東保衛(wèi)礦巨厚輝綠巖侵入?yún)^(qū)大巷圍巖控制技術研究

李永恩 張 弘 王志剛 王田逢 田向陽

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

東保衛(wèi)礦巨厚輝綠巖侵入?yún)^(qū)大巷圍巖控制技術研究

李永恩 張 弘 王志剛 王田逢 田向陽

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

針對東保衛(wèi)礦西翼三條大巷在穿過約750 m長的特厚輝綠巖侵入?yún)^(qū)時出現(xiàn)的巷道難以支護的問題，進行了鉆孔窺視，并通過現(xiàn)場取樣對輝綠巖進行力學測試，發(fā)現(xiàn)其具有遇水崩解、易風化的特點。結合數(shù)值模擬結果，可知大巷在輝綠巖軟化后塑性區(qū)范圍極大擴展是巷道難以維護的主要原因。根據(jù)巖性特點和數(shù)值模擬分析，針對原有架棚式被動支護不能有效防止輝綠巖風化并控制圍巖破壞變形的缺點，提出錨桿-錨索-金屬網(wǎng)配合分次噴漿的綜合支護方案，通過現(xiàn)場深基點監(jiān)測結果驗證了新支護方案的有效性。

輝綠巖 力學測試 塑性區(qū) 分次噴漿 深基點監(jiān)測

我國煤炭開采面臨的地質條件復雜，其中火成巖侵入作為一種常見的地質現(xiàn)象也常常困擾著煤炭開采。許多專家學者都對巨厚火成巖侵入影響下的采場和巷道的礦壓規(guī)律和災害防治進行了研究，但這些研究多是集中在強度較高的火成巖對采場頂板的影響和火成巖侵入煤體后對巷道煤巖性質的影響。而火成巖的巖性復雜，有些火成巖具有膨脹性和遇水崩解的性質，在這種巖石中掘進的巷道維護問題也是需要關注的問題，本文就以東保衛(wèi)礦西翼三條大巷在巨厚輝綠巖侵入?yún)^(qū)掘進為背景，研究巷道在火成巖侵入?yún)^(qū)域掘進中遇到的問題和工程對策，為類似工程條件下的巷道維護提供借鑒。

1 工程概況

龍煤礦業(yè)集團東保衛(wèi)礦東西走向長9.16 km，南北傾向平均寬3.31 km，區(qū)內(nèi)地質構造呈單斜構造，地層傾角變化不大，伴有一定數(shù)量的斷層，局部遭受巖漿侵入的影響嚴重。西翼掘進的運輸大巷、回風大巷、軌道大巷埋深均為650 m，掘進過程中，巷道需穿過約750 m長的特厚輝綠巖侵入?yún)^(qū)域。

最初在輝綠巖區(qū)域內(nèi)巷道掘進后仍沿用如圖1所示的25U型鋼半圓拱+底梁的架棚支護方案，但不久后巷道就破壞嚴重，尤其片幫嚴重，并在局部地區(qū)出現(xiàn)了3～4 m的冒頂，巷道維護十分困難。

圖1 東保衛(wèi)礦原始支護方案

通過對軌道大巷火成巖侵入圍巖破碎最嚴重區(qū)進行頂板鉆孔窺視，窺視結果如圖2所示。

圖2 輝綠巖侵入?yún)^(qū)鉆孔窺視結果

巷道頂板圍巖2 m以下范圍內(nèi)圍巖破碎尤其嚴重，圍巖在0～1 m范圍內(nèi)共有6處破碎及裂隙，在1～2 m范圍能共有8處破碎及裂隙，在2～3 m范圍內(nèi)有5處破碎，3 m以上范圍內(nèi)僅在4.3 m和4.5 m處有裂隙。2～4.5 m之間，破碎帶之間的距離明顯加大，破壞程度減小，4.5 m以上圍巖保持相對完整。窺視結果及現(xiàn)場情況說明東保衛(wèi)煤礦輝綠巖區(qū)域巷道沿用原有支護方案時，巷道存在安全隱患，由于三條大巷的設計服務年限均在40 a以上，對礦井的安全生產(chǎn)和后續(xù)接替產(chǎn)生了嚴重的影響，故需對支護方案進行重新設計。

2 原有支護方案失效原因

2.1 巖性分析及數(shù)值模擬

三條巷道在火成巖侵入?yún)^(qū)域內(nèi)的圍巖變形破壞和輝綠巖的巖性是密切相關的，經(jīng)過現(xiàn)場采樣對東保衛(wèi)礦輝綠巖進行了巖石力學性質測試，得到遇水之前東保衛(wèi)礦輝綠巖的各項巖石力學指標，見表1。

