油页岩巷道围岩变形失稳机理及支护技术＊

2014-04-20赵红超张东升刘洪林吕金星温颖远

中国煤炭 2014年2期

赵红超张东升，2 刘洪林，2 吕金星温颖远

（1.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市，830000；2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221008）

油页岩作为一种非常规能源，已成为继煤炭、石油、天然气之后的重点战略能源。目前国内外研究主要集中在油页岩成岩机理和化学性质方面，缺少对油页岩巷道围岩稳定机理和控制技术的相关研究。为此，本文以甘肃窑街煤电集团海石湾矿油页岩巷道为研究对象，分析了油页岩巷道变形破坏的基本特征，在此基础上研究油页岩巷道围岩强度弱化机理，通过采用与之相应的围岩控制技术，有效地控制了巷道围岩稳定。

1 工程概况

海石湾井田位于兰州市红古区海石湾镇，矿井同时开采煤和油页岩。试验巷道选取6113工作面运输巷，埋深800m，沿顶掘进，煤层倾角在8°～14°，平均倾角10°，普氏硬度系数3.46～5.03，水文地质条件简单，无瓦斯与二氧化碳突出危险，煤尘具有爆炸性，不易自燃。6113工作面运输巷道层位布置见图1，运输巷道顶底板岩性特征见表1。

6113工作面运输巷原有支护方式是顶板、两帮均采用规格为ø20mm×2000mm 的普通螺纹钢锚杆，间排距800mm×800mm、配合120mm×120mm×8mm 的钢托盘；采用规格ø17.8×7300 mm 锚索，排距1600mm，五花布置；顶帮均铺设金属编织网，钢带采用ø16mm 钢筋梯子梁。

表1 6113工作面运输巷顶底板岩性特征

图1 6113工作面运输巷层位布置图

2 油页岩巷道变形破坏基本特征

2.1 巷道围岩变形破坏特征

（1）深部巷道地应力水平高，一旦巷道开挖，围岩即出现破坏。巷道围岩处在岩石应力应变曲线的峰值强度变化的下降段，部分围岩中形成大量的剪切滑移线，裂隙开裂，产生所谓的局部化变形，该部分在残余强度影响下，围岩属于非线性应力状态。

（2）巷道变形出现明显的非对称性变形破坏，巷道收缩变形后出现不规则形态，其中巷道下帮变形剧烈，出现围岩被压碎压酥的现象。巷道肩角处变形严重，具有典型的挤压型变形破坏特征，出现危石。

（3）巷道遇水后变形速度加快，岩石泥化现象十分明显，巷道围岩处于长期流动不稳定状态，整个使用周期内始终处于变形之中。

2.2 支护结构变形破坏特征

大量现场监测结果表明，在巷道开掘完成后到巷道报废翻修整个过程中，支护结构出现较为显著的变形破坏特征。

（1）锚杆破坏严重，现场实时观测发现锚杆以剪切破坏为主，少数锚杆为拉伸破坏，锚杆托盘出现明显的外翻和扭曲变形，锚杆拉拔力试验结果显示大部分锚杆出现松动，锚杆支护结构失效。

（2）锚索存在拉断的现象，部分托盘多处压裂，裂纹以锚索孔为中心向四周呈 “龟裂”式扩展。

（3）钢筋梯子梁严重扭曲，甚至断裂。顶板和两帮金属编织网出现较大范围的撕裂现象，失去护表作用。

3 油页岩巷道变形失稳机理

为研究海石湾煤矿油页岩巷道围岩的稳定机理，以相关部门提供的地质资料及工作实践为依据，分别从地质构造、围岩性能、支护时机、现场施工等方面对巷道围岩变形失稳的主要原因进行分析。

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3.1 特殊地质构造带影响

选取的试验巷道正好位于背斜褶曲的底部，褶曲附近的地应力分布又与其他地层条件有明显的不同，具体表现在地质构造形成初期受相反方向的挤压与侧向的滑动，导致地应力增大，原本积聚在围岩内部较高的地应力作用是导致巷道较大变形的根本原因。

由于巷道并没有严格按照背斜轴线方向布置，使得巷道开挖后各个部位的应力分布出现差异，恰好位于褶曲背斜的中部。以水平构造应力为主的最大主应力的方向与巷道轴向存在一定的角度是导致巷道围岩出现非对称性变形破坏的直接原因。在实际支护过程中应该加以考虑并重点分析。这也是造成巷道出现非对称变形的根本原因。

