千米深井軟巖巷道變形破壞機(jī)理及控制對策

潘啟新，張躍林

(1.中國煤炭進(jìn)出口公司，北京 100011；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

千米深井軟巖巷道變形破壞機(jī)理及控制對策

潘啟新1，張躍林2

(1.中國煤炭進(jìn)出口公司，北京 100011；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

本文以唐口煤礦深部軟巖巷道為研究對象，在總結(jié)了巷道現(xiàn)場破壞特征的基礎(chǔ)上，分析了軟巖巷道的特點和變形破壞的原因，以南部軌道大巷為試驗段進(jìn)行數(shù)值模擬，提出了以普通錨網(wǎng)噴+注漿加固圍巖為主體的支護(hù)方案，現(xiàn)場應(yīng)用的效果良好，為深部軟巖大變形巷道支護(hù)提供了有效的方法。

千米深井；軟巖巷道；錨網(wǎng)噴+注漿

隨著唐口礦開采深度不斷增大，深部開采環(huán)境逐漸惡化，地應(yīng)力增大，圍巖巖體的環(huán)境變化以及由此引起的巖體力學(xué)性質(zhì)、強(qiáng)度、巖體結(jié)構(gòu)、變形等特性的變異造成的諸多問題，導(dǎo)致了深部開拓巷道掘進(jìn)與支護(hù)過程中所遇到的巷道巖層破碎、成型困難以及頂板下沉、兩幫收縮、底臌等圍巖大變形破壞現(xiàn)象，因此深部軟巖巷道支護(hù)已成為影響深部開采的關(guān)鍵問題。

1 工程概況

唐口煤礦位于濟(jì)寧市北部，該礦的主、副、風(fēng)井井筒深度均已超過千米。唐口礦區(qū)已施工的輔助運輸大巷等工程，中央泵房、副井馬頭門等硐室破壞嚴(yán)重。由于巷道埋深大、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、地壓高，加上圍巖松軟破碎，巷道出現(xiàn)了與在淺部開采時不同的大變形破壞現(xiàn)象[1-2]，在施工過程中巷道出現(xiàn)了大面積冒落、兩幫收縮和底臌等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了煤礦安全生產(chǎn)。

2 巷道變形破壞特征

由于對深部巷道變形特點和規(guī)律缺乏準(zhǔn)確判斷，唐口煤礦多條巷道不同程度的發(fā)生了較嚴(yán)重的變形，以致不得不多次返修?，F(xiàn)將巷道破壞的幾種典型特征總結(jié)如下。

2.1 圍巖巖性

唐口礦主要巷道周圍斷層構(gòu)造發(fā)育，巷道在掘進(jìn)過程揭露泥質(zhì)巖石，煤體為塊裂結(jié)構(gòu)，巷道頂、底板以泥巖、砂泥巖為主，層理、節(jié)理較發(fā)育，巖體吸水膨脹較強(qiáng)，圍巖變形大，難支護(hù)。例如：430軌道下山在巷道穿過3煤及其底板泥巖段時巷道破壞較嚴(yán)重，主要破壞形式為：巷道頂板下沉(冒落)、高凸T型鋼帶擠出、幫部收縮(圖1(a)、圖1(b))。

2.2 地應(yīng)力場分布

唐口礦主要巷道的埋深均已超過1000m，水平應(yīng)力最高可達(dá)40MPa，垂直應(yīng)力約為20MPa，圍巖應(yīng)力環(huán)境已進(jìn)入非線性高應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)巷道圍巖受水平應(yīng)力作用時，易出現(xiàn)頂板冒落，兩幫內(nèi)擠、底板鼓起的現(xiàn)象；當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力方向與巷道方向垂直正交時，圍巖所受應(yīng)力將達(dá)到高度集中，巷道極易發(fā)生變形破壞。根據(jù)唐口礦實測地應(yīng)力資料可知，主應(yīng)力方向和主要巷道的夾角為30～60°，巷道的方位和地應(yīng)力方位夾角偏大，同時，礦區(qū)位于較大的褶曲構(gòu)造附近，斷層較多，因此構(gòu)造應(yīng)力對巷道變形破壞有很大影響。例如：礦區(qū)北部軌道大巷的最大水平主應(yīng)力為36MPa，方向與巷道軸向夾角為55°，水平應(yīng)力對巷道兩幫和頂?shù)装宓姆€(wěn)定性有較大影響。巷道頂板出現(xiàn)嚴(yán)重下沉、冒落、錨桿(索)失效，混凝土噴層開裂、脫落，兩肩部的不對稱變形和收縮，變形破壞現(xiàn)象如圖1(c)所示。

