軟巖巷道底臌機(jī)理分析與治理技術(shù)研究

侯運(yùn)炳 孫俊東 鄧鵬海 侯亞星 李 鑫 李騰龍

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083)

軟巖巷道底臌機(jī)理分析與治理技術(shù)研究

侯運(yùn)炳 孫俊東 鄧鵬海 侯亞星 李 鑫 李騰龍

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083)

針對六家煤礦東一輔助運(yùn)輸大巷底臌嚴(yán)重的問題,采用現(xiàn)場調(diào)研、理論分析和UDEC數(shù)值模擬相結(jié)合的分析方法,研究了底臌發(fā)生機(jī)理及其相應(yīng)的控制技術(shù)措施。研究認(rèn)為:巷道圍巖性質(zhì)、地應(yīng)力、水理作用和加固方式是影響六家礦東一輔助運(yùn)輸大巷底臌的主要因素;底板注漿＋錨索束＋反拱聯(lián)合加固技術(shù)能有效控制巷道底臌。工程實(shí)踐表明實(shí)施該聯(lián)合加固技術(shù)后,巷道頂?shù)装遄罱K移近量為71～91 mm,表面位移量在12～15 d后趨于穩(wěn)定,底臌控制效果明顯。

軟巖巷道 巷道支護(hù) 底臌治理 數(shù)值模擬

諸多學(xué)者對軟巖巷道底臌機(jī)理和控制措施進(jìn)行了研究,并提出了相應(yīng)控制措施,這些控制措施雖得到應(yīng)用和推廣,但因圍巖性質(zhì)、地質(zhì)環(huán)境等因素的復(fù)雜性,所采用的控制措施必須和具體工程地質(zhì)條件相適應(yīng),不能盲目選取。因此,本文針對六家煤礦軟巖巷道的具體地質(zhì)條件進(jìn)行底臌影響因素及其控制措施分析。

1 工程概況

六家煤礦東一輔助運(yùn)輸大巷位于北翼大巷北側(cè),沿6－9煤層底板布置,平均埋深530 m,為半煤巖巷。巷道全長562 m,掘進(jìn)過程中共穿過兩段泥巖:第一段在與0 m標(biāo)高大巷交岔點(diǎn)至250 m處,該段泥巖為黑灰色、破碎,遇水膨脹;第二段在400～450 m處,破碎、滑面發(fā)育、遇水膨脹。另外,在距該巷與西二運(yùn)輸石門交岔點(diǎn)343 m處遇F6斷層,涌水主要來自斷層水和煤系地層含水。

在東一輔助運(yùn)輸大巷掘進(jìn)過程中,巷道斷面收斂、變形較大,巷道斷面寬度最大收斂至2.6 m,被迫停掘、打底拱,返修后巷道底臌仍比較嚴(yán)重,又采用全斷面水泥－水玻璃雙液注漿加固和全斷面錨網(wǎng)噴進(jìn)行返修。返修后巷道頂板及兩幫得到有效控制,但巷道底臌仍嚴(yán)重,水溝兩側(cè)高差最大達(dá)90 mm,致使水溝不能正常使用,影響正常生產(chǎn)。

2 巷道底臌機(jī)理分析

針對六家煤礦東一輔助運(yùn)輸大巷底臌問題,分析其影響因素。

(1)圍巖性質(zhì)?，F(xiàn)場取樣表明,巷道底板巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖;X射線衍射分析得出巷道底板巖層中含有以伊蒙混層和高嶺石組成的粘土礦物,其中泥巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖中粘土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為78%、37%和35%,其余為石英、鉀長石和菱鐵礦。粘土礦物遇水軟化、膨脹崩解,使水極易滲入深部巖層,降低了圍巖強(qiáng)度。松散破碎、強(qiáng)度較低的底板巖層具有流變和擴(kuò)容性質(zhì),在偏應(yīng)力作用下擴(kuò)容變形量及剪脹變形量較大。隨著時(shí)間延長,最終導(dǎo)致巷道極易產(chǎn)生底臌。此外,巷道兩幫圍巖強(qiáng)度對底臌也有較大影響。東一輔助運(yùn)輸大巷兩幫為6－9煤層,抗壓強(qiáng)度為5.22 MPa,強(qiáng)度低,圍巖應(yīng)力塑性區(qū)擴(kuò)張,應(yīng)力峰值向圍巖深部轉(zhuǎn)移。兩幫圍巖強(qiáng)度降低后,圍巖變形量增加,底板巖層的最大拉應(yīng)力增大,導(dǎo)致巷道底臌量增加。

