田維榮，趙克儉，曹新奇，張進(jìn)忠，高繼龍

(1.甘肅靖煤集團(tuán) 基建工程管理處，甘肅 白銀 730900；2.寧夏王洼煤業(yè)有限公司，寧夏 固原 75600；3.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；4.深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；5.煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

弱含水條件下軟巖巷道頂板破壞機(jī)理與控制技術(shù)

田維榮1，趙克儉2，曹新奇3,4,5，張進(jìn)忠2，高繼龍2

(1.甘肅靖煤集團(tuán) 基建工程管理處，甘肅 白銀 730900；2.寧夏王洼煤業(yè)有限公司，寧夏 固原 75600；3.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；4.深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；5.煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

針對王洼二礦軟巖回采巷道掘進(jìn)初期頂板變形嚴(yán)重，在頂板弱含水的長期作用下，掘后頂板持續(xù)性整體下沉，導(dǎo)致支護(hù)困難的實(shí)際情況，對頂板圍巖進(jìn)行了成分、微結(jié)構(gòu)分析和現(xiàn)場觀測。在此基礎(chǔ)上，分析了弱含水條件下軟巖巷道頂板變形破壞的機(jī)理：即巷道微結(jié)構(gòu)宏觀發(fā)育和圍巖物理力學(xué)強(qiáng)度低是巷道掘進(jìn)初期頂板變形的主要原因，水的存在和長期作用將會導(dǎo)致巷道頂板后期變形更為嚴(yán)重。提出了高強(qiáng)度高預(yù)應(yīng)力圍巖控制方案并應(yīng)用于實(shí)踐?，F(xiàn)場實(shí)測表明，巷道頂板最大下沉量為45 mm，并進(jìn)入長期穩(wěn)定狀態(tài)，巷道支護(hù)狀況良好。

頂板弱含水；軟巖；破壞機(jī)理；高強(qiáng)度高預(yù)應(yīng)力；圍巖控制

RoofFailureMechanismandControlTechnologyofSoft-rockRoadwayunderPoorAquifer

煤礦軟巖巷道因“圍巖軟，強(qiáng)度低，強(qiáng)膨脹性”等顯著問題，困擾著我國的煤炭生產(chǎn)，對巷道的支護(hù)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]。同時(shí)，若巷道頂板含水或弱含水，由于水對巷道圍巖的侵蝕弱化作用，將加劇軟巖巷道的變形破壞，使巷道變得極難維護(hù)，嚴(yán)重危害煤礦的安全生產(chǎn)。因此，有必要對這類條件下的巷道頂板支護(hù)問題進(jìn)行深入研究。

王洼二礦115031運(yùn)輸平巷設(shè)計(jì)長度1600 m，從掘進(jìn)至工作面回采結(jié)束約需3a，維護(hù)時(shí)間長。針對巷道掘進(jìn)初期頂板變形嚴(yán)重，掘后在水的作用下頂板持續(xù)性整體下沉，極易發(fā)生冒頂?shù)膶?shí)際情況，對頂板圍巖進(jìn)行了成分、微結(jié)構(gòu)分析和現(xiàn)場觀測。在此基礎(chǔ)上，分析了巷道頂板破壞機(jī)理，提出了高強(qiáng)度高預(yù)應(yīng)力圍巖控制方案并應(yīng)用于實(shí)踐。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

王洼二礦位于寧夏南部的王洼礦區(qū)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1.5 Mt/a，目前正在準(zhǔn)備的115031工作面位于王洼二礦井田邊界煤柱線以北處，地表屬于剝蝕丘陵區(qū)。115031運(yùn)輸平巷為全煤巷道，沿5煤掘進(jìn)，即留0.8～1m頂煤，采用錨網(wǎng)索支護(hù)。5煤平均厚度為8m，平均傾角為17°，煤層頂板由下向上依次為：砂質(zhì)泥巖4～5m(比較穩(wěn)定)，易風(fēng)化，遇水易膨脹；細(xì)砂巖0.5m(巖性堅(jiān)硬，含水，不穩(wěn)定，存在缺失或加厚現(xiàn)象)；泥巖5～6 m(基本上穩(wěn)定)。其抗壓強(qiáng)度一般為16～25MPa，抗拉強(qiáng)度為0.9～2.6MPa，黏聚力系數(shù)為30～34kg/cm2，內(nèi)摩擦角為34～38°。全井田含水層屬弱富水性，補(bǔ)給條件差，隔水穩(wěn)定性好，水文地質(zhì)條件簡單，即井田水文地質(zhì)勘探類型為二類一型。

