弱膠結(jié)軟巖回采巷道變形因素分析與控制

邵輝輝 曹麗軍 郝繼寶

（1.內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016299；2.山東鼎安檢測技術(shù)有限公司，山東 濟南 250000）

內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責(zé)任公司榆樹井煤礦屬于典型的西部弱膠結(jié)膨脹型軟巖礦井。其主采煤層位于侏羅系延安組含煤地層，煤層厚度在2.2～4 m之間，屬于中厚煤層，巷道掘進期間采用破底留頂?shù)姆绞骄蜻M。巷道開挖后，受巖體力學(xué)性能差、圍巖強度低等影響，極易發(fā)生收斂變形。巷道開挖后在完全開放不支護狀態(tài)下，巷道底鼓變形量可達3.5～5 m，幫部收斂變形量在1.5～2.5 m。建井初期，為解決巷道收斂變形給回采作業(yè)帶來的影響，保證正常的通風(fēng)、運輸、行人，需要抽調(diào)采掘人員組成專業(yè)巷修隊伍負責(zé)皮帶運輸巷的維護工作。大量的人力投入，不但影響礦井正常的采掘接續(xù)，而且增加了成本投入。為解決軟巖變形問題給采掘作業(yè)帶來的影響，礦井先后嘗試過底板錨索束、底角格柵墻、底板鋼筋混凝土支護等多種支護方式。通過實際效果看，均未達到理想效果，而砌碹支護成本太高且不適于順槽支護。

為了改善軟巖礦井巷道維護困難狀況，減少巷道支護成本，進一步提高掘進效率，為礦井高產(chǎn)高效提供技術(shù)支撐，必須找到合適的支護方式，突破制約礦井發(fā)展的瓶頸。

1 變形因素

1.1 巖石特征

上海廟礦區(qū)侏羅系地層巖石強度普遍較低，單軸抗壓強度均在30 MPa 以下，屬于松軟-中硬巖石，工程穩(wěn)定性差。

礦區(qū)巷道圍巖的巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、粗砂巖為主，礦物成分中高嶺石、伊利石和蒙脫石成分顯著偏高，其中高嶺石含量7.5%～33.4%，伊利石含量18.8%～28%，蒙脫石含量0～8%。巖石具有膠結(jié)性、自承能力差，遇水泥化、遇風(fēng)坍塌等特點。

為進一步了解圍巖特性，對礦井圍巖巖樣進行了測試分析。

表1 巖石特征測試

1.2 圍巖松動圈

根據(jù)松動圈理論，只有當圍巖強度大于圍巖應(yīng)力時，巷道周邊才不會產(chǎn)生松動圈。同一圍巖巷道中巖石應(yīng)力越大，松動圈也就越大；同一應(yīng)力條件下巖石強度越低，松動圈也就越大。表2 為巷道支護圍巖松動圈分類表。

表2 巷道支護圍巖松動圈分類表

為研究礦井圍巖松動圈類別，在礦井總回風(fēng)、水倉入口及個別交叉點位置進行了探地雷達松動圈測試，測試結(jié)果見表3。從整個松動圈測試結(jié)果看，圍巖松動圈最大達到2.96 m，巷道圍巖松動范圍較大。對照表2 可知，圍巖性質(zhì)屬于大松動圈不穩(wěn)定圍巖。

表3 圍巖松動圈測試表

2 變形觀測與分析

2.1 變形觀測

榆樹井煤礦11507 工作面上順槽掘進期間，受富水軟巖條件影響，巷道收斂變形較大。為了總結(jié)巷道變形規(guī)律，在順槽掘進迎頭后25 m 位置設(shè)置礦壓觀測點，該處巷道底板處于完全開放狀態(tài)，未進行反底拱施工，觀測方法采用十字布點法，觀測結(jié)果見表4。

表4 數(shù)據(jù)觀測統(tǒng)計表

2.2 幫部收斂與底鼓關(guān)系

為了研究巷道底鼓量與巷道兩幫收斂變形量之間的關(guān)系，分析其內(nèi)部存在的密切程度，根據(jù)巷道收斂變形數(shù)據(jù)，采用回歸分析法建立一元線性回歸理論模型[1-6]。

設(shè)自變量x 為兩幫移近量，因變量y 為底鼓量，將二者之間的線性關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型為：

