主斜井揭露鋁土質(zhì)泥巖段圍巖變形原因及其修復(fù)

程書航，劉金輝，孫瑞強(qiáng)，石 雷

(國電永壽煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西咸陽 713400)

0 引言

鋁土質(zhì)泥巖屬于細(xì)顆粒沉積巖，其性質(zhì)與顆粒的礦物成分有很大關(guān)系，其中高嶺土、蒙脫石等黏土礦物含量高。鋁土質(zhì)一般為花崗質(zhì)石風(fēng)化去鈉、鉀后形成［1］。此巖石孔隙率小、滲透性差，遇水后極易泥化、吸水膨脹［2-4］。井巷工程建設(shè)過程中，若巷道揭露鋁土質(zhì)泥巖，往往造成施工、維護(hù)難度的增加［5-6］。文中針對鋁土質(zhì)遇水?dāng)U容膨脹的特點(diǎn)，探討了某煤礦受鋁土質(zhì)泥巖影響而破壞的主斜井巷道的合理支護(hù)措施，為類似工程提供參考。

1 工程概況

該煤礦礦區(qū)為華北地層大區(qū)陜甘寧分區(qū)，隸屬陜西省黃隴侏羅紀(jì)煤田中段南部。根據(jù)鉆探揭露，本井田地層由老至新有:三疊系、侏羅系、白堊系、第三系及第四系。侏羅系中統(tǒng)可劃出延安組、直羅組、安定組，其巖石組合，含礦特征，物理及化學(xué)特點(diǎn)等，可與甘肅靖遠(yuǎn)、彬—旬地區(qū)、陜甘寧盆地地層分區(qū)做對比，反映成生環(huán)境的相似性。其中延安組為煤系地層。

礦井采用“主斜井、副斜井、回風(fēng)立井”單水平盤區(qū)式開拓。主斜井井筒所穿越的地層自上而下依次為第四系和侏羅系。

第四系基本由淺黃色及棕紅色黃土層構(gòu)成，含鈣質(zhì)結(jié)核，上部結(jié)構(gòu)疏松，中下部為殘缺粘土層，底部為混亂礫石。

侏羅系基本以泥巖、砂質(zhì)泥巖及粗、細(xì)粒砂巖為主。泥巖主要由粘土礦物組成，含有較多的有機(jī)質(zhì)，具有機(jī)理裂隙、易碎、遇水易軟化的特點(diǎn)，其飽和抗壓強(qiáng)度為0 ～32．2 MPa，RQD 值 13．5 ～84．0;砂質(zhì)泥巖與泥巖互層，易碎，飽和抗壓強(qiáng)度為0～29．3 MPa，RQD 值37．0 ～86．0;粗、細(xì)粒砂巖以長石、石英成分為主，風(fēng)化強(qiáng)烈、易碎，飽和抗壓強(qiáng)度為0．59～61．2 MPa，RQD 值61．0 ～87．0。

主斜井井筒斷面為半圓拱形，凈寬5．0 m，凈高3．9 m，凈斷面面積16．8 m2。井筒全長 758．6 m，其中K0～K0+622 m為井筒主體，坡度為24．5°;K0+622 m～K0+665．6 m為豎曲線變坡段;K0+665．6 m以下為主斜井機(jī)尾與大巷機(jī)頭硐室，K0+665．6 m ～ K0+741．1 m 坡度為 3°51'39″，K0+741.1 m ～ K0+758．6 m 坡度為 10°21'39″。井筒施工掘進(jìn)分明槽段、暗槽段及暗槽基巖段。其暗槽基巖段設(shè)計(jì)支護(hù)方式為:錨網(wǎng)索噴支護(hù)。

2 井筒施工及破損情況

主斜井工程2010年12月開工，2012年5月3日完成K0～K0+611 m掘進(jìn)及支護(hù)并停止正向掘進(jìn)施工。2012年5月2日開始從主斜井井底的機(jī)尾硐室開始反向上山掘進(jìn)施工，2012年6月7日毛掘貫通。井筒在整個(gè)施工過程中基本無涌水且無積水，巷道形成后存在滴水或線狀流水現(xiàn)象。