1.2 原支護(hù)方案及效果

巷道初期采用矩形斷面掘進(jìn)，掘進(jìn)期間即發(fā)現(xiàn)矩形斷面巷道支護(hù)效果無法得到保證，頂板持續(xù)變形，金屬網(wǎng)網(wǎng)兜現(xiàn)象嚴(yán)重，掘進(jìn)期間沿巷道中心線偏高幫400 mm處補(bǔ)打單體支柱，支柱間距為0.8 m。打上密集單體支柱后頂板變形得到控制，但由于頂板弱含水，在水的長期作用下，泥巖泥化加劇，頂板發(fā)生潮解、由滴水進(jìn)而發(fā)展到淋水現(xiàn)象，掘后約30d，頂板沿高幫邊緣整體性下沉，為保證巷道頂板支護(hù)的安全，沿高幫邊緣增打單體支柱，支柱間距為0.8m，但效果仍不理想。

矩形斷面掘進(jìn)約100m后調(diào)整為半圓拱形斷面，掘進(jìn)寬度為4900mm，掘進(jìn)高度為4100mm，墻高1600mm。采用φ20mm×2000mm普通螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800mm×800mm，錨桿托板采用120mm×120mm×10mm的A3鋼板制作。鋼帶由兩根φ16mm圓鋼焊接而成，間距為100mm，與錨桿同排布置。錨索采用φ17.8mm×8000mm鋼絞線，錨索托梁為400mm長的11號礦用工字鋼。錨索間排距為1500mm×2400mm。

巷道采用拱形斷面掘進(jìn)后，頂板變形情況有所改善，拱形巷道頂板受力比較均勻，巷道初掘期間成型較好，但現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，巷道掘出5～7d后，頂板下沉較為明顯，并開始出現(xiàn)網(wǎng)兜，局部地段的金屬網(wǎng)甚至開裂，破碎的煤巖塊極易掉落下來，嚴(yán)重影響了巷道的行人、運(yùn)輸安全。同時(shí)，局部頂板的錨桿、錨索滴水，頂板下沉趨勢加劇?，F(xiàn)場采用沿巷道中心線偏左幫400mm處打單體支柱的方式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，支柱間距0.8m，雖然在一定程度上延緩了頂板下沉，但后期頂板變形依然很大，維護(hù)困難，并且極大地增加了巷道的支護(hù)成本。

2 頂板破壞機(jī)理

2.1 頂板圍巖成分分析

采用X-射線熒光光譜儀對115031運(yùn)輸平巷頂板巖性進(jìn)行測試，分析出砂質(zhì)泥巖、砂巖、泥巖含有的元素及其含量，如圖1所示。

圖1 頂板巖層各試樣X-射線衍射圖譜

通過定性分析和全定量分析可知，砂質(zhì)泥巖中伊/蒙混層含量占11%；砂巖主要含有石英、高嶺石、方解石、長石、綠泥石等礦物；泥巖中蒙脫石和伊/蒙混層總含量占17%。

