建新煤礦軟巖巷道變形特性及支護(hù)技術(shù)研究

胡圣輝

（豐城礦務(wù)局，江西 豐城331141）

深井軟巖巷道的變形控制是世界礦業(yè)界和巖石力學(xué)界所遇到的難題之一，也是目前國內(nèi)外都非常關(guān)注的工程問題。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對資源開發(fā)的需求將進(jìn)一步擴(kuò)大，目前煤礦開采正每年以10～25m的速度向深部擴(kuò)展。隨著開采深度的增加，地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，越來越顯現(xiàn)出軟巖的特征。近些年在巷道支護(hù)方面開展廣泛的研究，已取得了十分可喜的成果，但軟巖巷道的有效支護(hù)仍然是煤礦巷道支護(hù)的薄弱環(huán)節(jié)，也是目前國內(nèi)外尚需解決的技術(shù)難題，因而開展深井巷道軟巖巷道的變形分析和支護(hù)技術(shù)研究具有非常重要的意義。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

1.1 煤層賦存情況

建新煤礦在豐城礦區(qū)西北，位于曲江～石上向斜的北翼，為單斜構(gòu)造。主要含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M王潘里段和老山段。王潘里段地層的平均厚度為89.59m，含煤層可達(dá)16層，自下而上編號：C8～C23煤層，其中C23、C18、C8煤層為大部開采或局部可采煤層，可采厚度2.67 m，該層段含可采煤層系數(shù)2.98%。老山下亞段地層平均厚度為112.51m，該層段含可采煤層系數(shù)2.24%，含煤層1～3層，自下而上編號為B3、B4、B5煤層，其中B4煤層為建新煤礦的主采煤層，可采平均厚度2.52m。

1.2 工程地質(zhì)條件

（1）頂板

①偽頂：炭質(zhì)粉砂巖或炭質(zhì)泥巖，一般厚度為0～0.4 m，平均厚度為0.2m，呈西薄東厚的趨勢，井筒以西有時煤層與直接頂接觸，以東局部增厚達(dá)0.6～1.2m。

②直接頂：為深灰色的砂質(zhì)粉砂巖～粗粉砂巖，厚度在6～8m左右，局部達(dá)10m。下部有時為炭質(zhì)泥巖，中下部夾一層3m左右極薄層理的含細(xì)砂巖條帶的砂質(zhì)泥巖，在正常情況下巖芯呈柱狀，抗壓強(qiáng)度為11.70～26.40 MPa，抗拉強(qiáng)度為0.74～1.20MPa，抗剪強(qiáng)度為2.10～5.80MPa。在西部井田邊界附近，常有插入煤層的現(xiàn)象，普氏硬度為1.5～2.4。

③老頂：為灰、淺灰色的石英細(xì)砂巖，厚度在3～5m之間，抗壓強(qiáng)度為205.8MPa，抗拉強(qiáng)度為0.35MPa，抗剪強(qiáng)度為21MPa。普氏硬度為5～8，內(nèi)摩擦角81°～87°。老頂砂巖含裂隙水，在小斷層和裂隙發(fā)育處常沿裂隙導(dǎo)入工作面，水量最大達(dá)3～5m3／h，隨時間推移漸小直至消失。

（2）底板

①偽底：深灰色泥質(zhì)泥巖或粘土巖，厚度在0～0.3m之間，平均厚度為0.10m，西薄東厚，分布不均勻。

②直接底：淺灰、灰褐色粘土質(zhì)泥巖或粘土巖，向下過渡到粉砂巖及細(xì)砂巖，厚度在2.5～3.6m左右，遇水具膨脹性。因圍巖壓力的影響，容易發(fā)生底鼓變形

2 巷道圍巖力學(xué)性能及分類

試驗采用100t電液伺服試驗機(jī)對試件進(jìn)行加載。該儀器最大加載荷載為100t，加載方式采用位移控制加載，加載速率為1mm／s。正式加載前，試件先要進(jìn)行物理對中和幾何對中，對中方法是預(yù)加承載力計算值的15%，校正試件和儀器儀表使其對中后卸載。隔數(shù)分鐘后，正式分級加載，以每級加載承載力估計值的10%分級加載，待讀數(shù)穩(wěn)定后再讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)加至80%～90%最大荷載后，級差減半，即減少到承載力估計值的5%，繼續(xù)緩慢連續(xù)加載，直至試件破壞。

圍巖力學(xué)性能測試結(jié)果見表1、圖1。

表1 圍巖力學(xué)性能測試結(jié)果

通過對建新煤礦的圍巖性能實驗研究，參照巷道圍巖分類方法，在綜合考慮圍巖堅硬完整程度、結(jié)構(gòu)面及其充填物性質(zhì)、巷道橫斷面上的原巖應(yīng)力分布及無支護(hù)情況下圍巖自穩(wěn)時間等情況下，經(jīng)過綜合分析評判，認(rèn)為建新煤礦的巷道圍巖屬于Ⅲ類。

