主斜井揭露鋁土質泥巖段圍巖變形原因及其修復

程書航，劉金輝，孫瑞強，石 雷

(國電永壽煤業有限責任公司，陜西咸陽 713400)

0 引言

鋁土質泥巖屬于細顆粒沉積巖，其性質與顆粒的礦物成分有很大關系，其中高嶺土、蒙脫石等黏土礦物含量高。鋁土質一般為花崗質石風化去鈉、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］。井巷工程建設過程中，若巷道揭露鋁土質泥巖，往往造成施工、維護難度的增加［5-6］。文中針對鋁土質遇水擴容膨脹的特點，探討了某煤礦受鋁土質泥巖影響而破壞的主斜井巷道的合理支護措施，為類似工程提供參考。

1 工程概況

該煤礦礦區為華北地層大區陜甘寧分區，隸屬陜西省黃隴侏羅紀煤田中段南部。根據鉆探揭露，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，物理及化學特點等，可與甘肅靖遠、彬—旬地區、陜甘寧盆地地層分區做對比，反映成生環境的相似性。其中延安組為煤系地層。

礦井采用“主斜井、副斜井、回風立井”單水平盤區式開拓。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成，含鈣質結核，上部結構疏松，中下部為殘缺粘土層，底部為混亂礫石。

侏羅系基本以泥巖、砂質泥巖及粗、細粒砂巖為主。泥巖主要由粘土礦物組成，含有較多的有機質，具有機理裂隙、易碎、遇水易軟化的特點，其飽和抗壓強度為0 ～32．2 MPa，RQD 值 13．5 ～84．0;砂質泥巖與泥巖互層，易碎，飽和抗壓強度為0～29．3 MPa，RQD 值37．0 ～86．0;粗、細粒砂巖以長石、石英成分為主，風化強烈、易碎，飽和抗壓強度為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以下為主斜井機尾與大巷機頭硐室，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″。井筒施工掘進分明槽段、暗槽段及暗槽基巖段。其暗槽基巖段設計支護方式為:錨網索噴支護。

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掘進及支護并停止正向掘進施工。2012年5月2日開始從主斜井井底的機尾硐室開始反向上山掘進施工，2012年6月7日毛掘貫通。井筒在整個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象。

在反向上山掘進施工過程中，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泥巖，揭露的最大厚度為1．26 m。從巷道地質剖面圖上看，揭露的鋁土質泥巖成彎月形。同時巷道頂板又為煤層或炭質泥巖，巷道圍巖屬于不穩定—穩定性較差巖層。相關地層巖性如圖1所示。為釋放礦壓，降低后續施工難度，礦方采取了擴大毛掘斷面，同時僅進行錨索網噴初次支護的技術措施。

2012年6月16日，經召開專題會，確定井筒K0+611 m以下段采用在原有錨索網噴支護的基礎上架設25U型鋼可縮支架(600 mm間距)，支架內外掛雙層金屬網，最后噴射200 mm厚的C20混凝土。巷道加強支護工作至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。礦方對此段進行了臥底作業。2015年，巷道破壞情況更為嚴重: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，同時頂板開裂、下沉嚴重。整個巷道失修段已由原來的鋁土質泥巖段向上、向下蔓延擴大31～75 m。

3 原因分析與優化處理

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輸機、檢修猴車安裝等工程，2015年3月、8月，建設單位邀請相關專家以及設計、監理、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

地質條件:根據建設情況、地質資料及主斜井井筒下部變坡段地質素描，井筒施工完成已逾兩年，其弧段局部已進入鋁土質泥巖。按相鄰彬長礦區經驗，主采煤層下方4 m左右賦存十余米厚鋁土質泥巖。此段巷道圍巖的侏羅系鋁土質泥巖強度低、易軟化、膨脹，水敏性強，是造成井巷工程破損的主要原因。主斜井K0+600 m上下幾處巷道幫頂的滴水、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泥巖的吸水膨脹影響巨大。

時間因素:井筒成巷至今時間較長、斷面偏大，受礦壓作用所致。

3．2 其他原因分析

措施不當:當巷道出現初始破壞現象后，未充分依照“治頂先治幫、治幫先治底”的原則，而只在巷道幫、頂部分加強支護，未考慮底板支護，使巷道支護閉合，形成全斷面支護，致使巷道底板成了鋁土質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輸大巷的其中一段巷道，其地質條件類似，施工過整體U型鋼支護，即在巷道頂、幫、底板用U型鋼聯成整體，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。

設計缺陷:巷道設計存在一定程度上的失誤。按照設計，巷道臺階布置于巷道右側底板，水溝處于臺階與右側巷幫之間，主斜井井筒左側裝備帶寬1 000 mm的膠帶，右側敷設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)，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水泵窩;②礦井在建成后，主斜井帶式輸送機運行中必然淋水，左側的水要流過整個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、空氣含水等幾個方面。有些水源在井下實際施工過程中無法避免，但可以加以管控，減少損失。而井下掘進生產過程中，施工單位的精力大都投入在施工安全、質量、進度方面，對施工用水未妥善處理。在項目管理方面存在一定疏忽。

3．3 巷道圍巖變形修復方案

根據圍巖條件和破損程度，采取針對性的修復方案。

分段修復:應采用分段拆除分段施工的修復方案。段長依據施工工藝及圍巖穩定情況確定，確保施工安全和質量。

二次支護:采用二次支護方式，即初襯和二襯支護。①初襯宜采用錨、網、索、噴聯合支護。錨桿、鋼筋網支護規格與原設計一致。錨桿預緊力不小于3．0 t;錨索長度不小于 8．5 m，預緊力不小于 8．0 t，每排錨索在拱頂布置一根，巷道的兩側肩部各布置一根，靠近兩側墻底部向下各布置一根(可聯合U型鋼支架施工)，拱底布置一根(長度可適當減小)，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，噴射混凝土強度等級為C20;②二襯宜采用29U型鋼支架加噴射混凝土支護，噴射混凝土厚度控制在60～80 mm，噴射混凝土強度等級為C20。底板采用現澆鋼筋混凝土反底拱結構支護，厚度宜為400～600 mm，防水混凝土強度等級不小于C30。

注意防水:現主斜井涌水微弱，但后期皮帶運輸過程中會帶水，應高度注意防水問題。

測試分析:①條件允許時，對圍巖成分、性質及物理力學性能進行測試和分析，為礦井今后建設與生產提供依據;②對錨桿、錨索錨固力進行拉力測試，以進一步優化設計。

動態觀測:應健全井巷工程圍巖觀測系統，加強對巷道圍巖表面收斂、變形速率的監測，同時對支護體受力進行監測，以優化支護參數。

4 結論

(1)該煤礦鋁土質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)井巷工程設計過程中，盡量避免將開拓巷道布置在受鋁土質泥巖影響的范圍內。

(3)圍巖揭露或穿越鋁土質泥巖，應遵循“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，優先防水，對所有水源加以管控，最大限度防止鋁土質泥巖吸水膨脹造成破壞，并由此擴散，連鎖反應至周邊區域。

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