2.2頂板巖層微結(jié)構(gòu)特征分析

通過在Quanta200環(huán)境掃描電子顯微鏡下測試，得出了頂板砂質(zhì)泥巖、砂巖、泥巖3種試樣的微結(jié)構(gòu)特征，如圖2所示。

圖2 頂板巖層各試件微結(jié)構(gòu)特征

由圖2可知，砂質(zhì)泥巖顆?？锥础⒖紫毒^為發(fā)育，連通性較好，蒙脫石的形貌特征呈無規(guī)則狀，結(jié)晶很細(xì)，大團(tuán)塊由無一定輪廓的鱗片狀單元堆積而成；砂巖顆粒間裂隙較少、連通性差，顆粒間形成較好的膠結(jié)，顆粒間膠結(jié)物以石英為主；泥巖裂隙較為發(fā)育，連通性較好，單晶顆粒之間膠結(jié)程度低，含有明顯雜質(zhì)層[2]。

2.3 頂板破壞機(jī)理分析

(1)頂板巖層成分分析表明：115031運(yùn)輸平巷頂板上方較穩(wěn)定巖層(砂質(zhì)泥巖和泥巖)均含有大量的黏土礦物、強(qiáng)膨脹性礦物。這些礦物的大量存在，在很大程度上影響了巷道圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，降低了巷道圍巖的強(qiáng)度[3]。同時(shí)，這些礦物易與水反應(yīng)，產(chǎn)生較大膨脹應(yīng)力和大變形。隨著在水中浸泡的時(shí)間增加，砂質(zhì)泥巖、泥巖會發(fā)生崩解、破壞，導(dǎo)致了巷道頂板圍巖破壞區(qū)進(jìn)一步發(fā)育，松動圈范圍不斷擴(kuò)大，錨固體承載能力大幅度下降[4]。

(2)頂板巖層微結(jié)構(gòu)特征分析表明：砂質(zhì)泥巖、泥巖中顆粒孔洞、孔隙均較為發(fā)育，連通性較好，在地應(yīng)力、巷道開挖擾動應(yīng)力等作用下易于產(chǎn)生微細(xì)孔洞，微細(xì)孔洞逐步變大、貫通、發(fā)展成宏觀裂隙，巷道圍巖變得更加破碎，難以控制。

(3)通過對巷道頂板現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)：頂板淺部2 m與3 m間產(chǎn)生分離，最大差值達(dá)70 mm，說明錨桿長度偏?。讳摻钐葑恿翰捎煤附蛹庸?，整體力學(xué)性能差，焊接處容易裂開，同時(shí)由于托梁寬度窄，護(hù)表面積小，作用差，而且鋼筋與圍巖表面為線接觸，不利于擴(kuò)大錨桿作用范圍；由于頂板弱含水，在水的長期作用下，巷道支護(hù)強(qiáng)度逐步降低，頂板整體性下沉明顯[5]。

由以上分析可知，115031運(yùn)輸平巷頂板巖層微結(jié)構(gòu)比較發(fā)育，在應(yīng)力等的作用下，微孔隙易發(fā)育為宏觀裂隙并擴(kuò)展張開，一方面使圍巖更破碎，造成掘進(jìn)初期頂板維護(hù)困難；另一方面，這些裂隙導(dǎo)通了含水巖層，使水的作用范圍加大，作用時(shí)間加長，進(jìn)一步弱化了頂板圍巖強(qiáng)度。同時(shí)，由于頂板巖層含有大量的黏土礦物、強(qiáng)膨脹性礦物，在水的作用下，巷道頂板圍巖破壞區(qū)進(jìn)一步發(fā)育。諸多不利因素的相互疊加，大幅度削減了巷道原有的支護(hù)強(qiáng)度，破壞了頂板結(jié)構(gòu)的完整性，導(dǎo)致巷道頂板后期變形更為嚴(yán)重，甚至發(fā)生冒頂，后期即使增打密集單體支柱仍不會取得理想的效果。

3 弱含水條件下軟巖巷道頂板控制技術(shù)

