大佛寺礦軟巖巷道底臌機(jī)理及控制技術(shù)研究

陳跟馬 張永濤 賀海鴻 張紅衛(wèi)

(陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)大佛寺煤礦有限公司，陜西省彬縣，713500)

1 工程地質(zhì)條件

大佛寺煤礦40110綜放工作面處于特殊圍巖環(huán)境條件下，運(yùn)輸巷底臌劇烈、兩幫破碎、頂板下沉，給工作面安全生產(chǎn)帶來(lái)了困難。針對(duì)40110回采巷道支護(hù)難題，基于一體化綜合控制思路，提出了 “泄壓槽＋底角錨桿＋底板硬化”支護(hù)形式控制巷道地板圍巖的穩(wěn)定性?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果表明，該支護(hù)方案對(duì)巷道圍巖變形控制效果較好。

40110工作面是401采區(qū)東翼沿煤層走向布置的第四個(gè)綜放工作面，北臨40108工作面 (已回采)，西為輔運(yùn)大巷，其采掘關(guān)系如圖1所示。工作面內(nèi)煤層賦存穩(wěn)定，煤層厚度8.3～12.7m，平均厚度10.5m。煤層普氏系數(shù)為2～3。煤層偽頂為泥巖，厚0.75m；直接頂為泥巖，厚1.53m，抗壓強(qiáng)度24.6MPa，軟化系數(shù)0.4，屬于易冒落半堅(jiān)硬不穩(wěn)定型；老頂下部為粉砂巖，厚度3.18m，上部為中粒砂巖，厚度8.88m，其抗壓強(qiáng)度63.76MPa，軟化系數(shù)0.50，屬于半堅(jiān)硬較穩(wěn)定型；偽底以炭質(zhì)泥巖為主，厚度1.43m；直接底為鋁土質(zhì)泥巖，厚度4.07m，其抗壓強(qiáng)度29.4MPa。經(jīng)試驗(yàn)分析得到，底板巖石高嶺石含量高達(dá)13.22%，而Al2O3含量高達(dá)23.3%，軟化系數(shù)0～0.15，屬于不堅(jiān)硬不穩(wěn)定型。

2 軟巖巷道底臌特征

(1)變形量大。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，40110運(yùn)輸巷底板鼓起量大，最大可達(dá)1.5m以上，該巷道500～800m斜坡段，7d累計(jì)底臌量最大達(dá)0.6m以上。

(2)變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。軟巖巷道底板鼓起具有顯著的流變性，故底臌具有明顯的時(shí)效性，對(duì)于軟巖巷道底板而言，劇烈的初始變形后，大約要數(shù)天甚至數(shù)月時(shí)間才能進(jìn)入穩(wěn)定變形階段，圍巖收斂停止得需更長(zhǎng)時(shí)間，況且是否能停止收斂變形還取決于支護(hù)結(jié)構(gòu)。監(jiān)測(cè)資料表明，巷道開(kāi)挖3個(gè)月后變形速率無(wú)明顯降低，一般維持在30～80mm／d。

(3)擠壓流動(dòng)性底臌。40110運(yùn)輸巷直接底富含遇水膨脹的高嶺石礦物，其中Al2O3含量高達(dá)23.3%，浸水后往往會(huì)泥化、崩解、碎裂，甚至強(qiáng)度完全喪失，受巷道兩側(cè)巖柱傳遞的水平壓力的擠壓作用，使巷道兩幫內(nèi)移，引起底板軟弱破碎巖體向巷道內(nèi)整體流動(dòng)，導(dǎo)致底板巖層從表面向深部發(fā)生離層，并在巷道的中部鼓起進(jìn)而斷裂，形成擠壓流動(dòng)性底臌。

3 軟巖巷道底臌影響因素分析

引起巷道底臌的因素很多，其中影響最大的因素是底板圍巖特性，其次是水理作用和采動(dòng)影響，同時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)底臌量的大小也有一定的影響。

(1)圍巖性態(tài)。40110運(yùn)輸巷道底板為3.91m的鋁質(zhì)泥巖，具有力學(xué)強(qiáng)度低及遇水易于軟化、崩解等不良性質(zhì)，對(duì)巷道穩(wěn)定性最為不利，底板長(zhǎng)期處于敞開(kāi)無(wú)支護(hù)狀態(tài)。因此當(dāng)巷道圍巖壓力較大時(shí)，造成巷道底板出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而在巷道底板巖層中產(chǎn)生大量裂隙。隨著兩側(cè)的擠壓，導(dǎo)致裂縫處的巖層向巷道空間彎曲，表現(xiàn)出顯著的底臌現(xiàn)象，進(jìn)而直接影響巷道頂幫的穩(wěn)定，產(chǎn)生頂板下沉，兩幫內(nèi)擠，從而造成巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的全面失穩(wěn)破壞。

(2)采動(dòng)影響。40110運(yùn)輸巷與40108工作面之間留設(shè)60m煤柱，受側(cè)向支撐壓力影響，巷道成型質(zhì)量極度惡化，片幫嚴(yán)重，底臌現(xiàn)象異常劇烈，并在巷道中間出現(xiàn)了寬約10～30mm、深300mm的裂縫，通過(guò)人工起底來(lái)維持巷道的正常使用。當(dāng)距回采工作面約100m左右時(shí)，受超前支撐壓力影響，巷道圍巖強(qiáng)度進(jìn)一步減弱，導(dǎo)致底板松軟破碎巖體喪失其承載力。

