深部工程軟巖巷道變形破壞機(jī)理及控制技術(shù)

徐廣榮　李更川

摘 要：本文為研究深部工程軟巖巷道大變形問題，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、相似模擬等方法，以陶二煤礦北大巷為例，研究了巷道圍巖變形破壞機(jī)理，提出了巷道圍巖控制對(duì)策。結(jié)果表明：巷道大變形的主要影響因素包括埋深大、應(yīng)力高、黏土含量高、支護(hù)不及時(shí)；高強(qiáng)度、高預(yù)緊力、主動(dòng)控制是解決軟巖大變形的有效途徑?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果證明了支護(hù)方案的合理性。

關(guān)鍵詞：深部巷道；工程軟巖；影響因素；變形規(guī)律

中圖分類號(hào)：TD353 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

我國煤礦以10m/a～25m/a的速度向深部延伸，中東部礦井大多進(jìn)入了深部開采，同樣的巖層在深部表現(xiàn)出了與淺部不同的特性，受高應(yīng)力、開采擾動(dòng)作用，巖石表現(xiàn)為工程軟巖特征。很多煤礦巷道出現(xiàn)前方掘進(jìn)后方巷道短期內(nèi)就需要修復(fù)，支護(hù)難度很大，嚴(yán)重影響了礦井的安全生產(chǎn)。本文以陶二煤礦深部北大巷為例，分析了巷道圍巖變形破壞機(jī)理，提出深部巷道控制對(duì)策。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

陶二煤礦北大巷埋深850m，屬于典型的深部開采礦井。巷道位于1號(hào)和2煤層之間，上距1號(hào)煤22m，下距2號(hào)煤15m左右。巷道所在層位巖性為砂質(zhì)泥巖，層厚在8m～10m，含鈣質(zhì)及泥質(zhì)結(jié)核。礦井構(gòu)造復(fù)雜，大巷位于向斜翼部，實(shí)測(cè)最大水平主應(yīng)力在27MPa ～31MPa，最大主應(yīng)力方向?yàn)镹E70°，方向?yàn)榻鼥|西向?，F(xiàn)場(chǎng)煤巖體節(jié)理裂隙十分發(fā)育?，F(xiàn)場(chǎng)施工過程中，巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重，巷道變形量大，變形速度快，半個(gè)月內(nèi)巷道頂?shù)装遄冃瘟窟_(dá)到30cm，已經(jīng)影響了正常的使用。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該巷道斷面收縮一般在30%左右，局部收縮可達(dá)60%以上，嚴(yán)重影響了安全生產(chǎn)。

1.2 原北大巷支護(hù)

北大巷原設(shè)計(jì)斷面為直墻半圓拱型，巷道凈斷面尺寸為4.8m×3.6m，巷道斷面為17m2。采用錨網(wǎng)噴+U型鋼聯(lián)合支護(hù)。其中錨桿長度為2.4m，直徑為22mm，每孔采用兩個(gè)Z2360樹脂藥卷錨固，間排距為600mm；U型鋼型號(hào)為29U鋼，排距為600mm；噴漿采用C20混凝土，噴層厚度120mm。

2 巷道變形破壞影響因素分析

（1）工程軟巖物理力學(xué)性質(zhì)影響。經(jīng)統(tǒng)計(jì)陶二煤礦深部巖石強(qiáng)度低，隨著埋深增加，巖石強(qiáng)度變化較大，易軟化，巖石具有較大的膨脹性，北大巷巖石膨脹率達(dá)到了31%，另外，砂質(zhì)泥巖中黏土礦物含量達(dá)到50%，因此，巷道開挖后，產(chǎn)生的膨脹變形對(duì)巷道破壞較大。

（2）高應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境。北大巷埋深達(dá)到了850m，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力在27.48MPa～31.13MPa，方向?yàn)镹E70°，近東西向，側(cè)壓系數(shù)約為1.6，巷道軸向與最大水平主應(yīng)力夾角接近90°。地應(yīng)力對(duì)巷道破壞起到了主動(dòng)作用。