通過協(xié)議明確界定學校、企業(yè)、學生（家長）三方各自的職責與義務。學校與企業(yè)要簽訂聯(lián)合培養(yǎng)的合作協(xié)議，學生要與企業(yè)簽訂三年的學徒協(xié)議。

表1 東保衛(wèi)礦巖石力學指標測定匯總表

由表1可知，東保衛(wèi)礦輝綠巖在遇水之前強度較高，屬于硬巖，但是其一旦遇水，強度變小，硬度會急劇變軟，成為軟巖甚至極軟巖，甚至發(fā)生崩解，因此輝綠巖遇水軟化后的巖石力學參數(shù)并未獲得。這與現(xiàn)場實際觀測情況相吻合，在巷道剛施工完成之后，圍巖易于支護，圍巖變形量較小，但經(jīng)過一段時間之后，輝綠巖風化遇水，導致圍巖變形明顯增大，最終致使部分支護失效，甚至發(fā)生冒頂。

使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件計算東保衛(wèi)大巷在輝綠巖軟化前后的塑性區(qū)破壞范圍，分析巷道支護失效的原因。

圖3 東保衛(wèi)礦大巷數(shù)值模擬模型

建立如圖3所示的東保衛(wèi)礦大巷計算模型，模型為62.5 m×5 m×56.05 m，大巷采用直墻半圓拱斷面，巷寬4.2 m，墻高1.8 m，巷道內(nèi)表面施加一層250 mm厚的支護體模擬U型鋼支架提供支護，模型采用Mohr-Coulomb本構模型，固定X軸、Y軸邊界水平位移與Z軸下邊界垂直位移，上邊界施加補償載荷16.25 MPa模擬模型上方650 m巖層容重，據(jù)地應力隨埋深分布規(guī)律關系式：

(1)

式中：H——巷道埋深，m；

k——側壓系數(shù)。

取H=650 m，k=1.3，則模型中X方向和Y方向施加的初始應力為21.125 MPa，Z方向施加的初始應力為16.25 MPa。

模型選取的參數(shù)如表2所示，輝綠巖軟化參數(shù)根據(jù)巖體力學規(guī)定的軟化系數(shù)進行折減。

表2 模型參數(shù)表

分別計算輝綠巖在原始狀態(tài)下開挖巷道后和輝綠巖遇水風化變軟后的塑性區(qū)范圍，如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可以看出，由于輝綠巖在原巖應力作用下遇水之前塑性破壞范圍較小。當輝綠巖遇水風化，巖性軟化后，塑性區(qū)范圍有了極大擴展，塑性區(qū)形態(tài)整體呈橢圓形，兩幫破壞深度為2.5 m，頂板由于斷面為半圓拱型，相對于底板破壞深度最小為3.1 m，最大為3.75 m。

圖5 輝綠巖軟化后塑性區(qū)范圍

通過數(shù)值模擬結果與現(xiàn)場進行對應，可以發(fā)現(xiàn)巷道整體破壞形態(tài)與現(xiàn)場窺視結果相近，巷道圍巖在遇水軟化后的圍巖塑性區(qū)范圍有了極大的擴展，此時巷道變形破壞嚴重，由于U型鋼被動支護抵抗變形能力較差，最終導致巷道支護失效。

2.2 原支護方案的缺陷和工程對策

通過現(xiàn)場調研和數(shù)值模擬結果發(fā)現(xiàn)，東保衛(wèi)輝綠巖區(qū)域巷道由于特殊的巖石性質，若不能有效防止圍巖風化遇水，就會導致支護較困難，礦壓顯現(xiàn)明顯，巷道圍巖破壞和變形具有持續(xù)性。若采取原有支護方案，U型鋼金屬支架不能有效隔絕空氣與水，防止輝綠巖的風化，應在巷道掘進過后及時進行支護并進行薄層噴漿作業(yè)，防止輝綠巖的風化和最大程度的減少噴漿導致的輝綠巖遇水軟化，在初次薄層噴漿后，由于巷道圍巖應力釋放，初噴層會發(fā)生開裂，當應力釋放到一定程度釋放后，應進行二次厚層噴漿，從而最大限度的減小輝綠巖的風化。

U型鋼金屬支架承載能力有限，對巷道圍巖變形和破壞的控制作用很小，支架變形損毀后巷道維修極其困難，從而加劇輝綠巖的遇水風化速度，造成巷道變形愈加強烈。因此，對于東保衛(wèi)輝綠巖區(qū)域巷道應改為以錨桿索為支護核心的主動支護方式，并且錨桿索的錨固形式應采用全長錨固，最大程度地封閉鉆孔，防止輝綠巖被侵蝕和風化。