在反向上山掘進(jìn)施工過程中，反掘75～127 m(主斜井斜長 K0+683．6 m ～ K0+631．6 m)段，即斜井井筒弧段巷道底板揭露鋁土質(zhì)泥巖，揭露的最大厚度為1．26 m。從巷道地質(zhì)剖面圖上看，揭露的鋁土質(zhì)泥巖成彎月形。同時(shí)巷道頂板又為煤層或炭質(zhì)泥巖，巷道圍巖屬于不穩(wěn)定—穩(wěn)定性較差巖層。相關(guān)地層巖性如圖1所示。為釋放礦壓，降低后續(xù)施工難度，礦方采取了擴(kuò)大毛掘斷面，同時(shí)僅進(jìn)行錨索網(wǎng)噴初次支護(hù)的技術(shù)措施。

2012年6月16日，經(jīng)召開專題會，確定井筒K0+611 m以下段采用在原有錨索網(wǎng)噴支護(hù)的基礎(chǔ)上架設(shè)25U型鋼可縮支架(600 mm間距)，支架內(nèi)外掛雙層金屬網(wǎng)，最后噴射200 mm厚的C20混凝土。巷道加強(qiáng)支護(hù)工作至2012年9月底全部完成。

圖1 巷道圍巖地層巖性

2013年底，井筒K0+665 m以下段巷道處理底臌平均為300 mm左右，巷道幫頂噴射的混凝土出現(xiàn)開裂離層脫落，尤其以可縮性支架處最為明顯。礦方對此段進(jìn)行了臥底作業(yè)。2015年，巷道破壞情況更為嚴(yán)重:井筒K0+600 m以下段底臌量為250～750 mm左右，巷道凈寬縮小150～730 mm左右，同時(shí)頂板開裂、下沉嚴(yán)重。整個(gè)巷道失修段已由原來的鋁土質(zhì)泥巖段向上、向下蔓延擴(kuò)大31～75 m。

3 原因分析與優(yōu)化處理

由于主斜井K0+600 m以下失修部分井筒影響礦井安全，且處于礦井的咽喉部位，影響到后期主斜井皮帶運(yùn)輸機(jī)、檢修猴車安裝等工程，2015年3月、8月，建設(shè)單位邀請相關(guān)專家以及設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工等單位就主斜井失修問題召開專家論證會。

3．1 主要原因分析

地質(zhì)條件:根據(jù)建設(shè)情況、地質(zhì)資料及主斜井井筒下部變坡段地質(zhì)素描，井筒施工完成已逾兩年，其弧段局部已進(jìn)入鋁土質(zhì)泥巖。按相鄰彬長礦區(qū)經(jīng)驗(yàn)，主采煤層下方4 m左右賦存十余米厚鋁土質(zhì)泥巖。此段巷道圍巖的侏羅系鋁土質(zhì)泥巖強(qiáng)度低、易軟化、膨脹，水敏性強(qiáng)，是造成井巷工程破損的主要原因。主斜井K0+600 m上下幾處巷道幫頂?shù)牡嗡?、微弱流水全部滲入巷道底板。水量雖然微乎其微，但對巷道圍巖的鋁土質(zhì)泥巖的吸水膨脹影響巨大。

時(shí)間因素:井筒成巷至今時(shí)間較長、斷面偏大，受礦壓作用所致。

3．2 其他原因分析

措施不當(dāng):當(dāng)巷道出現(xiàn)初始破壞現(xiàn)象后，未充分依照“治頂先治幫、治幫先治底”的原則，而只在巷道幫、頂部分加強(qiáng)支護(hù)，未考慮底板支護(hù)，使巷道支護(hù)閉合，形成全斷面支護(hù)，致使巷道底板成了鋁土質(zhì)泥巖釋放膨脹力的薄弱處，加上井下水的催化作用，致使原巖應(yīng)力重新分布，造成底臌且引起巷道其它部位的破壞。而在該礦井中央輔助運(yùn)輸大巷的其中一段巷道，其地質(zhì)條件類似，施工過整體U型鋼支護(hù)，即在巷道頂、幫、底板用U型鋼聯(lián)成整體，底板做反底拱，然后混凝土澆筑回填，該段巷道至今大部分基本保持完好，沒有明顯變化。

設(shè)計(jì)缺陷:巷道設(shè)計(jì)存在一定程度上的失誤。按照設(shè)計(jì)，巷道臺階布置于巷道右側(cè)底板，水溝處于臺階與右側(cè)巷幫之間，主斜井井筒左側(cè)裝備帶寬1 000 mm的膠帶，右側(cè)敷設(shè)有檢修用架空乘人器。這樣布置存在:①井筒施工過程中，臺階明顯高于大部分巷道底板與水溝上沿，使水溝失去排水功能(施工及施工完成后，水溝一直處于干燥狀態(tài))，地表滲漏及地下裂隙水只能沿井筒底板流入主斜井井底臨時(shí)水泵窩;②礦井在建成后，主斜井帶式輸送機(jī)運(yùn)行中必然淋水，左側(cè)的水要流過整個(gè)巷道底板才能匯入水溝排走，甚至直接沿井筒巷道底板順流至主斜井井底。

