介板溝煤礦軟巖大巷變形破壞機(jī)理及控制技術(shù)研究

洪 杰

（山西華潤(rùn)聯(lián)盛能源投資有限公司，山西省呂梁市，033000）

介板溝煤礦軟巖大巷變形破壞機(jī)理及控制技術(shù)研究

洪 杰

（山西華潤(rùn)聯(lián)盛能源投資有限公司，山西省呂梁市，033000）

為解決介板溝煤礦軟巖大巷高應(yīng)力、圍巖自撐能力差、支護(hù)難的問(wèn)題，基于煤巖層地質(zhì)賦存條件以及北軌道大巷與北運(yùn)輸大巷的維護(hù)現(xiàn)狀與變形破壞特征，總結(jié)分析了大巷的破壞原因，針對(duì)支護(hù)的弱結(jié)構(gòu)以及不同地質(zhì)條件下的巷道進(jìn)行了研究與改革，提出了相應(yīng)的控制技術(shù)，優(yōu)化之后的支護(hù)方案經(jīng)實(shí)踐證明具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

軟巖巷道 變形破壞 控制技術(shù) 壁后充填 錨桿支護(hù) 注漿加固

1 工程背景

研究并認(rèn)識(shí)軟巖和軟巖工程復(fù)雜性的目的，在于尋找和利用它的規(guī)律性，以便經(jīng)濟(jì)有效地解決軟巖巷道工程與技術(shù)問(wèn)題。

山西華潤(rùn)聯(lián)盛介板溝煤業(yè)有限公司位于石樓縣羅村鎮(zhèn)，由山西石樓介板溝煤業(yè)有限公司和山西石樓麥塌煤業(yè)有限公司兩礦兼并重組整合組成。礦井井田面積3.7183km2，井田內(nèi)地形東高西低，東部山上海拔最高1591m，北部溝底海拔最低1378.5m，開(kāi)采標(biāo)高為1150～1407m，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為0.6Mt／a。井田內(nèi)可采煤層為山西組的4＃煤層、太原組的10＃及11＃煤層。其中，4＃煤層位于山西組中下部，煤厚0～2.40m，平均1.52m，不含夾矸。其頂板巖性為泥巖，局部夾薄層炭質(zhì)泥巖，底板巖性為砂質(zhì)泥巖，局部夾薄層的粉砂巖。目前，礦井北運(yùn)輸大巷和軌道大巷布置在4＃煤層底板巖層中，巷道均為拱形斷面，斷面規(guī)格為凈寬3800mm、凈高3000mm，采用U型鋼金屬支架支護(hù)，棚距800mm。由于巷道圍巖性質(zhì)本身軟弱，完整性差，且巷道圍巖遇水后會(huì)出現(xiàn)泥化現(xiàn)象，巷道在掘進(jìn)后較短時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生較大的變形，尤其在一些構(gòu)造帶附近表現(xiàn)得更為顯著，變形表現(xiàn)為嚴(yán)重的底臌和頂板下沉，巷寬由原來(lái)的3.8m普遍變形到現(xiàn)在的3.2～3.4m，高度由原來(lái)的3.0m變形到現(xiàn)在的2.4～2.6m，局部底臌量達(dá)到了600mm，甚至發(fā)生頂板垮冒，造成巷道維修工程量大，維護(hù)困難，影響礦井正常的生產(chǎn)秩序。

2 巷道支護(hù)難點(diǎn)及破壞機(jī)理分析

2.1 巷道維護(hù)特點(diǎn)

（1）巷道埋深小，只有100m左右。

（2）圍巖自承能力差。巷道圍巖為泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚約8m。巷道圍巖性質(zhì)本身軟弱，且裂隙、層理發(fā)育，強(qiáng)度低，完整性差，巷道掘進(jìn)擾動(dòng)期間，圍巖將更加破碎，松動(dòng)破壞范圍廣，巷道冒頂概率大。

（3）巷道圍巖遇水后會(huì)出現(xiàn)泥化現(xiàn)象，掘進(jìn)后較短時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生較大的變形，尤其在構(gòu)造帶附近表現(xiàn)更為顯著，變形表現(xiàn)為嚴(yán)重的底臌和兩幫移近。

（4）較大的松動(dòng)壓力不利于巷道圍巖的穩(wěn)定。對(duì)于淺埋的松軟、破碎巖層，巷道開(kāi)挖后，頂部巖體失去穩(wěn)定性，產(chǎn)生坍塌，并形成自然冒落拱。隨之，巷道兩幫由于應(yīng)力集中而逐漸破壞，造成頂部坍塌進(jìn)一步擴(kuò)大并形成塌落拱。大范圍塌落拱內(nèi)的松散巖體將造成較大的松動(dòng)壓力，對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定控制極為不利。

