高應(yīng)力區(qū)穿層硐室圍巖變形特征及其控制

梁博

(山東東山王樓煤礦有限公司,山東濟(jì)寧 272063)

高應(yīng)力區(qū)穿層硐室圍巖變形特征及其控制

梁博

(山東東山王樓煤礦有限公司,山東濟(jì)寧 272063)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展,煤礦的開采深度不斷增加難度越來越大,高應(yīng)力區(qū)的開采技術(shù)要求越來越高,因此,對(duì)高應(yīng)力區(qū)穿層硐室圍巖變形特征的研究,有利于采取更有效的控制措施,從而提高煤礦開采過程的安全性,保證開采工作人員的生命安全。本文就高應(yīng)力區(qū)穿層硐室圍巖變形特征和形成原因進(jìn)行敘述,提出相應(yīng)的控制對(duì)策,以提高硐室圍巖的支護(hù)有效性,促進(jìn)煤礦深部開采高應(yīng)力區(qū)穿層巷道支護(hù)技術(shù)水平不斷提升。

煤礦開采 高應(yīng)力區(qū) 硐室圍巖 變形特征 控制對(duì)策

在煤礦開采過程中，高應(yīng)力區(qū)巷道是威脅煤礦安全生產(chǎn)的重要因素，因此，加強(qiáng)對(duì)高應(yīng)力區(qū)穿層硐室圍巖變形情況的研究，分析高應(yīng)力區(qū)穿層巷道被破壞的機(jī)理，可以不斷創(chuàng)新巷道支護(hù)技術(shù)，對(duì)于提高高應(yīng)力區(qū)穿層硐室圍巖的支護(hù)穩(wěn)固性具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 高應(yīng)力區(qū)穿層硐室圍巖變形特征和形成原因

隨著煤礦開采深度的不斷增加，個(gè)別煤礦深度已經(jīng)達(dá)到1100米以上，由于受到地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響，深層巷道的硐室圍巖變形特征也逐步形成，給煤礦開采帶來了許多困難。根據(jù)某煤礦開采情況來看，1100繞道的區(qū)域是主要軌道運(yùn)輸大巷，巷道深度為650米左右，因此，選取1100繞道的100米變形段為高應(yīng)力區(qū)穿層硐室圍巖變形特征研究段，其中，硐室的頂部為泥質(zhì)粉砂巖和炭質(zhì)泥巖混合層，最上層為細(xì)粉砂巖；底部為泥質(zhì)粉砂巖和細(xì)粉砂巖的互層，最底層為中粗砂巖和砂礫巖混合層。

由煤礦現(xiàn)場(chǎng)開采情況可知，這個(gè)研究段為高應(yīng)力集中區(qū)，并且受到穿層結(jié)構(gòu)的極大影響，經(jīng)常處于不穩(wěn)定狀態(tài)，給煤礦開采帶來了極大安全威脅。研究段的高應(yīng)力主要來源于構(gòu)造應(yīng)力、自重應(yīng)力和采空區(qū)集中支承壓力三個(gè)方面，同時(shí)，因?yàn)榈刭|(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，導(dǎo)致硐室穿層的布置呈現(xiàn)出弱結(jié)構(gòu)狀態(tài)，因此，多重壓力情況下，硐室圍巖表現(xiàn)出變形非常嚴(yán)重、難支護(hù)的弱結(jié)構(gòu)高應(yīng)力軟巖硐室圍巖特征，其破壞形態(tài)主要出現(xiàn)在底部、頂部和幫部三個(gè)位置，成為了制約煤礦開采向縱深發(fā)展的關(guān)鍵問題。

根據(jù)相關(guān)調(diào)查和研究分析得出，高應(yīng)力區(qū)穿層硐室圍巖變形的形成原因主要有如下幾個(gè)方面。

1.1 圍巖巖性方面

由于研究段的硐室的深度比較大，穿層硐室的煤巖是互相混合在一起的，煤體強(qiáng)度比巖體強(qiáng)度小很多，因此，硐室整體受力不均勻，經(jīng)過多次返修和加固后，巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，裂縫產(chǎn)生，導(dǎo)致硐室圍巖出現(xiàn)破碎和掉落現(xiàn)象，并且隨著時(shí)間加長(zhǎng)，圍巖松動(dòng)的范圍會(huì)逐漸擴(kuò)大，給硐室圍巖的支護(hù)加固增加了很高難度。在對(duì)研究段進(jìn)行高應(yīng)力區(qū)穿層硐室圍巖變形的研究時(shí)，使用鉆孔內(nèi)窺儀進(jìn)行圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)松動(dòng)范圍達(dá)到了2米以上，使硐室圍巖的整體性變得很差，自承能力被大大減弱，導(dǎo)致硐室圍巖的煤層呈現(xiàn)出典型的強(qiáng)度不耦合特征，最終引起硐室圍巖嚴(yán)重變形。