3 巷道圍巖變形測試

3.1 測點布置

經(jīng)過對整個礦區(qū)的巷道變形觀察，發(fā)現(xiàn)7＃進(jìn)風(fēng)巷道變形最為嚴(yán)重，所以在該巷道布置了10個測點。7＃進(jìn)風(fēng)位置見圖2。

3.2 巷道變形測試結(jié)果

在不同的時間對巷道進(jìn)行了三次變形監(jiān)測，其結(jié)果見表2、表3、表4。

圖1 巖石力學(xué)性能測試曲線

圖2 7＃進(jìn)風(fēng)位置

表2 測量結(jié)果1

表3 測量結(jié)果2

表4 測量結(jié)果3

3.3 測試結(jié)果分析

（1）該巷道的變形非常嚴(yán)重，最大的變形量達(dá)0.8m。巷道的拱高、腰線、底線方面均有嚴(yán)重的變形。

（2）通過三次對變形巷道的測試，發(fā)現(xiàn)巷道的變形已基本穩(wěn)定，只有少數(shù)測點的變形有繼續(xù)擴(kuò)展的趨勢。

（3）從巷道的變形情況來看，現(xiàn)有的支護(hù)措施基本不能滿足保持圍巖穩(wěn)定性的要求，很多U型支架出現(xiàn)了相當(dāng)嚴(yán)重的變形。

4 深井軟巖巷道變形的理論分析

4.1 力學(xué)模型

當(dāng)開采深度大于20倍的巷道半徑時，可將巷道簡化為圓形。巷道變形的理論計算模型見圖3。

4.2 基本方程

再加上相應(yīng)的邊界條件，就能計算出巷道變形的彈塑性解。

圖3 巷道變形的理論計算模型

4.3 圍巖變形的彈塑性解

圍巖表面變形：

破裂區(qū)半徑：

巷道圍巖變形分區(qū)見圖4。

圖4 巷道圍巖變形分區(qū)

4.4 巷道圍巖表面變形影響因素分析

（1）開采深度的影響。隨著巷道埋置深度的增加，圍巖的原巖應(yīng)力增大，巷道圍巖表面變形也增大。

（2）巖石力學(xué)性質(zhì)的影響。在開采深度、巖體殘余強(qiáng)度和應(yīng)變軟化程度等條件一定時，巷道圍巖破裂區(qū)厚度隨巖體單向極限強(qiáng)度增大而減小。巷道圍巖破裂區(qū)厚度隨殘余強(qiáng)度的減小巖石的應(yīng)變軟化程度越大，巷道圍巖破裂區(qū)的厚度越大，巷首變形越嚴(yán)重，反之，則越小。

（3）支護(hù)的影響。及時支護(hù)能對圍巖破裂區(qū)的形成產(chǎn)生影響，從而在一定程度上減小圍巖破裂范圍。

（4）采動的影響。開采相當(dāng)于使巷道的埋深（開采深度）成倍增加，因而使圍巖破裂范圍明顯增大。

5 模擬結(jié)果分析

1）錨桿長度對巷道表面變形影響較大。錨桿越長，巷道表面變形越小，所以我們在巷道中要選擇較長錨桿，尤其對于深井巷道，原巖應(yīng)力較大，更應(yīng)該選擇長錨桿，或使用錨索支護(hù)。

2）計算結(jié)果表明，隨錨桿密度增加，巷道表面變形減??；原巖應(yīng)力較小時，錨桿密度不同，圍巖變形相差并不明顯，原巖應(yīng)力越大，錨桿對圍巖變形控制作用越顯著。但并不是錨桿布置越密越好，綜合經(jīng)濟(jì)性、巖性和巷道埋深，存在合理錨桿密度使支護(hù)效果最佳。

3）巷道內(nèi)壁噴層襯砌能改變巷道內(nèi)壁的應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)，減小巷道的變形，對于地質(zhì)條件較差的巷道更應(yīng)該采用噴層，保持圍巖內(nèi)壁的整體性。

6 深井軟巖巷道的支護(hù)方案

6.1 支護(hù)方式

（1）頂板、兩幫：錨桿（或＋錨索）＋金屬網(wǎng)＋噴漿。

（2）底板不支護(hù)。

6.2 支護(hù)方案及參數(shù)