圖1 巷道圍巖變形情況

2.3 支護(hù)方式因素

礦區(qū)深部巷道多采用錨噴支護(hù)，但由于原支護(hù)的支護(hù)強(qiáng)度不夠以及支護(hù)體未能有效控制圍巖變形，巷道出現(xiàn)了頂板下沉、噴層脫落和底臌等破壞現(xiàn)象。例如：礦區(qū)南部軌道大巷由于發(fā)生了較嚴(yán)重的變形，出現(xiàn)拱部兩肩受壓，整個拱部支護(hù)失效，巷道出現(xiàn)大面積破壞的現(xiàn)象，如圖1(d)所示。

在上述因素的共同作用下，深部軟巖巷道頂板下沉量和兩幫收縮量均較大、底臌明顯；巷道整體變形大且長時間蠕變，經(jīng)多次返修仍未穩(wěn)定。

3 原因分析和支護(hù)對策

基于以上分析，結(jié)合礦區(qū)工程地質(zhì)條件可以得出唐口煤礦深部軟巖巷道變形和破壞的原因如下所示。

3.1 工程地質(zhì)條件復(fù)雜

深部軟巖巷道埋深超過1000m，圍巖節(jié)理較發(fā)育、巖體較破碎、裂隙多，在高地應(yīng)力作用下，圍巖易產(chǎn)生大變形和破壞，并且由于膨脹力的作用，圍巖長期存在蠕變現(xiàn)象。因此，巷道變形破壞的根本原因是：圍巖屬于高應(yīng)力節(jié)理化強(qiáng)膨脹性軟巖，傳統(tǒng)支護(hù)難以見效。

3.2 支護(hù)理論依據(jù)不當(dāng)

傳統(tǒng)的淺部支護(hù)方式已不能有效控制深部軟巖大變形巷道的破壞，應(yīng)當(dāng)依據(jù)非線性大變形力學(xué)設(shè)計理論和方法進(jìn)行支護(hù)方案設(shè)計和施工[3-6]。巷道支護(hù)設(shè)計應(yīng)首先分析作用在巖體的各種荷載的特性，作出力學(xué)對策設(shè)計；然后進(jìn)行相關(guān)的過程設(shè)計，最后進(jìn)行各種力學(xué)對策的研究。只有通過主動合理的耦合支護(hù)設(shè)計，充分發(fā)揮材料間的相互作用，才能有效地實現(xiàn)巷道支護(hù)。

針對唐口礦巷道圍巖在高地應(yīng)力作用下十分破碎和巷道因多次返修而導(dǎo)致圍巖破碎程度加劇的情況，選南部軌道大巷為試驗段，采用普通錨網(wǎng)噴+注漿加固圍巖的支護(hù)方式[7-8]以提高圍巖的自承能力，在現(xiàn)場調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，建立軌道大巷工程地質(zhì)模型，利用有限差分程序FLAC3D對巷道進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖2所示。

圖2 南部軌道大巷數(shù)值模擬圖

由巷道位移場圖2(a)、圖2(b)可以得出，巷道的最終位移量均明顯減小，最大頂板下沉量為125mm，最大底臌量為180mm，兩幫最大移近量為199mm，巷道支護(hù)效果明顯；通過圖2(c)可以看出，巷道塑性區(qū)明顯減小，但底板塑性區(qū)的剪切和拉破壞有進(jìn)一步發(fā)展的趨勢，錨索最大受力達(dá)到230kN，未達(dá)到其破斷荷載值，錨桿受力較為均勻(圖2(d))。圍巖注漿加固有效改善了破碎圍巖的物理力學(xué)特性，提高了圍巖整理強(qiáng)度，充分發(fā)揮了圍巖的自承能力。因此，采用錨網(wǎng)索+注漿的方式，支護(hù)強(qiáng)度較高，能很好的實現(xiàn)支護(hù)體與圍巖的耦合。

4 工程應(yīng)用

4.1 工程地質(zhì)條件

礦區(qū)南部軌道大巷位于3上煤層頂板砂巖中，與3上煤層距離2～80m，屬于二類頂?shù)装?。巷道老頂是粉砂巖互層，頂板直立裂隙發(fā)育；底板以粉砂巖和中砂巖為主，平均抗壓強(qiáng)度為39MPa，屬較穩(wěn)定頂?shù)装濉?/p>