3.2 围岩自身力学性质差

对窑街海石湾矿油页岩采用X 射线衍射光谱和红外光谱测试，按照标准分析法进行对比分析，得到6113工作面油页岩围岩组分测试结果见表2。

表2 6113工作面油页岩围岩组分测试结果 %

分析结果表明，油页岩成岩矿物主体成分为高岭石、石英，伊利石和伊蒙混层矿物次之。高岭石干燥时有吸水性，遇潮后有可塑性。这些易软化、膨胀类黏土矿物的存在，遇水后产生的吸水膨胀变形随着时间变化一直持续，极大地弱化了油页岩的力学性质，是造成油页岩性质弱化的根本原因，也是导致油页岩巷道在开挖完成初期即出现显著变形的主要诱因。

3.3 水理作用弱化强度

水理作用会直接影响到岩石的自身力学性质，对于软岩的作用更加明显。由于水分子的侵入削弱了颗粒之间的联系，随着水化时间的增加，岩石自身强度降低。表3为6113工作面运输巷道顶底板岩层水化试验中单轴抗压强度测试结果。

表3 6113工作面运输巷道顶底板岩（石）层水化实验结果 MPa

试验结果表明，6113工作面运输巷道顶底板岩层浸水前后单轴抗压强度出现大幅度降低。其中，底板油页岩浸水前6h强度降幅最为明显，达到38%，18h后总降幅达到79.5%。水化作用造成的油页岩巷道围岩单轴抗压强度降低是导致油页岩性质弱化的又一原因，若无法有效地避免包括顶板淋水、钻孔析水等影响，油页岩巷道的稳定性必然受到影响。

3.4 风化作用影响显著

3.5 支护时机选择不合理

在巷道支护设计中，合理的支护时间和支护顺序对巷道围岩的破碎区和塑性区分布有着重大的影响。为此，基于6113工作面运输巷实际地质条件和顶底板岩层力学性能测试结果，采用数值计算的方法分析不同支护时机对巷道围岩稳定性的影响。

计算结果表明：6113工作面运输巷围岩塑性区半径与两帮滞后支护的时间成正比关系，但当两帮滞后支护时间超过一定范围时，巷道围岩塑性区半径变化将不明显。若巷道开挖后及时对巷道两帮进行支护，可以有效地控制巷道围岩塑性区的范围，当滞后时间超过一定范围后，巷道围岩塑性区出现一个峰值，此时进行支护已无法有效控制围岩塑性区范围的进一步扩展。6113 工作面运输巷在掘进过程中两帮滞后顶板支护的最大距离超过30 m，此时巷道出现明显变形，后期再采用补强支护已经不能实现巷道围岩的稳定。由此可知，不合理的支护时机选择是造成6113工作面运输巷变形失稳的另一个主要原因。

综上所述，特殊地质构造的影响、围岩自身力学性质差、水理、风化作用影响明显以及不合理的支护时机选择的共同作用，造成了海石湾矿6113工作面运输巷严重的变形失稳，在巷道围岩控制技术确定时需适时考虑上述因素的影响。

4 巷道围岩控制技术及参数设计

结合油页岩巷道变形破坏基本特征，在综合分析深部油页岩巷道围岩变形破坏机理的基础上，提出了高强预紧、适度让压、封闭裂隙、切断水源的围岩控制思路。

4.1 巷道支护参数设计

巷道掘进宽度4600 mm，高度3600 mm，断面积16.56m2，支护方案与参数见图2。为减少矩形断面在巷道肩角处出现的应力集中，将设计断面做圆弧化处理。

图2 巷道支护参数布置图

巷道顶板、巷帮均采用规格ø22 mm×2400 mm HRB335预应力让压锚杆，顶板锚杆间排距为700mm×700mm，帮锚杆间排距为750mm×700 mm，配合150mm×150mm×10mm 的碟形锰板托盘和高强螺母。采用ø18.9mm×8300mm 的小孔径预应力锚索补强支护，预紧力120～140kN，间排距为2000mm×700mm。顶板和两帮均铺设ø6.5mm 钢筋焊接网，网孔尺寸为100 mm×100 mm，搭接长度100mm，逐扣连接。钢带选用ø14 mm 钢筋焊接梯子梁。设计要求顶板锚杆预紧力矩不低于300N·m，两帮锚杆不低于200N·m。巷道开挖后保证顶板支护紧随掘进头，两帮支护滞后顶板支护的时间不超过4h，滞后20m左右全断面喷射混凝土。