依據(jù)此前理論分析及數(shù)值模擬的結(jié)果，得到巷道支護(hù)方案及參數(shù)。

（1）錨桿：頂板、幫部采用直徑20mm、長度240mm的左旋無縱筋HRB400螺紋鋼高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿，配與金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，錨桿間排距為700mm×700mm。安裝預(yù)緊力矩≤150N.m，預(yù)緊力≤50kN，錨固力≤120kN。巷道兩幫兩距巷道底板300mm的底角錨桿俯角為30°，其余幫錨桿均水平布置。錨桿均采用全長錨固，樹脂藥卷采用K2360。

（2）錨桿托板：錨桿托板采用厚8mm鋼板加工成碟形墩窩托板，規(guī)格為長×寬×厚＝150mm×150mm×8 mm。

（3）金屬網(wǎng)：采用直徑6mm鋼筋焊制，規(guī)格為長×寬＝1100mm×1100mm，網(wǎng)孔規(guī)格為100mm×100mm。

（4）噴漿：采用噴射標(biāo)號為C20的混凝土漿，噴厚為100mm。

（5）異常地段支護(hù)：異常地段加用錨索和棚架支護(hù)或聯(lián)合支護(hù)方式。錨索采用1×7×15.24（7股直徑5mm）的高強(qiáng)度鋼絞線，低松弛級，強(qiáng)度級別為1860MPa，最低拉斷荷載為260.7kN，長度為8.5m。錨索五花布置，中間一排錨索沿巷中布置，另外兩排距巷中兩側(cè)各1200 mm，每排錨索間距為2200mm。每根錨索選用1只K2360和2只Z2360低稠度樹脂做錨固劑。托板使用300mm長18＃槽鋼，鋼墊板規(guī)格為100mm×100mm×100mm。鎖具采用錨索專用鎖具，型號為MK－15。

7 結(jié)語

1）通過現(xiàn)場取芯和巖石力學(xué)性能實驗，該類巖石為較完整軟弱巖石，塊狀較軟弱、軟弱巖石，破碎巖石。層間膠結(jié)差，易風(fēng)化剝落；結(jié)構(gòu)面發(fā)育，以構(gòu)造裂隙、卸荷風(fēng)化裂隙為主，貫通性好，多數(shù)張開、夾泥，夾泥厚度一般大于結(jié)構(gòu)面起伏高度，咬合力弱，構(gòu)成較多不穩(wěn)定塊體。建新煤礦的圍巖單軸抗壓強(qiáng)度較低，實驗結(jié)果大多數(shù)為26MPa左右。

2）某些巷道變形嚴(yán)重，尤其是7＃進(jìn)風(fēng)巷道。該巷道拱高2.6m左右的直墻巷道，其最大變量達(dá)0.8m，礦壓較大，巷道支護(hù)變形較大。但通過三次測量，發(fā)現(xiàn)巷道的變形已基本穩(wěn)定。

3）利用彈塑性理論，推導(dǎo)得到了巷道圍巖變形的半徑的彈塑性解，并通過理論分析，得出圍巖變形的影響因素。理論表明，影響巷道圍巖表面變形的因素有開采深度、圍巖巖石力學(xué)性能、支護(hù)反力、環(huán)境擾動以及巷道斷面形狀及尺寸等影響。深井軟弱圍巖顯現(xiàn)為顯著變形，必須加強(qiáng)支護(hù)以及采用注漿法改變圍巖性質(zhì)以保持圍巖穩(wěn)定。

4）采用數(shù)值計算的方法，研究分析了錨桿長度、錨桿密度以及內(nèi)壁噴層等因素對巷道變形的影響。計算表明：錨桿越長、越密，以及有內(nèi)壁噴層均能使巷道受力均勻，降低巷道變形。對于深井軟巖巷道，支護(hù)時應(yīng)布置密度較大的長錨桿，或者采用錨索。

5）綜合分析建新煤礦的變形特點和巖石力學(xué)性能，建議建新礦采用錨＋網(wǎng)＋噴＋注漿支護(hù)方式，參數(shù)為錨桿長度2400mm，錨桿密度2根／m2。構(gòu)造帶、破碎帶等特殊地段采用錨索加固，錨索長度取8500mm，錨索間距為2200 m?；虿捎寐?lián)合支護(hù)，聯(lián)合支護(hù)方式為：工作面前方超前注漿錨桿＋“掌子面網(wǎng)噴＋支架＋高預(yù)應(yīng)力超高強(qiáng)錨桿”一次支護(hù)＋滯后掌子面80～100m的錨索二次支護(hù)＋滯后掌子面200m的注漿補(bǔ)強(qiáng)加固。由于現(xiàn)場實際情況的復(fù)雜性，上述支護(hù)參數(shù)均需以現(xiàn)場支護(hù)效果加以修正。