（5）構(gòu)造應(yīng)力的影響。大巷位于斷層破碎帶附近，受斷層影響，較大的水平應(yīng)力和不利的水平應(yīng)力方向?qū)ο锏榔扑檐浫鯂鷰r控制極為不利。

2.2 巷道破壞原因分析

根據(jù)目前巷道的維護(hù)狀況，對(duì)北運(yùn)輸大巷與北軌道大巷的破壞原因進(jìn)行了分析，總結(jié)出巷道原有U型鋼支架支護(hù)存在的主要問(wèn)題如下：

（1）支架不具備高阻可縮性能，表現(xiàn)為圍巖大幅度變形、支架靜斷面縮小情況下，支架構(gòu)件失效。一方面是由于支架節(jié)與節(jié)的接頭（限位卡纜）的型式與材質(zhì)強(qiáng)度制約了U型鋼支架低阻滑移的特性，另一方面則是忽略了支架配件（背板）的作用效果。

（2）巷道缺少有效控制底臌的措施，表現(xiàn)為底臌嚴(yán)重，頻繁臥底，支架棚腿內(nèi)移，支架支護(hù)阻力下降。這是由于原U型鋼支架僅是對(duì)頂板和幫部進(jìn)行了支護(hù)，而底板卻處于無(wú)支護(hù)狀態(tài)，圍巖變形效果會(huì)通過(guò)內(nèi)擠作用而展現(xiàn)出不同程度的底臌，同時(shí)頻繁臥底的擾動(dòng)會(huì)進(jìn)一步松動(dòng)底角巖層，因而造成棚腿不斷內(nèi)移，支架的承載能力及穩(wěn)定性不斷下降。

（3）支架－圍巖相互作用關(guān)系差，表現(xiàn)為支架支撐圍巖后，不平整的接觸面與巷道底臌的雙重作用，使得支架與圍巖間大多是點(diǎn)接觸，支架受力不均而易失穩(wěn)。這是由于軟巖巷道圍巖強(qiáng)度低，巷道周邊巖體受應(yīng)力集中影響呈現(xiàn)不均勻變形，表面的凹凸不平造成架后空間大小不等。

（4）支架是由多節(jié)U型鋼利用卡纜連接的承載體，本身結(jié)構(gòu)決定支架的不穩(wěn)定性，在支架承載圍巖體時(shí)，支架的受力位態(tài)使失穩(wěn)的可能性增大，易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)，表現(xiàn)在幫部變形與底臌嚴(yán)重，棚腿內(nèi)移，支架承載能力急劇下降，整體性與縱向穩(wěn)定性也隨之降低。這是由于原支架的承載能力與抗側(cè)壓能力均較低，同時(shí)架間拉桿的規(guī)格與布設(shè)也不合理的緣故。

（5）支架承受集中載荷，支架的極限承載能力低，致使支架以及配件大量失效甚至損壞，并再次引起圍巖的強(qiáng)烈變形。

3 巷道新型支護(hù)方案的確定

3.1 U型鋼支架壁后充填技術(shù)

根據(jù)介板溝礦軟巖大巷維護(hù)特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)軟巖大巷變形破壞特征及破壞原因的初步分析，根據(jù)大巷斷面要求，將大巷改進(jìn)采用拱形斷面，巷道設(shè)計(jì)掘進(jìn)寬度4400mm，掘進(jìn)高度3300mm，具體支護(hù)方案如下：

（1）巷道基本支護(hù)采用U29半圓拱直腿可縮性支架，巷道及支架斷面參數(shù)如圖1所示。

圖1 巷道及支架斷面參數(shù)

（2）采用雙槽夾板上、下限位卡纜，卡纜需經(jīng)熱處理，提高其剛度與支架的整架性能，要求拱形支架的每個(gè)連接處用2副雙槽夾板限位卡纜，卡纜螺母預(yù)緊扭矩不低于300N·m。

（3）柱腿插入底板深度300mm，并在柱腿底部焊上矩形或方形鋼板底座以降低底板比壓，防止柱腿過(guò)多插入底板，避免支架阻力過(guò)低。

（4）為了防止圍巖冒落，提高U型鋼支護(hù)的護(hù)表性能，并使支架受載均勻，避免承受集中載荷，增加承載能力，支架壁后配合使用高強(qiáng)鋼筋網(wǎng)，在鋼筋網(wǎng)背板上鋪設(shè)一層塑料編織布為壁后充填做準(zhǔn)備。

（5）每一支架間布置1～2根拉桿，拉桿沿巷道縱向在架與架間布置，將兩架支架連結(jié)起來(lái)。采用拉桿的目的是為了加強(qiáng)支架的穩(wěn)定性，將支架從縱向連成整體，防止支架歪斜，提高支架的承載能力。

