千米深井軟巖巷道變形破壞機理及控制對策

潘啟新，張躍林

(1.中國煤炭進出口公司，北京 100011；2.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)

千米深井軟巖巷道變形破壞機理及控制對策

潘啟新1，張躍林2

(1.中國煤炭進出口公司，北京 100011；2.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)

本文以唐口煤礦深部軟巖巷道為研究對象，在總結了巷道現場破壞特征的基礎上，分析了軟巖巷道的特點和變形破壞的原因，以南部軌道大巷為試驗段進行數值模擬，提出了以普通錨網噴+注漿加固圍巖為主體的支護方案，現場應用的效果良好，為深部軟巖大變形巷道支護提供了有效的方法。

千米深井；軟巖巷道；錨網噴+注漿

隨著唐口礦開采深度不斷增大，深部開采環境逐漸惡化，地應力增大，圍巖巖體的環境變化以及由此引起的巖體力學性質、強度、巖體結構、變形等特性的變異造成的諸多問題，導致了深部開拓巷道掘進與支護過程中所遇到的巷道巖層破碎、成型困難以及頂板下沉、兩幫收縮、底臌等圍巖大變形破壞現象，因此深部軟巖巷道支護已成為影響深部開采的關鍵問題。

1 工程概況

唐口煤礦位于濟寧市北部，該礦的主、副、風井井筒深度均已超過千米。唐口礦區已施工的輔助運輸大巷等工程，中央泵房、副井馬頭門等硐室破壞嚴重。由于巷道埋深大、地質環境復雜、地壓高，加上圍巖松軟破碎，巷道出現了與在淺部開采時不同的大變形破壞現象[1-2]，在施工過程中巷道出現了大面積冒落、兩幫收縮和底臌等現象，嚴重影響了煤礦安全生產。

2 巷道變形破壞特征

由于對深部巷道變形特點和規律缺乏準確判斷，唐口煤礦多條巷道不同程度的發生了較嚴重的變形，以致不得不多次返修。現將巷道破壞的幾種典型特征總結如下。

2.1 圍巖巖性

唐口礦主要巷道周圍斷層構造發育，巷道在掘進過程揭露泥質巖石，煤體為塊裂結構，巷道頂、底板以泥巖、砂泥巖為主，層理、節理較發育，巖體吸水膨脹較強，圍巖變形大，難支護。例如：430軌道下山在巷道穿過3煤及其底板泥巖段時巷道破壞較嚴重，主要破壞形式為：巷道頂板下沉(冒落)、高凸T型鋼帶擠出、幫部收縮(圖1(a)、圖1(b))。

2.2 地應力場分布

唐口礦主要巷道的埋深均已超過1000m，水平應力最高可達40MPa，垂直應力約為20MPa，圍巖應力環境已進入非線性高應力狀態。當巷道圍巖受水平應力作用時，易出現頂板冒落，兩幫內擠、底板鼓起的現象；當構造應力方向與巷道方向垂直正交時，圍巖所受應力將達到高度集中，巷道極易發生變形破壞。根據唐口礦實測地應力資料可知，主應力方向和主要巷道的夾角為30～60°，巷道的方位和地應力方位夾角偏大，同時，礦區位于較大的褶曲構造附近，斷層較多，因此構造應力對巷道變形破壞有很大影響。例如：礦區北部軌道大巷的最大水平主應力為36MPa，方向與巷道軸向夾角為55°，水平應力對巷道兩幫和頂底板的穩定性有較大影響。巷道頂板出現嚴重下沉、冒落、錨桿(索)失效，混凝土噴層開裂、脫落，兩肩部的不對稱變形和收縮，變形破壞現象如圖1(c)所示。

圖1 巷道圍巖變形情況

2.3 支護方式因素

礦區深部巷道多采用錨噴支護，但由于原支護的支護強度不夠以及支護體未能有效控制圍巖變形，巷道出現了頂板下沉、噴層脫落和底臌等破壞現象。例如：礦區南部軌道大巷由于發生了較嚴重的變形，出現拱部兩肩受壓，整個拱部支護失效，巷道出現大面積破壞的現象，如圖1(d)所示。

在上述因素的共同作用下，深部軟巖巷道頂板下沉量和兩幫收縮量均較大、底臌明顯；巷道整體變形大且長時間蠕變，經多次返修仍未穩定。

3 原因分析和支護對策

基于以上分析，結合礦區工程地質條件可以得出唐口煤礦深部軟巖巷道變形和破壞的原因如下所示。

3.1 工程地質條件復雜

深部軟巖巷道埋深超過1000m，圍巖節理較發育、巖體較破碎、裂隙多，在高地應力作用下，圍巖易產生大變形和破壞，并且由于膨脹力的作用，圍巖長期存在蠕變現象。因此，巷道變形破壞的根本原因是：圍巖屬于高應力節理化強膨脹性軟巖，傳統支護難以見效。

