辛置矿310轨道巷变形机理研究

郑斌斌

(霍州煤电集团公司 技术中心,山西　霍州　031400)



·试验研究·

辛置矿310轨道巷变形机理研究

郑斌斌

(霍州煤电集团公司 技术中心,山西霍州031400)

摘要霍州煤电集团公司辛置矿310轨道巷属于软岩巷道，使用中巷道收缩变形较大。采用相似模拟试验和矿物成分分析方法，得出了影响巷道收缩变形的因素，并提出相应的改进措施，以提高围岩的稳定性，减少巷道变形量，为巷道支护设计提供理论依据。

关键词巷道变形；相似材料；相似模拟；矿物成分

霍州煤电集团公司辛置矿设计生产能力250万t/年，井田面积46 km2，共有6个可采煤层;其中2#、10#、11#煤层稳定可采。正在开采的南采区包括310一采区和310二采区，开采煤层为2#煤。310轨道巷为南采区主要辅助运输巷道，断面为半圆拱，净宽4 600 mm，净高4 100 mm，采用锚杆、锚索、金属网联合方式支护，虽已进行了多次翻修，但3个月之后，巷道收缩变形严重，两帮回缩800～900 mm,顶板下沉800～900 mm，底鼓较为严重,达到1 000～1 500 mm. 众所周知，巷道掘进后收缩变形最直接的影响是巷道使用断面达不到设计断面的要求，使得巷道内设备布置困难，影响巷道的正常使用；巷道通风断面变小，风速增加，影响矿井正常通风；巷道顶板下沉、两帮移近、底鼓，特别是顶板下沉会造成严重的安全隐患，如果下沉的顶板冒落会危及人身安全；严重的巷道收缩变形会造成人员行走困难，底鼓造成的轨道变形会影响井下矿车正常运行。

改善巷道支护效果的前提是确定巷道收缩变形机理，而确定巷道收缩变形机理最直接有效的方法是相似材料模拟实验。通过建立具有可塑性的接近实际泥岩顶底板巷道空间物理模型，利用相似材料，模拟实际工程现场，进行顶板、底板、两帮同时加载试验，分析巷道全断面收缩变形机理，提供保障巷道不发生收缩变形的控制手段和方法。

1巷道收缩变形相似材料模拟实验

1.1相似材料模拟实验内容

在实验室利用相似材料，依据现场巷道围岩岩层柱状图和巷道顶底板岩石力学性质，按照相似材料理论和相似准则制作与现场相似的模型，然后进行模拟加载，在模型加载过程中对巷道围岩运动及围岩应力分布进行连续观测。根据模型实验的实测结果，利用相似准则，反推该条件下现场巷道支护时的顶板运动和围岩应力分布规律，以便获得围岩变形机理。

1.2相似材料选取

通过在310轨道巷钻取岩芯，利用岩石三轴试验机进行抗拉、抗压和剪切实验，得到顶板、两帮和底板泥岩物理力学性质参数，见表1.

表1　岩石物理力学性质指标测定成果表

根据相似理论，在模型实验中应采用相似材料来制作模型。相似材料的选择、配比以及实验模型的制作方法对材料的物理力学性质具有很大的影响，对模拟实验的成功与否起着决定性作用。在模型实验研究中，选择合理的模型材料及配比具有重要意义。根据本次相似模拟的实际需要及模拟岩层的力学性质，选择石英砂作为骨料，石灰、石膏作为胶结物，根据各种材料不同的配比做成标准试件，并测出其视密度、抗拉强度、抗压强度。具体各岩层强度对应的材料配比见表2.根据相似准则，相似材料主要以配比号为537的材料为主，同时考虑顶板和底板层状性质，适当加入配比号555的相似材料薄层，以更真实反应巷道顶底板岩层。