（6）支架壁后實(shí)施充填注漿，設(shè)計(jì)充填體厚度126～158mm。充填材料可采用矸石粉、砂子、石膏、粉煤灰等材料，配合使用適量的普通硅酸鹽水泥和添加劑，具體材料配比根據(jù)充填材料和充填設(shè)備而定，以保證充填料漿輸送性能、凝結(jié)時(shí)間，以及凝固后形成充填體的強(qiáng)度、可縮性等參數(shù)要求。

3.2 錨—架聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

圖2 加強(qiáng)錨索布置圖

在圍巖較松散破碎段巷道，采用錨索—支架聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，設(shè)計(jì)大巷采用拱形斷面，巷道設(shè)計(jì)掘進(jìn)寬度4200mm，掘進(jìn)高度3200mm，具體支護(hù)方案如下：

（1）巷道及支架斷面各主要參數(shù)同3.1節(jié)（1）～（5）所述。

（2）及時(shí)噴漿，防止圍巖風(fēng)化破壞，保持較高的圍巖整體強(qiáng)度，噴層厚度50mm。

（3）在巷道幫部和拱部采用小孔徑預(yù)應(yīng)力短錨索強(qiáng)化支護(hù)。錨索選用直徑17.8mm的1860鋼鉸線(xiàn)，長(zhǎng)6.3m，每孔采用4節(jié)Z2350中速樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固，錨索排距為1.6m。拱頂單根錨索采用250 mm×250mm×20mm的平鋼板加150mm×150 mm×10mm的小托板配合使用，幫部每2根錨索采用18號(hào)槽鋼加工的錨索托梁連接，錨索托梁長(zhǎng)度為2400mm，孔間距1600mm，每孔錨索配150mm×150mm×10mm小托板，加強(qiáng)錨索預(yù)應(yīng)力達(dá)到80 kN即可。具體布置參數(shù)如圖2所示。

（4）二次噴漿：噴層厚度要與U型鋼外緣凸棱齊平。

3.3 巷道錨桿支護(hù)技術(shù)

當(dāng)巷道處于斷層影響帶之外，圍巖相對(duì)較完整時(shí)，可采用錨桿支護(hù)，支護(hù)方案如圖3所示。

圖3 錨桿支護(hù)初步技術(shù)方案

（1）巷道斷面。斷面為直墻半圓拱形，巷道設(shè)計(jì)掘進(jìn)寬度4000mm，設(shè)計(jì)掘進(jìn)高度3200mm，墻高1200mm。

（2）錨桿的選擇。采用左旋螺紋高性能的桿體、高強(qiáng)度鼓形托板（150mm×150mm×10mm）的成套錨桿進(jìn)行支護(hù)。錨桿規(guī)格為M24－?22mm×2400mm。

（3）錨桿的錨固。采用2卷規(guī)格為Z2350的樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固。

（4）錨桿間排距。錨桿間排距為800mm×800mm，底角錨桿距巷道底板340mm，角度為30°。其余錨桿布置均垂直巖壁，緊貼巖面。錨桿預(yù)緊力應(yīng)在30kN以上。

（5）錨索的使用。錨索排置于兩排錨桿中間，全斷面布置3根錨索，拱頂錨索布置于中間，兩肩角錨索與巷道半圓拱中心呈45°布置，排距為1.6 m，張拉力不低于100kN。錨索鋼絞線(xiàn)規(guī)格為?17.8mm×6.3m，鉆孔深度為6.0m，每孔采用4節(jié)Z2350中速樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固，以保證錨固效果。錨索托板采用250mm×250mm×20mm的平鋼板加150mm×150mm×10mm的小托板配合使用。

（6）鋼筋網(wǎng)的使用。鋼筋網(wǎng)用?6mm鋼筋焊接，寬度應(yīng)在1.0m左右，網(wǎng)孔100mm×100 mm。

（7）鋼筋梯的使用。采用鋼筋梯將錨桿連成整體，每個(gè)斷面使用3條鋼筋梯，鋼筋梯用?16mm圓鋼焊接。

3.4 圍巖注漿加固技術(shù)