3.1 控制技術(shù)的基本原理

針對此類條件的巷道，應(yīng)采用高強(qiáng)度、相配套的支護(hù)材料，對頂板進(jìn)行高強(qiáng)度高預(yù)應(yīng)力支護(hù)，改善頂板的應(yīng)力狀態(tài)，強(qiáng)化頂板弱面，消除拉伸破壞，控制圍巖弱化區(qū)的發(fā)展，使錨固區(qū)載荷趨于均勻并實(shí)現(xiàn)連續(xù)傳遞，從而形成預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)[6-10]。在及時(shí)、有力地控制巷道初期變形的同時(shí)，高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力支護(hù)能繼續(xù)保持巷道后期的穩(wěn)定，使巷道處于長期較穩(wěn)定的狀態(tài)，滿足煤礦正常生產(chǎn)的需要。

3.2 巷道圍巖控制方案

根據(jù)上述分析，提出巷道圍巖控制方案[11-12]：巷道拱部采用φ22mm×2600mm左旋無縱筋螺紋鋼等強(qiáng)錨桿(錨桿材質(zhì)為HRB500)，錨桿間排距800mm×800mm，預(yù)緊力不小于60kN，托板采用150mm×150mm×12mm厚蝶形托板；幫部采用φ20mm×2200mm普通螺紋鋼錨桿，錨桿間排距800mm×800mm，菱形布置，預(yù)緊力不小于50kN，托板采用120mm×120mm×10mm的A3鋼板制作；鋼帶選用BHW-280-4.0型W鋼帶，長6700mm；錨索規(guī)格為φ22mm×8000mm(1×19)鋼絞線，采用3-2-3布置，同排的3根錨索間距為1600mm，同排的2根錨索間距為3200mm，錨索排距為1600mm，預(yù)緊力不小于120kN。錨索托板采用400mm×400mm×16mm的鼓形托盤。

3.3 支護(hù)效果實(shí)測

該控制方案在115031運(yùn)輸平巷實(shí)施后，巷道頂板在13d后穩(wěn)定，下沉量為36mm，在23d后頂板又發(fā)生下沉，最大下沉量達(dá)到45mm，但很快就進(jìn)入了長期穩(wěn)定狀態(tài)；兩幫在12d后就基本穩(wěn)定，移近量最大值為26mm。巷道支護(hù)效果較好，頂板圍巖變形得到了有效控制。巷道表面位移實(shí)測如圖3所示，支護(hù)效果實(shí)拍如圖4所示。

圖3 巷道表面位移實(shí)測

圖4 支護(hù)效果井下實(shí)拍

4 結(jié)論

(1)通過對115031運(yùn)輸平巷頂板巖層成分分析、微結(jié)構(gòu)特征分析以及現(xiàn)場觀測，得出了弱含水條件下軟巖巷道頂板變形破壞的機(jī)理：即巷道微結(jié)構(gòu)宏觀發(fā)育和圍巖物理力學(xué)強(qiáng)度低是巷道掘進(jìn)初期頂板變形的主要原因，頂板巖層(砂質(zhì)泥巖和泥巖)富含膨脹性礦物和水的長期侵蝕作用進(jìn)一步弱化了巷道的整體穩(wěn)定性。

(2)工程實(shí)踐表明，高強(qiáng)度高預(yù)應(yīng)力支護(hù)方案對于弱含水條件下的軟巖巷道具有非常明顯的支護(hù)效果，一方面通過優(yōu)化支護(hù)方案、加強(qiáng)支護(hù)直接提高頂板巖層的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，另一方面有效限制了支護(hù)圍巖體裂隙發(fā)育，將水的弱化作用降至最低，使巷道處于長期較穩(wěn)定的狀態(tài)。

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[責(zé)任編輯：姜鵬飛]

2014-03-06

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.016

田維榮(1969-)，男，甘肅定西人，高級工程師，從事煤礦建井技術(shù)研究及相關(guān)管理工作，現(xiàn)任甘肅靖煤集團(tuán)基建工程管理處處長。

田維榮，趙克儉，曹新奇，等.弱含水條件下軟巖巷道頂板破壞機(jī)理與控制技術(shù)[J].煤礦開采，2014，19(5)：55-57，76.

TD353

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1006-6225(2014)05-0055-03