(3)水理作用。水對(duì)巷道底臌的影響主要通過(guò)水理作用表現(xiàn)出來(lái)。由于掘進(jìn)巷道經(jīng)常積水，而軟弱巖體內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育，水很容易進(jìn)入巖體內(nèi)部，使底板圍巖長(zhǎng)期受到水理、風(fēng)化作用，愈發(fā)加劇了圍巖向巷道自由空間內(nèi)的擠入趨勢(shì)，從而加大了巷道底臌量。

(4)支護(hù)結(jié)構(gòu)。40110運(yùn)輸巷支護(hù)只注重巷道頂幫，未對(duì)底板進(jìn)行任何有效支護(hù)，底板長(zhǎng)期處于敞開(kāi)不支護(hù)狀態(tài)，從而導(dǎo)致巷道底臌量大于頂板下沉量。該巷道采用錨網(wǎng)索有效支撐巷道頂幫，而支護(hù)體系要承受住來(lái)自其周圍的壓力，只得將各種受力向未進(jìn)行支護(hù)的底板即弱面進(jìn)行傳遞，破壞了底板原有的應(yīng)力平衡，以致底板向巷道內(nèi)隆起，造成巷道底臌。

在上述4個(gè)影響巷道底臌的因素中，圍巖性質(zhì)是產(chǎn)生底臌的最根本原因，也是研究巷道底臌控制的重點(diǎn)因素。

4 支護(hù)對(duì)策

4.1 支護(hù)設(shè)計(jì)原則

針對(duì)40110運(yùn)輸巷底臌問(wèn)題，認(rèn)為 “強(qiáng)頂、固幫和有效強(qiáng)化底板”是維護(hù)巷道底板穩(wěn)定的關(guān)鍵?；谝惑w化 (支護(hù)體和圍巖)綜合控制思路確定底臌治理方案，將各個(gè)支護(hù)方式優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，互為補(bǔ)充，充分發(fā)揮支護(hù)系統(tǒng)整體承載能力。在此基礎(chǔ)上，提出 “底角錨桿＋底板硬化＋卸壓槽＋補(bǔ)打頂幫錨桿 (索)”聯(lián)合支護(hù)方式，支護(hù)方式如圖2所示。

4.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

(1)強(qiáng)頂。頂板采用錨索加強(qiáng)支護(hù)，由原支護(hù)的 “2＋1”布置形式增強(qiáng)為 “2＋3”布置形式，其間排距為1800mm×2400mm，規(guī)格為?15.24mm×7100mm高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力錨索。通過(guò)錨固作用調(diào)動(dòng)深部堅(jiān)硬巖層的強(qiáng)度，和原有支護(hù)體一起增加了松動(dòng)巖體的強(qiáng)度，起到強(qiáng)頂目的。

圖2 支護(hù)方式布置示意圖

(2)固幫。幫部加固可通過(guò)加大錨桿布置密度來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于該工程是修復(fù)巷道，施工時(shí)巷道圍巖的破壞區(qū)比較大，因此，在巷道幫部腰線位置增加一排?20mm×2300mm高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力螺紋錨桿，提高巷道幫部圍巖的穩(wěn)定性。

(3)增加底角錨桿。每側(cè)布置1根錨桿，按45°打設(shè)，規(guī)格為?18mm×2000mm高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力螺紋鋼錨桿。

(4)底板鋪設(shè)混凝土。底板澆筑等級(jí)強(qiáng)度為C30混凝土，水泥采用425＃普通硅酸鹽水泥，內(nèi)摻防水劑，鋪設(shè)厚度200mm；在巷道人行側(cè)施工規(guī)格為300mm×800mm的泄壓槽，施工完后在泄壓槽上鋪設(shè)10mm×600mm (厚×寬)的鋼板；在巷道另一側(cè)同時(shí)澆灌尺寸為300mm×300mm的導(dǎo)水溝。

5 工程應(yīng)用效果

大佛寺煤礦40110運(yùn)輸巷采用 “底角錨桿＋底板硬化＋卸壓槽＋補(bǔ)打頂幫錨桿 (索)”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)防治巷道底臌，通過(guò)頂?shù)装?、兩幫表面位移觀測(cè)，得到巷道表面位移如圖3所示:

圖3 巷道表面位移—時(shí)間關(guān)系圖

觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，底臌量最大9mm，平均5.2mm，位移速率0.06mm／d；頂板最大下沉量48mm，平均35mm，頂板平均下沉速率0.44mm／d；左幫最大位移量38mm，平均28.5 mm，平均位移速率0.36mm／d；右?guī)妥畲笪灰屏?8mm，平均19.1mm，平均位移速率0.24mm／d。礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，巷道底板未出現(xiàn)裂縫，底臌量大幅度降低，頂板未出現(xiàn)離層脫落等其它變化，巷道支護(hù)完整、斷面均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，巷道底臌得到有效控制。

6 結(jié)論

(1)影響軟巖巷道底臌的最根本原因是圍巖特性，提出了 “強(qiáng)頂、固幫和有效強(qiáng)化底板”的軟巖巷道底板圍巖穩(wěn)定性控制原則。

(2)大佛寺煤礦40110運(yùn)輸巷工程實(shí)踐表明:底板硬化＋泄壓槽＋底角錨桿＋補(bǔ)打頂幫錨桿(索)支護(hù)方式能夠有效控制巷道底臌，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的應(yīng)用前景。

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