在圍巖含泥量少，能夠保證成孔質(zhì)量時(shí)，也可考慮采用注漿加固技術(shù)代替壁后充填技術(shù)。具體步驟為：架設(shè)好支架，并鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，在支架間布置注漿孔，注漿孔深3.0m，注漿錨桿長(zhǎng)度2.5m，間排距為1.4m×1.2m，注漿錨桿布置如圖4所示。注漿錨桿采用直徑0.5英寸中空螺紋鋼管加工，孔口段加工螺紋，自螺紋向里600mm處開(kāi)始每間隔250mm加工一對(duì)?8mm出漿孔，使用環(huán)狀快硬水泥藥卷進(jìn)行錨固，錨固長(zhǎng)度500mm。將注漿錨桿絲扣保護(hù)好后，對(duì)巷道表面噴射混凝土封閉圍巖。注漿材料優(yōu)先選用化學(xué)漿液，或選用高水速凝材料，選用高水速凝材料時(shí)水灰比為1.2∶1，注漿壓力1.5～2.0MPa?？紤]到運(yùn)輸大巷圍巖十分松散破碎，應(yīng)分多次注漿，逐步注實(shí)。

圖4 注漿錨桿布置圖

松軟巖層的圍巖強(qiáng)度低，具有遇水失穩(wěn)甚至崩解及泥化等各種特性，而巷道底板更易受到水的侵蝕和影響，底臌量通常超過(guò)頂?shù)装逡平康娜种，F(xiàn)場(chǎng)臥底發(fā)現(xiàn)，大巷底板巖體十分松散破碎，底板松動(dòng)圈發(fā)育，松動(dòng)范圍大，因此加強(qiáng)底板管理是提高軟巖大巷穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

實(shí)踐證明，底板反拱是在松軟巖體中控制底臌的有效措施?；炷练垂笆且环N適用于永久性巷道的底板支護(hù)措施。在巷道底板上先按預(yù)定深度和形狀挖出坑槽，再澆筑混凝土使之成為反拱。結(jié)合介板溝煤礦軟巖大巷的實(shí)際情況，對(duì)于局部底臌嚴(yán)重段巷道，可采用底板反拱措施，底板反拱初步施工方案如圖5所示。

圖5 底板反拱初步施工方案

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果

經(jīng)改進(jìn)優(yōu)化之后的支護(hù)方案分別在介板溝煤礦礦井北運(yùn)輸大巷和軌道大巷返修段針對(duì)不同地質(zhì)條件實(shí)施后，經(jīng)過(guò)2個(gè)月的礦壓觀(guān)測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，巷道頂板和兩幫的變形量均得到有效控制，尤其是底臌部分，最大變形量分別僅為75mm和80mm。實(shí)際觀(guān)測(cè)表明巷道圍巖穩(wěn)定性控制效果較好，底板變形監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。

圖6 底臌量監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)介板溝煤礦北運(yùn)輸大巷和北軌道大巷變形破壞因素的分析和破壞機(jī)理的研究，得出該礦存在原支架與圍巖的互相作用關(guān)系差、支架結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、承受載荷集中和承載能力低等缺陷，對(duì)原有支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了革新。針對(duì)不同的支護(hù)弱結(jié)構(gòu)和地質(zhì)條件，分別提出了相應(yīng)的支護(hù)方案：

（1）根據(jù)軟巖大巷的維護(hù)特點(diǎn)，采用U型鋼支架壁后充填技術(shù)；

（2）在圍巖較松散破碎段巷道，采用錨—架聯(lián)合支護(hù)技術(shù)；

（3）當(dāng)巷道處于斷層影響帶之外，圍巖相對(duì)較完整時(shí)，可采用錨桿支護(hù)技術(shù)；

（4）在圍巖含泥量少，能夠 保證成孔質(zhì)量時(shí)，也可考慮采用注漿加固技術(shù)代替壁后充填技術(shù)。

從工程應(yīng)用的效果來(lái)看，有效控制了巷道圍巖的變形，對(duì)底臌治理效果尤為明顯。今后可加大對(duì)上述不同支護(hù)方案的理論與試驗(yàn)研究，在不同條件下靈活改變支護(hù)方案，可取得顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

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Study on failure mechanism and control technique of soft rock roadway in Jieban＇gou Coal Mine

Hong Jie
（Shanxi Huarun Liansheng Resources Energy Investment Company Ltd.，Lvliang，Shanxi 033000，China）

In order to solve problems such as high stress of soft rock roadway，weak self－supporting of surrounding rock and difficulty in supporting，the reasons for roadway broken were analyzed on the basis of geological conditions of coal and rock strata as well as maintenance status and failure characteristics of north railway and haulage roadway.Additionally，the corresponding control techniques were proposed for the weak structure of roadway under different geological conditions，and the optimized supporting scheme has brought favorable economic benefit after the application.

soft rock，deformation failure，control technique，filling wall back，bolt supporting，grouting reinforcement

TD353

A

洪杰（1963－），男，江蘇徐州人，1990年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)工程測(cè)量專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)任山西華潤(rùn)聯(lián)盛能源投資公司技術(shù)總監(jiān)。

（責(zé)任編輯 張毅玲）