油頁巖巷道圍巖變形失穩(wěn)機理及支護技術＊

趙紅超 張東升，2 劉洪林，2 呂金星 溫穎遠

（1.新疆大學地質(zhì)與礦業(yè)工程學院，新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市，830000；2.中國礦業(yè)大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221008）

油頁巖作為一種非常規(guī)能源，已成為繼煤炭、石油、天然氣之后的重點戰(zhàn)略能源。目前國內(nèi)外研究主要集中在油頁巖成巖機理和化學性質(zhì)方面，缺少對油頁巖巷道圍巖穩(wěn)定機理和控制技術的相關研究。為此，本文以甘肅窯街煤電集團海石灣礦油頁巖巷道為研究對象，分析了油頁巖巷道變形破壞的基本特征，在此基礎上研究油頁巖巷道圍巖強度弱化機理，通過采用與之相應的圍巖控制技術，有效地控制了巷道圍巖穩(wěn)定。

1 工程概況

海石灣井田位于蘭州市紅古區(qū)海石灣鎮(zhèn)，礦井同時開采煤和油頁巖。試驗巷道選取6113工作面運輸巷，埋深800m，沿頂掘進，煤層傾角在8°～14°，平均傾角10°，普氏硬度系數(shù)3.46～5.03，水文地質(zhì)條件簡單，無瓦斯與二氧化碳突出危險，煤塵具有爆炸性，不易自燃。6113工作面運輸巷道層位布置見圖1，運輸巷道頂?shù)装鍘r性特征見表1。

6113工作面運輸巷原有支護方式是頂板、兩幫均采用規(guī)格為?20mm×2000mm 的普通螺紋鋼錨桿，間排距800mm×800mm、配合120mm×120mm×8mm 的鋼托盤；采用規(guī)格?17.8×7300 mm 錨索，排距1600mm，五花布置；頂幫均鋪設金屬編織網(wǎng)，鋼帶采用?16mm 鋼筋梯子梁。

表1 6113工作面運輸巷頂?shù)装鍘r性特征

圖1 6113工作面運輸巷層位布置圖

2 油頁巖巷道變形破壞基本特征

2.1 巷道圍巖變形破壞特征

（1）深部巷道地應力水平高，一旦巷道開挖，圍巖即出現(xiàn)破壞。巷道圍巖處在巖石應力應變曲線的峰值強度變化的下降段，部分圍巖中形成大量的剪切滑移線，裂隙開裂，產(chǎn)生所謂的局部化變形，該部分在殘余強度影響下，圍巖屬于非線性應力狀態(tài)。

（2）巷道變形出現(xiàn)明顯的非對稱性變形破壞，巷道收縮變形后出現(xiàn)不規(guī)則形態(tài)，其中巷道下幫變形劇烈，出現(xiàn)圍巖被壓碎壓酥的現(xiàn)象。巷道肩角處變形嚴重，具有典型的擠壓型變形破壞特征，出現(xiàn)危石。

（3）巷道遇水后變形速度加快，巖石泥化現(xiàn)象十分明顯，巷道圍巖處于長期流動不穩(wěn)定狀態(tài)，整個使用周期內(nèi)始終處于變形之中。

2.2 支護結構變形破壞特征

大量現(xiàn)場監(jiān)測結果表明，在巷道開掘完成后到巷道報廢翻修整個過程中，支護結構出現(xiàn)較為顯著的變形破壞特征。

（1）錨桿破壞嚴重，現(xiàn)場實時觀測發(fā)現(xiàn)錨桿以剪切破壞為主，少數(shù)錨桿為拉伸破壞，錨桿托盤出現(xiàn)明顯的外翻和扭曲變形，錨桿拉拔力試驗結果顯示大部分錨桿出現(xiàn)松動，錨桿支護結構失效。

（2）錨索存在拉斷的現(xiàn)象，部分托盤多處壓裂，裂紋以錨索孔為中心向四周呈 “龜裂”式擴展。

（3）鋼筋梯子梁嚴重扭曲，甚至斷裂。頂板和兩幫金屬編織網(wǎng)出現(xiàn)較大范圍的撕裂現(xiàn)象，失去護表作用。

3 油頁巖巷道變形失穩(wěn)機理

為研究海石灣煤礦油頁巖巷道圍巖的穩(wěn)定機理，以相關部門提供的地質(zhì)資料及工作實踐為依據(jù)，分別從地質(zhì)構造、圍巖性能、支護時機、現(xiàn)場施工等方面對巷道圍巖變形失穩(wěn)的主要原因進行分析。