排水不暢:施工過程中對井下水的治理不夠重視。井下水源來源很多，在此易變形巷道區(qū)域主要來源于地表滲漏、地下裂隙水、施工用水、空氣含水等幾個(gè)方面。有些水源在井下實(shí)際施工過程中無法避免，但可以加以管控，減少損失。而井下掘進(jìn)生產(chǎn)過程中，施工單位的精力大都投入在施工安全、質(zhì)量、進(jìn)度方面，對施工用水未妥善處理。在項(xiàng)目管理方面存在一定疏忽。

3．3 巷道圍巖變形修復(fù)方案

根據(jù)圍巖條件和破損程度，采取針對性的修復(fù)方案。

分段修復(fù):應(yīng)采用分段拆除分段施工的修復(fù)方案。段長依據(jù)施工工藝及圍巖穩(wěn)定情況確定，確保施工安全和質(zhì)量。

二次支護(hù):采用二次支護(hù)方式，即初襯和二襯支護(hù)。①初襯宜采用錨、網(wǎng)、索、噴聯(lián)合支護(hù)。錨桿、鋼筋網(wǎng)支護(hù)規(guī)格與原設(shè)計(jì)一致。錨桿預(yù)緊力不小于3．0 t;錨索長度不小于 8．5 m，預(yù)緊力不小于 8．0 t，每排錨索在拱頂布置一根，巷道的兩側(cè)肩部各布置一根，靠近兩側(cè)墻底部向下各布置一根(可聯(lián)合U型鋼支架施工)，拱底布置一根(長度可適當(dāng)減小)，錨索與巷道(或斜井)的縱向間距約為錨桿間距的2～3倍，必要時(shí)可加錨索梁(或W型鋼帶)。噴射混凝土厚度控制在60～80 mm，噴射混凝土強(qiáng)度等級為C20;②二襯宜采用29U型鋼支架加噴射混凝土支護(hù)，噴射混凝土厚度控制在60～80 mm，噴射混凝土強(qiáng)度等級為C20。底板采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土反底拱結(jié)構(gòu)支護(hù)，厚度宜為400～600 mm，防水混凝土強(qiáng)度等級不小于C30。

注意防水:現(xiàn)主斜井涌水微弱，但后期皮帶運(yùn)輸過程中會帶水，應(yīng)高度注意防水問題。

測試分析:①條件允許時(shí)，對圍巖成分、性質(zhì)及物理力學(xué)性能進(jìn)行測試和分析，為礦井今后建設(shè)與生產(chǎn)提供依據(jù);②對錨桿、錨索錨固力進(jìn)行拉力測試，以進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

動(dòng)態(tài)觀測:應(yīng)健全井巷工程圍巖觀測系統(tǒng)，加強(qiáng)對巷道圍巖表面收斂、變形速率的監(jiān)測，同時(shí)對支護(hù)體受力進(jìn)行監(jiān)測，以優(yōu)化支護(hù)參數(shù)。

4 結(jié)論

(1)該煤礦鋁土質(zhì)泥巖巖石完整性較差，遇水極易膨脹，屬于典型的軟巖，是造成井巷工程破損的主要原因。

(2)井巷工程設(shè)計(jì)過程中，盡量避免將開拓巷道布置在受鋁土質(zhì)泥巖影響的范圍內(nèi)。

(3)圍巖揭露或穿越鋁土質(zhì)泥巖，應(yīng)遵循“防水先行、先柔后剛、先讓后抗”的原則，施工過程中以防為主，以治為輔，優(yōu)先防水，對所有水源加以管控，最大限度防止鋁土質(zhì)泥巖吸水膨脹造成破壞，并由此擴(kuò)散，連鎖反應(yīng)至周邊區(qū)域。

(4)巷道圍巖揭露或穿越鋁土質(zhì)泥巖，應(yīng)使巷道盡可能形成全封閉支護(hù)，同時(shí)采取巷道底板錨桿支護(hù)，加強(qiáng)巷道幫角支護(hù)，改善巷道應(yīng)力狀態(tài)，不使巷道任何一處成為其釋放膨脹力的薄弱處。