高应力区穿层硐室围岩变形特征及其控制

2014-10-30梁博

中国科技纵横 2014年18期

关键词：砂岩巷道煤层

梁博

(山东东山王楼煤矿有限公司,山东济宁 272063)

高应力区穿层硐室围岩变形特征及其控制

梁博

(山东东山王楼煤矿有限公司,山东济宁 272063)

随着我国经济迅速发展,煤矿的开采深度不断增加难度越来越大,高应力区的开采技术要求越来越高,因此,对高应力区穿层硐室围岩变形特征的研究,有利于采取更有效的控制措施,从而提高煤矿开采过程的安全性,保证开采工作人员的生命安全。本文就高应力区穿层硐室围岩变形特征和形成原因进行叙述,提出相应的控制对策,以提高硐室围岩的支护有效性,促进煤矿深部开采高应力区穿层巷道支护技术水平不断提升。

煤矿开采高应力区硐室围岩变形特征控制对策

在煤矿开采过程中，高应力区巷道是威胁煤矿安全生产的重要因素，因此，加强对高应力区穿层硐室围岩变形情况的研究，分析高应力区穿层巷道被破坏的机理，可以不断创新巷道支护技术，对于提高高应力区穿层硐室围岩的支护稳固性具有重要现实意义。

1 高应力区穿层硐室围岩变形特征和形成原因

随着煤矿开采深度的不断增加，个别煤矿深度已经达到1100米以上，由于受到地质结构的影响，深层巷道的硐室围岩变形特征也逐步形成，给煤矿开采带来了许多困难。根据某煤矿开采情况来看，1100绕道的区域是主要轨道运输大巷，巷道深度为650米左右，因此，选取1100绕道的100米变形段为高应力区穿层硐室围岩变形特征研究段，其中，硐室的顶部为泥质粉砂岩和炭质泥岩混合层，最上层为细粉砂岩；底部为泥质粉砂岩和细粉砂岩的互层，最底层为中粗砂岩和砂砾岩混合层。

由煤矿现场开采情况可知，这个研究段为高应力集中区，并且受到穿层结构的极大影响，经常处于不稳定状态，给煤矿开采带来了极大安全威胁。研究段的高应力主要来源于构造应力、自重应力和采空区集中支承压力三个方面，同时，因为地质构造比较复杂，导致硐室穿层的布置呈现出弱结构状态，因此，多重压力情况下，硐室围岩表现出变形非常严重、难支护的弱结构高应力软岩硐室围岩特征，其破坏形态主要出现在底部、顶部和帮部三个位置，成为了制约煤矿开采向纵深发展的关键问题。

根据相关调查和研究分析得出，高应力区穿层硐室围岩变形的形成原因主要有如下几个方面。

1.1 围岩岩性方面

由于研究段的硐室的深度比较大，穿层硐室的煤岩是互相混合在一起的，煤体强度比岩体强度小很多，因此，硐室整体受力不均匀，经过多次返修和加固后，岩体内部结构发生了变化，裂缝产生，导致硐室围岩出现破碎和掉落现象，并且随着时间加长，围岩松动的范围会逐渐扩大，给硐室围岩的支护加固增加了很高难度。在对研究段进行高应力区穿层硐室围岩变形的研究时，使用钻孔内窥仪进行围岩内部结构的测试，发现松动范围达到了2米以上，使硐室围岩的整体性变得很差，自承能力被大大减弱，导致硐室围岩的煤层呈现出典型的强度不耦合特征，最终引起硐室围岩严重变形。

1.2 高应力方面

在进行煤矿开采时，研究采煤工作面较多，采空区周围的煤体受到多重支承压力叠加，形成比较集中的支承压力区，并且受到向斜构造的影响，原有的应力也比较高。因此，硐室围岩所受到的应力变化非常大，给围岩支护带来巨大压力，造成硐室围岩变形，从而形成经常返修的高应力软岩硐室围岩特征，大大增加了硐室围岩的支护难度。根据研究分析和相关计算结果可以得知，围岩在水平方向所承受的应力要大于竖直方向，因此，本文研究段的硐室围岩应力都达到了高应力水平，并且硐室正处于高应力集中区，在进行煤矿开采时，必须高度警觉，避免重大安全事故发生。

1.3 弱结构方面

由于研究段受到向斜构造的影响，硐室与煤层走向形成了一定幅度的夹角，并且煤层存在一定幅度的倾角，使煤矿开采的难度不断增加。与此同时，研究段的硐室斜穿过多层煤层，使硐室围岩的组成结构变得比较复杂，包括了全岩、全煤、半煤半岩等几种形态，从而形成了弱结构硐室。因此，硐室围岩的形态呈现出不对称现象，出现弱顶、弱底和弱帮同时存在的情况，导致各部分岩体的强度和结构表现出不耦合形态，最终引起硐室围岩各断面的局部首先受到破坏，使硐室围岩发生巨大变形，致使整个硐室受到破坏，给煤矿开采带来严重影响。

2 高应力区穿层硐室围岩变形的控制对策

为了提高煤矿开采过程的安全性，根据高应力区穿层硐室围岩变形的特征和形成原因，制定的控制对策如下：

根据硐室围岩的结构组成和煤层特征，选择锚网喷、锚注作为主要支护工具，其中，全岩段采用锚网喷和U型钢；全煤段和弱结构段都采用锚网喷和锚注，以进行不同程度的支承。由于高应力区穿层硐室围岩的结构比较复杂，硐室长期处于高支承压力状态，因此，需要将高应力进行分散，并形成有效的高强度支护体，以提高硐室围岩的支护稳定性，保证硐室的安全。首先，在硐室扩大后紧跟矿井工作面，用锚网进行支护；然后，等硐室所承受的应力分布稳定以后，硐室围岩会发生一定变形，及时选择合适位置使用锚网喷进行支护，从而达到分散高应力的目的；最后，由浅部位置向深部位置转移，以提高深部岩体的承载能力，使硐室围岩的结构保持耦合状态，并用锚注进行二次支护，将锚杆和注浆的作用结合在一起，最终达到加固硐室围岩、提高和改善硐室围岩性能的目的，以保证硐室围岩强度和岩体结构相耦合。

根据上述操作可知，第一次支护采用锚杆，第二次支护采用锚注，作为底角锚杆，并且扎入底层的角度要保持在30°左右，同时对底角进行锚注支护、锁角和强底操作，防止高应力软岩硐室围岩支护位移较大情况出现，从而使研究段硐室围岩变形情况得到有效控制。