(2)地質(zhì)構(gòu)造和地應(yīng)力。東一輔助運(yùn)輸大巷通過F6大斷層,降低了附近頂?shù)装鍘r體強(qiáng)度,改變了巖體的彈性模量和滲透系數(shù)等物理力學(xué)參數(shù),導(dǎo)致圍巖抗變形能力和自承能力下降。此外,礦區(qū)內(nèi)斷層較多,共有29條斷層,其中19條斷層的落差大于20 m,其余斷層的落差都在5～19 m。由于斷層構(gòu)造的切割破壞,礦井原有水文地質(zhì)條件發(fā)生改變,同時(shí)井田地層被切割后,使水與巷道圍巖接觸,經(jīng)過水理作用,加劇了圍巖物理力學(xué)參數(shù)的弱化,增大了巷道維護(hù)的難度。

六家礦構(gòu)造應(yīng)力場的構(gòu)造應(yīng)力方向性比較明顯,最大水平應(yīng)力比垂直應(yīng)力大得多,對巷道穩(wěn)定性不利。巷道圍巖的拉應(yīng)力和變形量隨著巷道軸向與最大主應(yīng)力方向夾角增大而增加,頂板因受擠壓而發(fā)生破壞下沉,底板巖層則會發(fā)生撓曲褶皺變形向巷道空間鼓起。利用空心包體測量法,測得礦區(qū)最大主應(yīng)力σ1及中間主應(yīng)力σ2分別為37.72 MPa、13.85 MPa,最小主應(yīng)力σ3為11.82 MPa。按理論計(jì)算垂直應(yīng)力σz為12.2 MPa,水平應(yīng)力σx、σy為3.64 MPa。由實(shí)測結(jié)果和理論計(jì)算可知,實(shí)測的水平應(yīng)力是理論計(jì)算的10.4倍,巷道軸向與最大主應(yīng)力夾角為72°。東一輔助運(yùn)輸大巷底臌與構(gòu)造應(yīng)力影響密不可分,其底臌嚴(yán)重地段的水平應(yīng)力較大,對巷道圍巖穩(wěn)定極不利。

(3)水理作用。根據(jù)巖石的水理特性,水對巷道底臌的影響不容忽視。底板巖層含有蒙脫石和伊/蒙混層,其結(jié)構(gòu)疏松,吸水能力強(qiáng),巖層吸水后往往產(chǎn)生膨脹、泥化、破裂,同時(shí)礦物成分中會發(fā)生離子交換、礦物溶解并形成新的礦物,降低了巖體的黏聚力和內(nèi)摩擦角,巖層間形成滑移面,使巖體分層,從而引起底臌。巷道在掘進(jìn)時(shí),底板積水不能及時(shí)排出,底板巖層遇水甚至被水浸泡,而且受壓力影響,巷道圍巖變形嚴(yán)重。當(dāng)巷道局部發(fā)生底臌時(shí),水溝產(chǎn)生裂隙,一部分水滲入巷道底板內(nèi)。另外,斷層水和煤系地層含水也會通過斷層附近的裂隙滲入巷道圍巖,底板巖層因遇水軟化,導(dǎo)致強(qiáng)度降低、裂隙擴(kuò)展和體積膨脹,加劇巷道底臌程度。

(4)加固形式。東一輔助運(yùn)輸大巷采用直墻半圓拱斷面,設(shè)計(jì)掘進(jìn)斷面尺寸寬4.2 m,墻高1.5 m。原采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)方式,兩幫采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿加固,錨桿規(guī)格?22 mm× 2400 mm,間排距800 mm×800 mm,全長錨固;拱部采用鋼絞線錨索,錨索規(guī)格?17.8 mm×4200 mm,間排距1600 mm×1600 mm。

理論計(jì)算表明,巷道冒落拱高度和兩幫塑性區(qū)寬度超過幫頂錨桿(索)的長度,巖層松散、裂隙發(fā)育,降低了錨桿(索)的粘結(jié)阻力,加固作用未充分發(fā)揮;計(jì)算所得底板破壞深度大于底板錨桿長度,錨桿未錨固到穩(wěn)定巖層,底板加固強(qiáng)度不夠。巷道幫角處應(yīng)力集中,未采用加固幫角技術(shù)。經(jīng)多次返修,兩幫和頂板變形雖已得到控制,但因使用反底拱治理效果不好后又進(jìn)行返修,使得底板破壞深度增加,短錨桿、錨索和淺部注漿已不能有效控制底臌。

3 巷道底臌控制技術(shù)