在東保衛(wèi)煤礦輝綠巖區(qū)域進行的不同直徑錨索拉拔試驗結果見表3。由表3可知，直徑為?15.24 mm的錨索由于直徑小，樹脂藥卷攪拌效果差，很容易被拉出，錨固性能一般不可靠，因此建議使用?17.8 mm的錨索。

表3 不同直徑錨索現(xiàn)場拉拔試驗

3 東保衛(wèi)礦大巷圍巖控制技術

綜合以上考慮，提出錨桿-錨索-金屬網(wǎng)配合分次噴漿的圍巖控制技術，具體參數(shù)如下：

圖6 巷道開挖后一次支護斷面圖

采用?20 mm×2200 mm左旋螺紋鋼錨桿、?17.8 mm×6000 mm錨索、金屬網(wǎng)進行支護，錨桿間排距800 mm×800 mm，錨索在頂部居中對稱布置2根，間排距1600 mm×1600 mm，并及時進行一次噴漿，噴層厚度30 mm，之后配合圍巖變形監(jiān)測工作，確定二次噴漿時間，二次噴漿厚度100 mm，巷道一次支護斷面和頂板支護布置方案分別如圖6和圖7所示。

圖7 頂板(半圓拱區(qū)域)支護布置展開圖

4 深基點位移監(jiān)測

巷道在支護后布置深基點多點位移計，回風大巷某點深基點觀測結果如圖8所示。由圖8可以看出，巷道左幫總位移量為241 mm，約120 d后，左幫變形趨于穩(wěn)定。巷道右?guī)涂偽灰屏繛?50 mm左右，160 d后開始趨于穩(wěn)定。巷道頂板總位移量為133 mm，位移產(chǎn)生量基本平均分布，70 d左右開始趨于穩(wěn)定。由此可見，采用新的支護方案之后，由于及時噴漿防止圍巖風化，巷道圍巖的變形整體較小，左幫變形要大于右?guī)妥冃?，頂板變形小于兩幫變形，并且頂板要早于兩幫趨于穩(wěn)定。這說明錨索發(fā)揮了作用，巷道頂板的變形明顯減小，在監(jiān)測期間巷道沒有發(fā)生過冒頂，新的支護方案能夠較好地控制圍巖的變形，防止冒頂?shù)陌l(fā)生，保證了巷道的安全，與架棚支護相比，經(jīng)濟上也更為合理。

圖8 回風大巷深基點位移曲線圖

5 結論

(1)東保衛(wèi)礦火成巖是由輝綠巖構成，輝綠巖遇水膨脹、硬度變軟，巖石強度降低，并且易風化成粉末狀，是造成西翼三條大巷維護困難的根本原因。

(2)根據(jù)數(shù)值模擬結果，輝綠巖區(qū)域大巷在圍巖未風化前由于地應力作用產(chǎn)生的破壞范圍較小，在輝綠巖軟化后，巷道塑性區(qū)出現(xiàn)了極大的擴展，塑性區(qū)形態(tài)整體呈橢圓形，兩幫破壞深度為2.5 m，頂板破壞范圍為3.1 m，底板破壞深度可達3.75 m，與現(xiàn)場窺視結果較一致。

(3)結合圍巖巖性特點和原有方案不足，提出錨桿-錨索-金屬網(wǎng)配合分次噴漿的支護方案，經(jīng)現(xiàn)場深基點觀測，驗證了新支護方案的有效性。

[1] 尉永邦，孟波. 火成巖侵入全煤巷道破碎圍巖穩(wěn)定性控制技術研究 [J]. 中國煤炭，2012(11)

[2] 劉紅衛(wèi)，樊少武. 華北石炭二疊紀煤系地層火成巖侵入及形成機制 [J]. 煤炭科學技術，2008(10)

[3] 吳海波，董守華，黃亞平等. 基于地震屬性的煤層火成巖侵入預測 [J]. 地球物理學進展，2015(3)

[4] 王亮，程遠平，聶政等. 巨厚火成巖對煤層瓦斯賦存及突出災害的影響 [J]. 中國礦業(yè)大學學報，2008(1)

[5] 王義然，牟宗龍，阮國強. 深井火成巖侵入工作面沖擊礦壓防治 [J]. 煤礦開采，2010(6)

[6] 譚吉世，紀洪廣，姚志賢. 巨厚巖漿巖下開采覆巖移動規(guī)律及采場壓力變異性分析 [J].煤炭技術，2007(3)

[7] 閆浩，張吉雄，張強等. 巨厚火成巖下采動覆巖應力場-裂隙場耦合演化機制 [J]. 煤炭學報，2016(9)