1.2 高應(yīng)力方面

在進(jìn)行煤礦開采時(shí)，研究采煤工作面較多，采空區(qū)周圍的煤體受到多重支承壓力疊加，形成比較集中的支承壓力區(qū)，并且受到向斜構(gòu)造的影響，原有的應(yīng)力也比較高。因此，硐室圍巖所受到的應(yīng)力變化非常大，給圍巖支護(hù)帶來巨大壓力，造成硐室圍巖變形，從而形成經(jīng)常返修的高應(yīng)力軟巖硐室圍巖特征，大大增加了硐室圍巖的支護(hù)難度。根據(jù)研究分析和相關(guān)計(jì)算結(jié)果可以得知，圍巖在水平方向所承受的應(yīng)力要大于豎直方向，因此，本文研究段的硐室圍巖應(yīng)力都達(dá)到了高應(yīng)力水平，并且硐室正處于高應(yīng)力集中區(qū)，在進(jìn)行煤礦開采時(shí)，必須高度警覺，避免重大安全事故發(fā)生。

1.3 弱結(jié)構(gòu)方面

由于研究段受到向斜構(gòu)造的影響，硐室與煤層走向形成了一定幅度的夾角，并且煤層存在一定幅度的傾角，使煤礦開采的難度不斷增加。與此同時(shí)，研究段的硐室斜穿過多層煤層，使硐室圍巖的組成結(jié)構(gòu)變得比較復(fù)雜，包括了全巖、全煤、半煤半巖等幾種形態(tài)，從而形成了弱結(jié)構(gòu)硐室。因此，硐室圍巖的形態(tài)呈現(xiàn)出不對(duì)稱現(xiàn)象，出現(xiàn)弱頂、弱底和弱幫同時(shí)存在的情況，導(dǎo)致各部分巖體的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出不耦合形態(tài)，最終引起硐室圍巖各斷面的局部首先受到破壞，使硐室圍巖發(fā)生巨大變形，致使整個(gè)硐室受到破壞，給煤礦開采帶來嚴(yán)重影響。

2 高應(yīng)力區(qū)穿層硐室圍巖變形的控制對(duì)策

為了提高煤礦開采過程的安全性，根據(jù)高應(yīng)力區(qū)穿層硐室圍巖變形的特征和形成原因，制定的控制對(duì)策如下：

根據(jù)硐室圍巖的結(jié)構(gòu)組成和煤層特征，選擇錨網(wǎng)噴、錨注作為主要支護(hù)工具，其中，全巖段采用錨網(wǎng)噴和U型鋼；全煤段和弱結(jié)構(gòu)段都采用錨網(wǎng)噴和錨注，以進(jìn)行不同程度的支承。由于高應(yīng)力區(qū)穿層硐室圍巖的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，硐室長(zhǎng)期處于高支承壓力狀態(tài)，因此，需要將高應(yīng)力進(jìn)行分散，并形成有效的高強(qiáng)度支護(hù)體，以提高硐室圍巖的支護(hù)穩(wěn)定性，保證硐室的安全。首先，在硐室擴(kuò)大后緊跟礦井工作面，用錨網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)；然后，等硐室所承受的應(yīng)力分布穩(wěn)定以后，硐室圍巖會(huì)發(fā)生一定變形，及時(shí)選擇合適位置使用錨網(wǎng)噴進(jìn)行支護(hù)，從而達(dá)到分散高應(yīng)力的目的；最后，由淺部位置向深部位置轉(zhuǎn)移，以提高深部巖體的承載能力，使硐室圍巖的結(jié)構(gòu)保持耦合狀態(tài)，并用錨注進(jìn)行二次支護(hù)，將錨桿和注漿的作用結(jié)合在一起，最終達(dá)到加固硐室圍巖、提高和改善硐室圍巖性能的目的，以保證硐室圍巖強(qiáng)度和巖體結(jié)構(gòu)相耦合。

根據(jù)上述操作可知，第一次支護(hù)采用錨桿，第二次支護(hù)采用錨注，作為底角錨桿，并且扎入底層的角度要保持在30°左右，同時(shí)對(duì)底角進(jìn)行錨注支護(hù)、鎖角和強(qiáng)底操作，防止高應(yīng)力軟巖硐室圍巖支護(hù)位移較大情況出現(xiàn)，從而使研究段硐室圍巖變形情況得到有效控制。

3 結(jié)語

綜上所述，在煤礦深度開采過程中，想要有效控制高應(yīng)力區(qū)穿層硐室圍巖的變形程度，提高硐室圍巖支護(hù)的穩(wěn)定性，采用錨網(wǎng)噴和錨注可以有效提高支護(hù)效果，從而給煤礦開采工作人員的生命安全提供可靠保障。

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