帮正常卧底平面锚索长度5..3m直径22mm每排2根锚索头距卧底水平5mm图4底板锚索布置平剖面图-6-2.3巷道修复效果简述修复后，巷道两帮变形速度由0.59mm/d将为0.11mm/d，降低了435%，巷道顶底变形速度由0.90mm/d降至0.17mm/d，降幅达423%。从变形趋势看，修复后的IV2专用回风道变形速度非常低，而且有明显的收敛趋势。3底板锚索钻机在大型设备基础施工中的应用Ⅳ62轨道上山绞车硐室高为采用规格为6.5m×5.0m的半圆拱型锚喷支护，锚杆株排距700mm。施工方案如下图5所示：CAGB6孔150X100深400深1000深500深1000深1000D±0.0050G-G400300500B-B深4004孔150X1006孔80X80深300CCCCCGAB排水管60±0.00主轴中心线二次灌浆排水管160±0.00C-CBB二次灌浆±0.00D局部放大1501101501504-?141460600105020510098611122328A-A±0.001340.00001340.0000图5Ⅳ62轨道上山绞车硐室基础施工图施工过程中，利用底板锚索钻机施工深度为1.8米深部钻孔，并以注浆的方式浇筑成为设备基础主要着力点。相比普通的开挖深基坑并整体浇筑的施工方法而言，开挖工程量由m³降低至立方米，浇筑及回填量由m³降低至立方米，施工工期由天将为天。4结语袁庄煤矿将ZQJJ-120/1.8型底板锚索钻机这一新型底板成孔机械成功地应用到了巷道底臌治理中，并扩展到了大型设备基础的施工当中取得了显著的技术和经济效益。该成果-7-的经验值得大力推广。