4.2 支護(hù)方式與參數(shù)

巷道為馬蹄形斷面，采用反底拱左旋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿全長錨固，配合錨網(wǎng)索噴進(jìn)行永久支護(hù)。錨索采用低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線截制；錨桿采用左旋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距1000mm×800mm。錨索布置在兩錨桿中間，排距為1000mm，固定梯形鋼帶。噴射混凝土強(qiáng)度等級C20，厚度150mm。

4.3 支護(hù)效果分析

從圖3可以看出，巷道施加錨索支護(hù)[9-10]后，圍巖變形開始得到控制，并趨于穩(wěn)定。由開挖后60天表面位移觀測結(jié)果曲線知：巷道累計頂板移近量為25mm、兩幫累計移近量為115mm、底板移近量為45mm。綜上所述：巷道表面位移量小，圍巖無明顯變形，錨桿(索)受力穩(wěn)定，表明該支護(hù)形式能滿足圍巖變形控制要求。

圖3 位移量-距迎頭距離對比曲線

由圖3可知，巷道進(jìn)入穩(wěn)定段后，變形減少，圍巖趨于穩(wěn)定。巷道豎向變形以底鼓為主，頂板下沉較小，兩幫收縮變形，移近量相當(dāng)。開挖一段時間之后，圍巖穩(wěn)定，表明現(xiàn)有支護(hù)形式能滿足支護(hù)要求。

5 結(jié)論

1)總結(jié)了唐口煤礦深部軟巖巷道的破壞特征，分析了巷道的破壞原因，提出了相應(yīng)的支護(hù)對策為普通錨網(wǎng)噴+注漿加固圍巖的支護(hù)技術(shù)。

2)以南部軌道大巷為試驗段，進(jìn)行數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場應(yīng)用。監(jiān)測結(jié)果表明了該技術(shù)的有效性和可靠性。

[1] 何滿潮，謝和平，彭蘇萍，等.深部開采巖體力學(xué)及工程災(zāi)害控制研究、深部開采基礎(chǔ)理論與工程實踐[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

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[3] 何滿潮，孫曉明.中國煤礦軟巖巷道工程支護(hù)設(shè)計與施工指南[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

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[5] 孫曉明，何滿潮，楊曉杰．深部軟巖巷道錨網(wǎng)索耦合支護(hù)非線性設(shè)計方法研究[J]．巖土力學(xué)，2006(7)：1062-1065.

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[10] 何滿潮，袁和生，等.中國煤礦錨桿支護(hù)理論與實踐[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

《礦產(chǎn)資源資產(chǎn)資本理論與實踐》正式出版

由中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心編著的《礦產(chǎn)資源資產(chǎn)資本理論與實踐》一書日前由地質(zhì)出版社正式出版發(fā)行。此書從礦產(chǎn)資源產(chǎn)權(quán)制度、經(jīng)濟(jì)價值和物質(zhì)組成等多個角度，研究了礦產(chǎn)資源、資產(chǎn)和資本的相互關(guān)系，明晰了政府和企業(yè)等不同主體的“三資”關(guān)系，并從礦業(yè)生產(chǎn)體系的角度，綜合政府、企業(yè)、市場在資源配置中的作用，提出了“三資”綜合管理模型；對國內(nèi)外不同政府類型及不同跨國公司進(jìn)行了實證分析，總結(jié)出了不同類型的“三資”綜合管理模式及其特點，并從“三資”綜合管理的視角，提出了未來礦產(chǎn)資源管理領(lǐng)域亟需改革的八大重點問題及相應(yīng)的改革思路與措施，對我國礦產(chǎn)資源管理改革及相關(guān)政策的制定具有重要理論價值和實踐指導(dǎo)意義。

Study on deformation mechanism and control measures of deep soft rock roadway in kilometer deep mine

PAN Qi-xin1，ZHANG Yue-lin2

(1.China Coal Import and Export Company，Beijing 100011，China；2.School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

This paper，based on Tangkou deep mine soft rock roadway，analyzes the reasons of roadway deformation and failure phenomena based on roadway failure characteristics；puts forward a program based on numerical simulation results of south roadway of the track that use bolt mesh and shotcrete + grouting to reinforce surrounding rock.The field application，which provides an effective method for the support of deep soft rock roadway，achieves good results.

kilometer deep mine；soft rock roadway；bolt mesh and shotcrete + grouting

2014-07-15

TD353

A

1004-4051(2015)01-0108-03