3.1 控制技術(shù)方案

基于上述機(jī)理分析,圍巖性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力、水理作用、巷道斷面形狀和支護(hù)形式是影響巷道底臌的主要因素,控制途徑應(yīng)從底板防治水、改善底板巖層性質(zhì)和支護(hù)方式三方面著手。由于東一輔助運(yùn)輸大巷頂板和兩幫經(jīng)返修后變形已得到控制,故本次加固主要針對巷道底板,頂板和兩幫仍采用現(xiàn)有支護(hù)方式。

東一輔助運(yùn)輸大巷底臌控制技術(shù)主要由注漿加固、錨索束錨固和金屬底梁(反拱)組成。底板共進(jìn)行3次注漿,分別是臥底之后的底板淺部預(yù)注漿、錨索孔注漿和混凝土下注漿。

(1)底板淺部預(yù)注漿。由于底板淺表面注漿無承壓面,注漿壓力達(dá)不到,裂隙不能完全充填,錨索錨固力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,同時(shí)底板經(jīng)過多次拉底比較松軟破碎,直接打孔困難,為給打錨索孔和深孔注漿承壓創(chuàng)造條件,先對底板進(jìn)行淺孔預(yù)注漿。淺孔預(yù)注漿為水泥漿,水灰比為1～1.2∶1,注漿壓力3 MPa。注漿孔采用排式布置,每排3個(gè)孔,均為直孔,中間孔沿巷中布置,兩側(cè)孔距中間孔1.3 m,排距2.0 m,鉆孔直徑90 mm,孔深為6 m。

(2)錨索孔注漿。將組合好的錨索束放入預(yù)先打好的錨索孔中至孔底,外露400 mm,將注漿管放入孔中,要求注漿管管口距孔口3 m。組合錨索選用3根直徑為?21.8 mm×11000 m的鋼絞線作為一束大錨索,頭部3 m段編制成串珠狀,以利于固結(jié)增強(qiáng)錨索拉力,間隔1 m固定支架和卡箍,使錨索均勻支撐。每組錨索配用400 mm× 400 mm×16 mm和200 mm×200mm×12 mm鋼托盤各1塊,三孔索具1個(gè)。用適量棉絲或水泥袋纏繞在錨索上,用鉆桿將其推至距孔口2.5 m處,向孔內(nèi)塞入水泥水玻璃塑膠泥并搗實(shí)進(jìn)行封孔,通過預(yù)埋的深部注漿管對錨索孔進(jìn)行雙液注漿,注漿壓力4～5 MPa。

(3)混凝土注漿。錨索固定好后,在預(yù)注漿后的底板表面鋪設(shè)金屬底梁(即反拱),并于底梁的上下表面分別鋪設(shè)金屬網(wǎng),以便澆筑混凝土至設(shè)計(jì)標(biāo)高,混凝土水泥、沙子、渣石配比為1∶2∶3,混凝土標(biāo)號為C20,要求用振動棒搗實(shí),使兩層金屬網(wǎng)間充滿混凝土,澆筑厚度不小于400 mm?；炷翝沧?d后,再打混凝土下注漿孔并進(jìn)行注漿,注漿壓力3～5MPa。中心線布孔,孔徑90 mm,孔深為6 m,間隔3 m。

巷道改進(jìn)后的支護(hù)方案見圖1。

圖1 巷道改進(jìn)后的支護(hù)方案

3.2 數(shù)值模擬

采用UDEC4.0對東一輔助運(yùn)輸大巷原有支護(hù)方案和底板注漿＋錨索束＋反拱聯(lián)合加固方案的巷道圍巖穩(wěn)定進(jìn)行數(shù)值模擬分析,分別監(jiān)測頂?shù)装逦灰屏?、兩幫移近量和塑性區(qū)分布范圍,數(shù)值模擬結(jié)果見圖2。與原有支護(hù)方案相比,優(yōu)化后的聯(lián)合加固方案在塑性區(qū)分布范圍上有所改善,兩種方案的塑性區(qū)分布范圍見表1。

圖2 數(shù)值模擬結(jié)果

由表1可知,采用原有支護(hù)方式,底板塑性區(qū)深度約為3.9 m,表明在巷道底板以下約3.9 m范圍內(nèi)圍巖均產(chǎn)生松動破壞,2.2 m長的錨桿起不到支護(hù)作用。采用優(yōu)化加固方案后,頂板和兩幫的塑性區(qū)范圍有所改善,底板塑性區(qū)改善尤為明顯,表明底板注漿＋錨索束＋反拱能有效控制底臌,且優(yōu)化方案與原有方案相比,只在底板支護(hù)上有所改變,而頂板及兩幫仍延用原有方案,但頂板和兩幫的塑性區(qū)分布范圍略有減小,這與底板有足夠強(qiáng)度支承兩幫有關(guān)。