表2　砂子、石灰、石膏相似材料配比表

1.3实验装备及观测系统

模型实验台由3个系统构成：框架系统、加载系统和测试系统。框架系统规格为长×宽×高=1 200 mm×1 200 mm×300 mm.加载系统由模型架四周的油压千斤顶实现加载，用以模拟模型受到的应力作用。在模型表面铺设经纬网格，在经纬线的交点处插入标注物用以测量围岩位移。实验中使用由西安交通大学信息机电研究所研制的XJTUDP三维光学摄影测量系统。这种测量设备主要对模型表面位移进行图像监测，以透视几何理论为基础，利用拍摄的图片，采用前方交会方法计算三维空间中被测物几何参数。

1.4模型设计与制作

根据实验室条件和研究需要，选用卧式平面模型实验台，长度比αl=20，密度比αr=1.8，模型装填尺寸长×宽×高=1 200 mm×1 200 mm×300 mm.模拟的巷道埋深取480 m，由金尼克理论计算得到巷道受12.0 MPa的垂直应力作用。通过相邻巷道实测，由于存在压力拱，巷道实际垂直应力为5.98 MPa，相当于模型施加100 N应力。为此，对模型逐步加压到100 N，观测变形和破坏情况。考虑到310轨道巷可能受到动压影响，加压到200 N的作用力来模拟动力作用，其余方向固定边界。模拟重力和动力采用分步加载，每次加载100 N，共加载2次，加载由操作台控制。巷道周围设计位移监测点，共设置位移监测点59个，测点间距为10 cm，利用XJTUDP三维光学摄影测量系统实现位移监测。

巷道装填完毕及位移测点布置见图1、图2，利用XJTUDP三维光学摄影测量系统对模型中的位移测点进行识别，见图3.此时为模型的初始状态，模型不受力，巷道围岩无变形。模型加载后通过设备识别测点，并与初始状态进行比对，分析巷道围岩变形情况。

图1　模型装填及位移测点布置图

图2　初始状态测点布置图

图3　初始状态点识别示意图

1.5实验过程及结果分析

巷道初次加载至100 N时(相当于实际中巷道承受6 MPa的垂直应力)，巷道表面位移很小，见图4，5，围岩稳定。说明自重应力不是巷道变形的主要因素。当模型加载至200 N时(相当于实际中巷道承受12 MPa的垂直应力)，巷道变形明显，见图6，7，顶板下沉，底板鼓起，两帮收敛，且两帮收敛量大于顶底板移近量。顶底板变形量最大为24 mm(实际中为480 mm)，两帮最大变形量为30 mm(实际中为600 mm).巷道为直墙半圆拱形，因此，巷道顶板受力均匀，顶板呈整体下沉；巷道底板中部底鼓量最大。对巷道变形进行了素描，巷道变形特征见图8.

图4　加载100 N时巷道围岩破坏情况图

图5　加载100 N时巷道围岩变形采集图

图6　加载200 N时巷道围岩破坏情况图

图7　加载200 N时巷道围岩变形采集图

图8　巷道变形素描图

2巷道围岩矿物成分分析

掘进和工作面回采造成大量涌水从310轨道巷通过，水的存在可能是造成巷道底鼓的主要原因。

当底板为含蒙脱石和伊利石层等膨胀岩石时会产生膨胀性底鼓。底板积水时，水不仅与暴露的底板岩体发生接触，还会通过裂隙渗入到底板内部，加速底板围岩的强度丧失和体积膨胀，这又导致裂隙的进一步扩大，形成恶性循环。

对310轨道巷顶底板泥岩，利用γ射线衍生仪进行矿物成分分析，分析结果见图9.硬质矿物的XRD定性、定量分析结果如下(质量百分数)：

图9　γ射线衍生仪分析结果图

Quartz low石英33.2%；Kaolinite高岭石39.3%；Hydrotalcite水滑石3.8%；Muscovite白云母8.3%；Natrojarosite钠铁矾、钠铁闪长细晶岩15.5%.