綜上所述，輔導員在思想政治教育中的話語權是指輔導員開展大學生思想政治教育工作所具有的思想政治引領、觀點表達、建議陳述等的資格和能力。它既是一項不容侵犯的權利，也是一項不容撼動的權力。

3.1 特殊地質(zhì)構造帶影響

選取的試驗巷道正好位于背斜褶曲的底部，褶曲附近的地應力分布又與其他地層條件有明顯的不同，具體表現(xiàn)在地質(zhì)構造形成初期受相反方向的擠壓與側(cè)向的滑動，導致地應力增大，原本積聚在圍巖內(nèi)部較高的地應力作用是導致巷道較大變形的根本原因。

由于巷道并沒有嚴格按照背斜軸線方向布置，使得巷道開挖后各個部位的應力分布出現(xiàn)差異，恰好位于褶曲背斜的中部。以水平構造應力為主的最大主應力的方向與巷道軸向存在一定的角度是導致巷道圍巖出現(xiàn)非對稱性變形破壞的直接原因。在實際支護過程中應該加以考慮并重點分析。這也是造成巷道出現(xiàn)非對稱變形的根本原因。

3.2 圍巖自身力學性質(zhì)差

對窯街海石灣礦油頁巖采用X 射線衍射光譜和紅外光譜測試，按照標準分析法進行對比分析，得到6113工作面油頁巖圍巖組分測試結果見表2。

表2 6113工作面油頁巖圍巖組分測試結果 %

分析結果表明，油頁巖成巖礦物主體成分為高嶺石、石英，伊利石和伊蒙混層礦物次之。高嶺石干燥時有吸水性，遇潮后有可塑性。這些易軟化、膨脹類黏土礦物的存在，遇水后產(chǎn)生的吸水膨脹變形隨著時間變化一直持續(xù)，極大地弱化了油頁巖的力學性質(zhì)，是造成油頁巖性質(zhì)弱化的根本原因，也是導致油頁巖巷道在開挖完成初期即出現(xiàn)顯著變形的主要誘因。

3.3 水理作用弱化強度

水理作用會直接影響到巖石的自身力學性質(zhì)，對于軟巖的作用更加明顯。由于水分子的侵入削弱了顆粒之間的聯(lián)系，隨著水化時間的增加，巖石自身強度降低。表3為6113工作面運輸巷道頂?shù)装鍘r層水化試驗中單軸抗壓強度測試結果。

表3 6113工作面運輸巷道頂?shù)装鍘r（石）層水化實驗結果 MPa

試驗結果表明，6113工作面運輸巷道頂?shù)装鍘r層浸水前后單軸抗壓強度出現(xiàn)大幅度降低。其中，底板油頁巖浸水前6h強度降幅最為明顯，達到38%，18h后總降幅達到79.5%。水化作用造成的油頁巖巷道圍巖單軸抗壓強度降低是導致油頁巖性質(zhì)弱化的又一原因，若無法有效地避免包括頂板淋水、鉆孔析水等影響，油頁巖巷道的穩(wěn)定性必然受到影響。

3.4 風化作用影響顯著

3.5 支護時機選擇不合理

在巷道支護設計中，合理的支護時間和支護順序?qū)ο锏绹鷰r的破碎區(qū)和塑性區(qū)分布有著重大的影響。為此，基于6113工作面運輸巷實際地質(zhì)條件和頂?shù)装鍘r層力學性能測試結果，采用數(shù)值計算的方法分析不同支護時機對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。

計算結果表明：6113工作面運輸巷圍巖塑性區(qū)半徑與兩幫滯后支護的時間成正比關系，但當兩幫滯后支護時間超過一定范圍時，巷道圍巖塑性區(qū)半徑變化將不明顯。若巷道開挖后及時對巷道兩幫進行支護，可以有效地控制巷道圍巖塑性區(qū)的范圍，當滯后時間超過一定范圍后，巷道圍巖塑性區(qū)出現(xiàn)一個峰值，此時進行支護已無法有效控制圍巖塑性區(qū)范圍的進一步擴展。6113 工作面運輸巷在掘進過程中兩幫滯后頂板支護的最大距離超過30 m，此時巷道出現(xiàn)明顯變形，后期再采用補強支護已經(jīng)不能實現(xiàn)巷道圍巖的穩(wěn)定。由此可知，不合理的支護時機選擇是造成6113工作面運輸巷變形失穩(wěn)的另一個主要原因。