表1 兩種方案的塑性區(qū)分布范圍

4 工程實(shí)踐

東一輔助運(yùn)輸大巷試驗(yàn)段長60 m,共布設(shè)4個(gè)表面位移測站,相鄰測站距離20 m。通過現(xiàn)場觀測,獲得不同測點(diǎn)的巷道表面位移量,采用優(yōu)化方案后的不同測點(diǎn)的表面位移量及位移速率見表2。由表2可知,當(dāng)采用底板注漿＋錨索束＋反拱聯(lián)合加固后,4個(gè)測點(diǎn)的頂?shù)装逑鄬σ平孔畲鬄?1 mm,最大移近速率為6.1 mm/d,且兩幫移近量也有所改善,皆處于可控范圍內(nèi),巷道圍巖穩(wěn)定性控制良好。

表2 采用優(yōu)化方案不同測點(diǎn)的表面位移量及位移速率

5 結(jié)論

(1)圍巖性質(zhì)、地應(yīng)力、水理作用和支護(hù)方式是六家礦東一輔助運(yùn)輸大巷底臌的主要原因。

(2)提出了底板注漿＋錨索束＋反拱聯(lián)合加固技術(shù)控制底臌。數(shù)值模擬結(jié)果表明,該技術(shù)對巷道圍巖塑性區(qū)和變形控制作用明顯,底臌量小;工程實(shí)踐顯示,巷道表面位移在12～15 d以后趨于穩(wěn)定,所有測站頂?shù)装逡平繛?1～91 mm,兩幫移近量為50～70 mm,支護(hù)效果良好。

[1] 柏建彪,李文峰,王襄禹等.采動巷道底臌機(jī)理與控制技術(shù)[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2011(1)

[2] 陸士良,姜耀東.巷道底臌的機(jī)理和防治[J].中國煤炭,1995(8)

[3] 姜耀東,趙毅鑫,劉文崗等.深部開采中巷道底臌問題的研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004 (14)

[4] 康紅普,陸士良.巷道底臌機(jī)理的分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1991(4)

[5] 常聚才,謝廣祥.深部巖巷底臌機(jī)理及底板超挖錨注回填技術(shù)[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2011(3)

[6] 國兆乾.錨注支護(hù)技術(shù)在復(fù)雜應(yīng)力結(jié)構(gòu)高流變巷道底板加固中的應(yīng)用[J].中國煤炭,2009(5)

(責(zé)任編輯 張毅玲)

遼寧省研制出自動化刨煤機(jī)替代進(jìn)口

日前,從遼寧省科技廳獲悉,由沈陽三一重型裝備有限公司承擔(dān)的2013年度遼寧省科技創(chuàng)新重大專項(xiàng)“自動化刨煤機(jī)成套裝備”項(xiàng)目已順利通過驗(yàn)收。該項(xiàng)目成功研制出BH38/2×400型刨煤機(jī)成套裝備,經(jīng)鑒定產(chǎn)品總體技術(shù)水平達(dá)到國際先進(jìn)水平,填補(bǔ)了國內(nèi)空白。這標(biāo)志著薄煤層開采領(lǐng)域自動化刨煤機(jī)成套裝備國產(chǎn)化的成功,打破了我國該領(lǐng)域采掘設(shè)備長期依賴國外進(jìn)口的被動局面。

Study on floor heave mechanism analysis and treatment technology of soft rock roadway

Hou Yunbing,Sun Jundong,Deng Penghai,Hou Yaxing,Li Xin,Li Tenglong
(School of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology, Beijing,Haidian,Beijing 100083,China)

Aimed at the serious problems of floor heave in No.1 east auxiliary haulage roadway in Liujia Coal Mine,the floor heave mechanism and control measures were studied by comprehensive methods including field investigation,theoretical analysis and UDEC numerical simulation.The results showed that roadway surrounding rock property,crustal stress,water physical effect and supporting method were the main factors affecting the floor heave in No.1 east auxiliary haulage roadway in Liujia Coal Mine;the combined reinforcement methods of floor grouting,anchor truss and inverted arch were the effective ways to control floor heave.The engineering practices showed that the final deformation amount between roof and floor was 71～91mm, and the surface displacement amount tended to stable after 12～15 days.

soft rock roadway,roadway support,floor heave treatment,numerical simulation

TD325

A

侯運(yùn)炳(1962－),男,陜西安康人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事礦業(yè)系統(tǒng)工程教學(xué)與研究工作。