3.2 支護理論依據不當

傳統的淺部支護方式已不能有效控制深部軟巖大變形巷道的破壞，應當依據非線性大變形力學設計理論和方法進行支護方案設計和施工[3-6]。巷道支護設計應首先分析作用在巖體的各種荷載的特性，作出力學對策設計；然后進行相關的過程設計，最后進行各種力學對策的研究。只有通過主動合理的耦合支護設計，充分發揮材料間的相互作用，才能有效地實現巷道支護。

針對唐口礦巷道圍巖在高地應力作用下十分破碎和巷道因多次返修而導致圍巖破碎程度加劇的情況，選南部軌道大巷為試驗段，采用普通錨網噴+注漿加固圍巖的支護方式[7-8]以提高圍巖的自承能力，在現場調查研究的基礎上，建立軌道大巷工程地質模型，利用有限差分程序FLAC3D對巷道進行數值模擬，結果如圖2所示。

圖2 南部軌道大巷數值模擬圖

由巷道位移場圖2(a)、圖2(b)可以得出，巷道的最終位移量均明顯減小，最大頂板下沉量為125mm，最大底臌量為180mm，兩幫最大移近量為199mm，巷道支護效果明顯；通過圖2(c)可以看出，巷道塑性區明顯減小，但底板塑性區的剪切和拉破壞有進一步發展的趨勢，錨索最大受力達到230kN，未達到其破斷荷載值，錨桿受力較為均勻(圖2(d))。圍巖注漿加固有效改善了破碎圍巖的物理力學特性，提高了圍巖整理強度，充分發揮了圍巖的自承能力。因此，采用錨網索+注漿的方式，支護強度較高，能很好的實現支護體與圍巖的耦合。

4 工程應用

4.1 工程地質條件

礦區南部軌道大巷位于3上煤層頂板砂巖中，與3上煤層距離2～80m，屬于二類頂底板。巷道老頂是粉砂巖互層，頂板直立裂隙發育；底板以粉砂巖和中砂巖為主，平均抗壓強度為39MPa，屬較穩定頂底板。

4.2 支護方式與參數

巷道為馬蹄形斷面，采用反底拱左旋高強螺紋鋼錨桿全長錨固，配合錨網索噴進行永久支護。錨索采用低松弛預應力鋼絞線截制；錨桿采用左旋高強螺紋鋼錨桿，間排距1000mm×800mm。錨索布置在兩錨桿中間，排距為1000mm，固定梯形鋼帶。噴射混凝土強度等級C20，厚度150mm。

4.3 支護效果分析

從圖3可以看出，巷道施加錨索支護[9-10]后，圍巖變形開始得到控制，并趨于穩定。由開挖后60天表面位移觀測結果曲線知：巷道累計頂板移近量為25mm、兩幫累計移近量為115mm、底板移近量為45mm。綜上所述：巷道表面位移量小，圍巖無明顯變形，錨桿(索)受力穩定，表明該支護形式能滿足圍巖變形控制要求。

圖3 位移量-距迎頭距離對比曲線

由圖3可知，巷道進入穩定段后，變形減少，圍巖趨于穩定。巷道豎向變形以底鼓為主，頂板下沉較小，兩幫收縮變形，移近量相當。開挖一段時間之后，圍巖穩定，表明現有支護形式能滿足支護要求。

5 結論

1)總結了唐口煤礦深部軟巖巷道的破壞特征，分析了巷道的破壞原因，提出了相應的支護對策為普通錨網噴+注漿加固圍巖的支護技術。

2)以南部軌道大巷為試驗段，進行數值模擬分析和現場應用。監測結果表明了該技術的有效性和可靠性。

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《礦產資源資產資本理論與實踐》正式出版

由中國地質調查局發展研究中心編著的《礦產資源資產資本理論與實踐》一書日前由地質出版社正式出版發行。此書從礦產資源產權制度、經濟價值和物質組成等多個角度，研究了礦產資源、資產和資本的相互關系，明晰了政府和企業等不同主體的“三資”關系，并從礦業生產體系的角度，綜合政府、企業、市場在資源配置中的作用，提出了“三資”綜合管理模型；對國內外不同政府類型及不同跨國公司進行了實證分析，總結出了不同類型的“三資”綜合管理模式及其特點，并從“三資”綜合管理的視角，提出了未來礦產資源管理領域亟需改革的八大重點問題及相應的改革思路與措施，對我國礦產資源管理改革及相關政策的制定具有重要理論價值和實踐指導意義。

Study on deformation mechanism and control measures of deep soft rock roadway in kilometer deep mine

PAN Qi-xin1，ZHANG Yue-lin2

(1.China Coal Import and Export Company，Beijing 100011，China；2.School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

This paper，based on Tangkou deep mine soft rock roadway，analyzes the reasons of roadway deformation and failure phenomena based on roadway failure characteristics；puts forward a program based on numerical simulation results of south roadway of the track that use bolt mesh and shotcrete + grouting to reinforce surrounding rock.The field application，which provides an effective method for the support of deep soft rock roadway，achieves good results.

kilometer deep mine；soft rock roadway；bolt mesh and shotcrete + grouting

2014-07-15

TD353

A

1004-4051(2015)01-0108-03