[8] 楊培舉，何燁，郭衛(wèi)彬. 采場上覆巨厚堅硬巖漿巖致災機理與防控措施 [J]. 煤炭學報，2013(12)

[9] 杜學領，王寧，李楊等. 火成巖侵入?yún)^(qū)巷道支護技術研究 [J]. 中國煤炭，2014(6)

[10] 蔡暉. 膨脹性輝綠巖隧道修建主要工程問題及對策分析 [J]. 隧道建設，2013(7)

[11] 王章瓊，晏鄂川，魯功達等. 我國大陸地下水封洞庫庫址區(qū)地應力場分布規(guī)律統(tǒng)計分析 [J]. 巖土力學，2015(S1)

[12] 康紅普，司林坡，張曉. 淺部煤礦井下地應力分布特征研究及應用 [J]. 煤炭學報，2016(6)

[13] 張曉. 基于地應力測量的地應力場研究 [J]. 煤礦開采，2012(2)

[14] 劉佑榮，唐輝明. 巖體力學 [M]. 武漢：中國地質大學出版社，1999

(責任編輯 陶 賽)

國資委：央企上半年化解煤炭過剩產(chǎn)能659萬t

國資委總會計師沈瑩在國新辦例行發(fā)布會上透露，上半年央企累計化解鋼鐵過剩產(chǎn)能595萬t，已提前完成全年任務；化解煤炭過剩產(chǎn)能659萬t，重組煤炭產(chǎn)能1300萬t。

據(jù)了解，目前多家央企都制定了相關計劃和具體方案，多個省市都在按照公布的去產(chǎn)能目標積極推進。國資委下一步將在涉及煤炭、鋼鐵等產(chǎn)能過剩嚴重的行業(yè)進行試點，建立優(yōu)勝劣汰市場化退出機制，對不符合國家能耗、環(huán)保、質量、安全等標準要求和長期虧損的產(chǎn)能過剩企業(yè)，進行關停并轉或剝離重組。

央企無疑是本輪化解過剩產(chǎn)能工作的主力軍。據(jù)悉，涉及煤炭、鋼鐵類央企已經(jīng)設定時間表，相關改革和工作正在有序推進。中國華能集團表示，2018年底前，退出煤炭產(chǎn)能914萬t/a，處置僵尸企業(yè)16戶、特困企業(yè)4戶，“十三五”期間關停退役647萬kW煤電機組。保利集團發(fā)布計劃，將用3年時間完成39家“僵尸企業(yè)”的重組整合退出，確保虧損額減少50%以上。在逐步退出落后產(chǎn)能的同時，神華集團把全面轉型升級調結構作為煤炭產(chǎn)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展的基本要求，推動先進產(chǎn)能規(guī)?；⒓夯?，并推動優(yōu)質產(chǎn)能綠色化、清潔化。根據(jù)神華集團制定的《化解煤炭過剩產(chǎn)能方案》，2016-2018年將減少產(chǎn)能近3000萬t/a。

Researchonsurroundingrockcontroltechnologyofmainroadwayinextra-thickdiabaseintrusionareaofDongbaoweiMine

Li Yongen, Zhang Hong, Wang Zhigang, Wang Tianfeng, Tian Xiangyang

(School of Resources & Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

Aiming at the problem of three main roadways which were hard to maintain when passing through a 750 m long extra-thick diabase area, field drilling peep was carried out and mechanical test of in-situ diabase sample was conducted to found that the daibase had characteristics of water disintegration and easy weathering. Combined with numerical simulation results it was revealed that the plastic zone of roadway after diabase softening would have a great range of expansion, which was the main reason that roadway was difficult to maintain. Based on the lithological characteristics and numerical simulation analysis, pointing at the shortcoming of passive shelf-type support that could not effectively prevent diabase weathering and control the destruction of surrounding rock, proposing the comprehensive support scheme of bolt-anchor-metal mesh with the repeated spray, the effectiveness of new support scheme was verified by the results of deep base site monitoring.

diabase, mechanical test, plastic zone, repeated spray, deep base site monitoring

李永恩，張弘，王志剛等. 東保衛(wèi)礦巨厚輝綠巖侵入?yún)^(qū)大巷圍巖控制技術研究 [J]. 中國煤炭，2017,43(8)：80-84. Li Yongen, Zhang Hong, Wang Zhigang， et al. Research on surrounding rock control technology of main roadway in extra-thick diabase intrusion area of Dongbaowei Mine [J]. China Coal，2017,43(8)：80-84.

TD353

A

李永恩(1987-)，男，河南焦作人，博士研究生，主要從事巷道圍巖控制理論與支護技術方面的研究。