其中：高岭石(Kaolinite)细粒、色白、化学性质稳定、吸水能力强、吸水后膨胀、硬度2～2.5、比重2.60～2.63、具有可塑性。

3影响巷道收缩变形的因素

从以上相似模拟实验和矿物成分分析结果可以看出，影响巷道收缩变形的因素主要有如下3种：

1) 围岩状态。

围岩性质和结构状态对巷道收缩变形起着决定性作用，310轨道巷顶板和底板均为泥岩，其中巷道顶板岩石的抗压强度为22.32 MPa，抗拉强度为2.75 MPa, 坚固系数f为2.2.巷道底板岩石的抗压强度仅为15.74 MPa，抗拉强度为2.75 MPa,坚固系数仅为1.6，属于松软岩层，坚固性不到普通砂岩的50%.当巷道受到应力时，因为围岩强度较低，势必造成顶板下沉、底板鼓起和两帮收敛。

2) 采动影响。

310轨道巷两侧均受到采动压力的影响，这种应力作用是不可避免的。从相似模拟实验的过程可以看出，加载100 N(巷道实际垂直自重应力)时巷道变形较小，而模拟动压加载至200 N时巷道收缩变形严重。

3) 水理作用。

从矿物成分分析结果可以看出，围岩中高岭石含量达到39.3%，遇水膨胀，造成巷道围岩收缩变形，而310轨道巷没有设计水沟，巷道底板长期存在大量积水，这也是巷道底鼓较为严重的主要原因。

4改进措施

1) 310轨道巷围岩属于松软岩层，巷道易发生大变形，建议采用注浆的方式加固巷道围岩，改变围岩的力学性质，提高围岩的稳定性，减少巷道顶板下沉和两帮移进。

2) 加大停采线距310轨道巷的距离，或采用爆破、水压致裂的方式在停采线处切顶，减少工作面回采引起的岩层移动导致的应力重分布对310轨道巷的破坏，减少巷道变形量。

3) 由于围岩中高岭石含量较大，遇水膨胀，而310轨道巷没有设计水沟，巷道底板长期存在大量积水，导致巷道底鼓严重，应采用挖水沟的方式把水集中到水沟处，减少水对巷道底板的作用范围，减少巷道底鼓量。

4) 调整采掘衔接关系。工作面布置由沿310轨道巷巷口向巷道末端方向布置，改为沿310轨道巷末端向巷口方向布置，减少310轨道巷巷口至巷道中部位置受到的采动影响时间，减少该部位巷道变形时间，进而减少巷道变形量，把受采动影响时间长部位的布置调整至310轨道巷末端位置。新的采掘衔接安排可以在310轨道巷末端附近的工作面采完后关闭310轨道巷相关部位，这样即使310轨道巷末端部位巷道受采动影响而发生大变形也没有必要返修巷道。

参考文献

[1]邓雨天.关于软岩巷道地压与支护的基本观点[G]∥软岩巷道掘进与支护论文集.北京:煤炭工业出版,1985:31-35.

[2]何满潮.软岩工程岩体力学理论研究最新进展[J].长春科技大学学报,2001,30(增刊):13-17.

[3]何满潮.软岩工程设计的新阶段-非线性大变形力学设计[J].岩土工程界,1998(9):26-29.

[4]何满潮.软岩变形力学机理与支护对策[J].广西煤炭,1992(1):20-24.

[5]林育良.软岩工程力学若干理论问题的探讨[J].岩石力学与工程学报,1999,18(6):690-693.

Research on Deformation Mechanism of 310 Track Roadway in Xinzhi Coal Mine

ZHENG Binbin

AbstractIt belongs to soft rock roadway of 310 track roadway in Xinzhi coal mine, and the shrinkage deformation is larger in service. Using the similar simulation test and mineral composition analysis method, obtains the factors of affecting the roadway contraction deformation. Puts forward the corresponding improving measures to improve the stability of surrounding rock, reduce the deformation of roadway. It provides the theoretical basis for roadway supporting design.

Key wordsRoadway deformation; Similar material; Similar simulation; Mineral composition

中图分类号：TD315

文献标识码：A

文章编号：1672-0652(2016)02-0027-04

作者简介：郑斌斌(1987—)，男，山西长治人， 2010年毕业于山西大学，助理工程师，主要从事煤矿技术创新及管理工作(E-mail)648011806@qq.com

收稿日期：2015-12-28