（3）地下水的影響。經(jīng)調(diào)查該巷道底板以下5m的砂巖中含水，巷道在高應(yīng)力作用下底板破壞深度超過5m，使得砂巖中的水滲透到巷道淺部破壞巖層中，進(jìn)一步破壞巖層。使巖石強(qiáng)度降低速度加快，變形加大，對(duì)巷道造成嚴(yán)重破壞，支護(hù)或者修復(fù)非常困難。

（4）時(shí)間因素。該巷道圍巖表現(xiàn)出了流變特征，具體體現(xiàn)在巷道開挖后圍巖長期處于變形破壞狀態(tài)，無法達(dá)到穩(wěn)定，出現(xiàn)了蠕變變形的3個(gè)階段。

（5）支護(hù)結(jié)構(gòu)不合理。該巷道屬于典型的深部工程軟巖巷道，而巷道采用的支護(hù)方式僅僅控制淺部圍巖，深部圍巖參與的變形無法得到有效控制，必須增加巷道深部圍巖變形控制。

3 北大巷支護(hù)方案及支護(hù)效果

3.1 支護(hù)方案

北大巷現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)結(jié)果顯示，巷道頂板和兩幫的變形較嚴(yán)重，因此，新方案設(shè)計(jì)以主動(dòng)控制巷道圍巖變形為主題思路，設(shè)計(jì)錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)方案，具體參數(shù)為：錨桿采用高強(qiáng)度螺紋鋼，規(guī)格為Φ22×2400mm，錨桿間排距為700mm×700mm，托盤規(guī)格為100mm×100mm×10mm方鐵板，設(shè)計(jì)錨桿預(yù)緊力為80kN；拱頂布置3根規(guī)格為Φ22×7300mm錨索，間排距為1600mm×1400mm，錨索預(yù)緊力110kN，托盤由大小兩個(gè)托盤組成，規(guī)格分別為300mm×300mm×10mm鋼板托盤和200mm×200mm×50mm的木板，木托盤主要起到卸壓作用。金屬網(wǎng)采用Φ8mm鋼筋焊制，規(guī)格為1200mm×800mm，內(nèi)部柵格尺寸為100mm×100mm，同排錨桿采用W型鋼帶連接。噴層材料為C20混凝土，噴漿厚度為100mm。

3.2 支護(hù)效果

現(xiàn)場(chǎng)建立了礦壓監(jiān)測(cè)測(cè)站，分別測(cè)試了錨桿錨索受力和圍巖變形。

圖1為巷道錨桿、錨索受力曲線，壓力表主要布置在了巷道拱頂?shù)腻^桿和錨索尾部，由測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，錨桿錨索受力均在各自的正常工作范圍之內(nèi)，其中錨桿受力由最初的70 kN增大到89 kN，錨索受力由初期的108kN增加到163 kN，特別是巷道成巷后18d錨索受力突然增加，這種現(xiàn)象說明巷道在該階段圍巖發(fā)生了一次強(qiáng)烈的破壞，因此在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注成巷后15d～20d的圍巖變形情況，及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，防止巷道發(fā)生冒頂?shù)仁鹿省?/p>

圖2為巷道圍巖變形曲線，通過曲線圖可以看出，新方案施工后一個(gè)月巷道圍巖變形基本達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，巷道頂?shù)装遄冃瘟績H為17.3cm，兩幫變形為37cm，巷道圍巖變形得到了有效控制。

總體上看，北大巷通過采取高強(qiáng)度支護(hù)材料、高預(yù)緊力、主動(dòng)控制圍巖技術(shù)，有效地控制了深部巷道的大變形問題。

結(jié)論

深部工程軟巖巷道圍巖變形具有流變特征，傳統(tǒng)淺部巷道支護(hù)方法難以控制巷道穩(wěn)定，巷道圍巖大變形主要影響因素包括高應(yīng)力、高黏土含量、軟巖力學(xué)性能、地下水和被動(dòng)支護(hù)等。通過采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)，巷道圍巖變形得到了有效控制，具有一定的借鑒意義。

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