擬合一元函數(shù)及散點分布如圖1。

圖1 幫部收斂與底鼓關(guān)系擬合圖

通過計算得：r=0.988 6，R2= 0.977 4。

相關(guān)系數(shù)r說明兩幫收斂量x與底鼓量y直線相關(guān)程度很高，決定系數(shù)R2反映了回歸方程擬合優(yōu)度較好，因此兩幫收斂變形量與底鼓量是密切相關(guān)的。

2.3 底鼓隨時間變化關(guān)系

根據(jù)函數(shù)逼近和回歸分析理論，結(jié)合實測巷道底鼓隨時間的變化曲線。建立“巷道底鼓量一時間變化”回歸理論模型。研究巷道底鼓量隨時間變化的規(guī)律，分析巷道底鼓變化趨勢，以對巷道底鼓量變化進行預(yù)測分析。

設(shè)復(fù)合函數(shù)：

式中，y為底鼓量；x為時間；a、n為常數(shù)。

根據(jù)表中數(shù)據(jù)計算得a=23.286，n=0.669 2，R2=0.982 6。

從底鼓隨時間變化曲線可以看出（圖2），在巷道底板為泥巖或砂質(zhì)泥巖的情況下，巷道開挖后，巷道圍巖力學(xué)特性發(fā)生顯著弱化，承載力極低，巷道底板產(chǎn)生明顯的塑性變化及剪切破壞，造成前期底鼓速度較大。隨著時間的推移，巷道圍巖應(yīng)力重新分布，巷道底鼓變形持續(xù)增加，但巷道收斂變形速度有所減緩。

圖2 底鼓隨時間變化關(guān)系擬合曲線圖

3 支護設(shè)計與效果

3.1 支護設(shè)計

根據(jù)以上分析結(jié)合榆樹井煤礦11507 上順槽掘進過程遇到的實際地質(zhì)條件，制定出合理的支護方式[7-10]，即斷面選擇直墻圓弧拱+三心拱底，支護方式頂板采用錨網(wǎng)（索）+底板錨網(wǎng)噴支護。巷道掘進斷面凈寬4500 mm，凈高3500 mm，巷道支護方式如圖3。

圖3 巷道掘進支護斷面圖（mm）

頂幫采用錨網(wǎng)索一次支護，錨桿間排距700 mm×700 mm，錨桿預(yù)緊力300 N·m，頂幫每排布置4 根錨索，錨索間排距1400 mm×1400 mm，支護完成后頂幫進行噴漿封閉，噴漿厚度為100 mm。底板采用錨網(wǎng)噴支護，初噴前按照設(shè)計將底板清理至三心拱型，然后進行初噴漿，噴漿厚度100 mm，接著進行錨網(wǎng)支護。底板采用錨索、錨桿相間布置的方式，即底板布置3 根錨索+4 根錨桿的方式，底板錨桿、錨索采用灌漿工藝進行全長錨固，錨桿、錨索緊固后按照設(shè)計要求進行復(fù)噴漿，噴漿厚度100～250 mm。

3.2 應(yīng)用效果

表5 是巷道內(nèi)選取兩處礦壓觀測點連續(xù)3 個月的數(shù)據(jù)累計變化情況，測點1 處巷道底板處于敞開不支護狀態(tài)，測點2 為全斷面錨網(wǎng)噴支護狀態(tài)。通過對監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)對比可以看出，全斷面錨網(wǎng)噴支護的巷道無論是底鼓量還是兩幫收斂變形量均得到了有效的控制。從現(xiàn)場來看，巷道基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，沒有繼續(xù)變形的趨勢。

表5 數(shù)據(jù)觀測統(tǒng)計表 mm

4 結(jié)論

（1）通過對11507 工作面上順槽礦壓觀測數(shù)據(jù)分析，建立巷道兩幫移近量與底鼓關(guān)系的一元回歸模型，結(jié)果表明順槽的兩幫移近量與底鼓量呈正相關(guān)關(guān)系。

（2）通過巷道底鼓隨時間關(guān)系的回歸模型得出，巷道底鼓量隨時間逐步增加，前期增速較快，隨時間推移，增速有所減緩。

（3）通過跟蹤觀測發(fā)現(xiàn)，水對巷道底鼓變形有促進作用，在研究巷道支護的同時必須將水作為一個元素考慮，采取綜合性的治理方案。

（4）提出的“全斷面錨網(wǎng)噴支護方式”，通過實踐證明可以有效地控制巷道變形。