綜上所述，特殊地質(zhì)構造的影響、圍巖自身力學性質(zhì)差、水理、風化作用影響明顯以及不合理的支護時機選擇的共同作用，造成了海石灣礦6113工作面運輸巷嚴重的變形失穩(wěn)，在巷道圍巖控制技術確定時需適時考慮上述因素的影響。

4 巷道圍巖控制技術及參數(shù)設計

結合油頁巖巷道變形破壞基本特征，在綜合分析深部油頁巖巷道圍巖變形破壞機理的基礎上，提出了高強預緊、適度讓壓、封閉裂隙、切斷水源的圍巖控制思路。

4.1 巷道支護參數(shù)設計

巷道掘進寬度4600 mm，高度3600 mm，斷面積16.56m2，支護方案與參數(shù)見圖2。為減少矩形斷面在巷道肩角處出現(xiàn)的應力集中，將設計斷面做圓弧化處理。

圖2 巷道支護參數(shù)布置圖

巷道頂板、巷幫均采用規(guī)格?22 mm×2400 mm HRB335預應力讓壓錨桿，頂板錨桿間排距為700mm×700mm，幫錨桿間排距為750mm×700 mm，配合150mm×150mm×10mm 的碟形錳板托盤和高強螺母。采用?18.9mm×8300mm 的小孔徑預應力錨索補強支護，預緊力120～140kN，間排距為2000mm×700mm。頂板和兩幫均鋪設?6.5mm 鋼筋焊接網(wǎng)，網(wǎng)孔尺寸為100 mm×100 mm，搭接長度100mm，逐扣連接。鋼帶選用?14 mm 鋼筋焊接梯子梁。設計要求頂板錨桿預緊力矩不低于300N·m，兩幫錨桿不低于200N·m。巷道開挖后保證頂板支護緊隨掘進頭，兩幫支護滯后頂板支護的時間不超過4h，滯后20m左右全斷面噴射混凝土。

4.2 現(xiàn)場應用效果

采用此設計支護方案后，6113 工作面運輸巷礦壓監(jiān)測結果表明：巷道開掘后14d內(nèi)變形速度較大，20d以后基本進入變形穩(wěn)定期，并一直持續(xù)到30d后未出現(xiàn)加速變形跡象，最終變形量控制在300mm 以內(nèi)。

5 結論

（1）海石灣礦油頁巖巷道圍巖變形破壞表現(xiàn)出明顯的非線性和非對稱性特征，巷道開挖后短期內(nèi)支護結構出現(xiàn)整體失效。

（2）水理、風化作用以及不合理的支護時機選擇是造成海石灣礦油頁巖巷道圍巖性質(zhì)弱化的根本原因，特殊地質(zhì)構造帶的存在加劇了油頁巖巷道變形破壞的進程。

（3）基于高強預緊、適度讓壓、封閉裂隙、切斷水源的圍巖穩(wěn)定控制思想，采用高強預緊讓壓錨桿+錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護技術手段可以有效控制油頁巖巷道圍巖變形破壞。

［1］ 包政禮，曲祖俊.油頁巖反采技術研究與實踐 ［J］.中國煤炭，2008 （4）

［2］ 辛存林，孫柏年，韋利杰等.甘肅窯街中侏羅世袍粉組合及其古環(huán)境意義［J］.蘭州大學學報，2006 （3）

［3］ 彭雪峰，汪立今，田繼軍等.新疆油頁巖資源的開發(fā)利用研究 ［J］.中國礦業(yè)，2010（11）

［4］ 宋玉勤，郭巍，劉招君等.民和盆地窯街煤田油頁巖沉積環(huán)境分析及開發(fā)前景預測 ［J］.世界地質(zhì)，2006（1）

［5］ 姚強嶺.富水巷道頂板強度弱化機理及其控制研究［D］.徐州：中國礦業(yè)大學，2011

［6］ 徐磊，桑普天，王凌燕.深部軟巖巷道噴、棚、錨、注聯(lián)合支護技術研究 ［J］.中國煤炭，2011（11）

［7］ 趙紅超，曹勝根，張科學等.深部油頁巖巷道變形破壞機理及穩(wěn)定性控制研究 ［J］.采礦與安全工程學報，2012（2）