泥质软岩巷道支护技术研究与实践

2016-09-18李建民耿清友刘红旗

采矿与岩层控制工程学报 2016年4期

关键词：棚子软岩斜井

李建民，耿清友，2，刘红旗，2

（1.开滦（集团）有限责任公司，河北唐山063018；2.华北理工大学河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北唐山063009）

泥质软岩巷道支护技术研究与实践

李建民1，耿清友1，2，刘红旗1，2

（1.开滦（集团）有限责任公司，河北唐山063018；2.华北理工大学河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北唐山063009）

开滦林南仓煤矿泥质软岩巷道的水化流变特征极为显著，通过地应力测试、岩石三轴压力试验、XRD成分测试、SEM微观形貌观测，结合理论分析，研究了该类围岩的变形失稳机理，提出了锚杆+双层棚子的锚架充联合支护方法，现场施工中严格治水措施跟进和调整优化工序衔接，解决了该矿泥质软岩在深部区域的支护难题，为相似围岩条件的巷道稳定支护提供了借鉴。

泥质软岩；巷道支护；大断面；流变

随着我国中东部煤矿开采相继转入深部，“三高一扰”成为巷道地质力学环境中的常态化现象，部分矿井循环进度受制于后路变形而停滞不前，前掘后修面临的压力巨大，生产衔接计划极为紧张。为解决该类问题，相关单位在围岩地质力学解析、物理和数值模拟实验、矿压监测信息反馈、施工方法优化和支护方案改进等方面，开展了卓越的科研实践，全面推动了我国煤矿软岩巷道的支护技术水平［1-3］。然而，对于不同区域巷道的围岩强度、力学环境、水解软化性质、变形特征会有所差异，其变形失稳的主导机制可能大相径庭，进行巷道稳定支护的措施和方案则应有的放矢、对症下药［4-6］。以开滦林南仓矿为例，煤12底板岩性为灰白色中粒砂岩，在-650m水平该类围岩巷道采用常规的锚喷或架棚壁后充填支护，尚能基本保障长期稳定［7］，但在-850m水平斜井小断层切割段，同样支护方案巷道不能自稳，60d内收敛变形率达40% ～60%［8］。本文基于理论分析、岩性测试和现场实验，分析研究了-850m水平区域围岩的地应力环境，研究了斜井支护结构变形失稳的微观机理，给出了锚喷+双层棚子+壁后充填的支护方案，实现了深部软岩巷道的整体稳定。

1　工程概况

开滦林南仓煤矿设计生产能力1.2Mt/a，主采煤层煤11和煤12，在开采顺序上煤12先行开采为煤11（三软煤层）卸压。矿井开拓巷道年进尺在1200m左右，维护工程达900m，主要层位施工在煤12底板的灰色或灰白色泥质砂岩中（俗称白砂矸），该类岩石见风遇水软化，具有一定的膨胀性，黏土矿物含量较高，在-650m区域的南石门掘进中，采用常规锚喷或29U支架壁后充填尚能保障巷道的长期稳定，仅在有长期导水条件的Fa断层附近，连续套修了3次，后期采用全断面布筋浇筑混凝土的强力支护方法，较好解决了该类支护难题。2013年，随着-400m和-650m水平资源保有量的趋紧，按计划施工打通了-850m水平的2条斜井工程，分别为301胶带和302回风斜井，如图1所示。2条斜井间距15m，长度800m左右，设计层位为煤12底，因地层起伏及断层影响，需要依次施工在煤12底、煤12半底、煤12、煤12顶中，其中斜井下车场则穿越煤11直至煤8底。巷道施工后，先后尝试了锚喷支护和29U架棚支护，锚杆规格为ϕ20mm-2000mm，间排距700mm× 700mm，29U架棚的架型为 4800mm×3200mm（13.36m2），但煤12底的前段150m初掘巷道90d的两帮移近量为530～2440mm，平均1250mm，顶底板移近量为873～2005mm，平均1410mm，巷道变形速度和变形量均远高于-650m区域的同层位巷道，为确保施工安全和实现稳定高效支护，亟待开展巷道变形机理和支护优化的科研实践。

2　实验和理论分析

2.1地应力及岩性测试

采用KX81型地应力测试装置，在301胶带斜井的外帮（非隔离岩柱帮）设置了3个应力测试孔（标高-750m前后），进行了空心包体法应力解除实验。经应变数据的应力反馈计算，确定该区域地应力为 σ1=28.4MPa，σ2=20.05MPa，σ3=19.29MPa，σ1方向垂直-850m斜井轴线，σ3平行于其轴线水平投影，σ2近似垂直应力。

为系统掌握煤12底的岩性特征，依据《工程岩体实验方法标准》（GB/T50266-99），现场采集岩块并制作ϕ50mm×100mm，50mm×50mm×50mm立方岩样，分别开展了三轴、剪切和抗拉强度测试，岩样分为饱和浸水（完全浸润48h）和干燥（105℃烘干12h）两类条件。三轴强度测试共取5～30MPa间6组围压值，每组岩样3个，先加围压至设定值后再加轴压，轴压加载速率0.2mm/min，直至岩样破坏。测试结果表明，岩块的三轴抗压强度最大在25MPa围压下可达198MPa，干试件单轴抗压强度为 55.2MPa，饱水岩样为31.7MPa，按目前埋深的自重压力评价，三轴状态下可处于弹性状态，而无水围岩在硐表为临界失稳状态，饱水时为塑性状态。岩石的塑性应变极限为0.2%～0.4%，残余应力表征不明显，说明该类岩石峰后残余承载能力低，一旦突破应变极限，破碎松动区将很快发展。剪切和抗拉强度实验结果显示，饱水试样抗拉强度平均为1.38MPa，弹性模量为2.82～4.03GPa，黏聚力为1.33～2.08MPa，内摩擦角为32.05～35.68°。

2.2微观测试和膨胀性能测试

泥质软岩作为煤系地层中广泛存在的一种水解型岩层，以白色、灰白色或灰绿色砂岩为主，在两淮矿区、广西那龙矿区、铁法矿区、开滦矿区等均有分布，总体表现为巷道自稳期长、非线性非弹性变形量大、水化或风化特征明显，巷道围岩的应力腐蚀、裂隙扩展、水解软化等多种物理现象的叠加，给支护设计与优化带来了极大难度，变形机理的解析极为复杂。以扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和能谱仪测试了煤12底板白砂矸的微观裂隙开度及黏土矿物成分。根据样品SEM概貌可见，结构较松散，孔洞、裂缝较发育，粗大裂隙发育丰富，孔洞以黏土晶间孔为主，矿物形态以片状铝硅酸盐为主。能谱测试显示煤12底板白砂矸表面主要元素为Si，Al，Na，K，Ti，Fe，推测主要的物相为高岭石、伊利石等片状黏土矿物、长石、石英，有机质含量较少。XRD相对含量测定显示，黏土矿物总含量71%，高岭石K相对含量34%，伊利石/蒙脱石混层I/S相对含量61%，绿泥石C相对含量5%。

膨胀性能测试采用岩石自由膨胀率测定仪。试样块度为ϕ50mm×14mm的圆柱体，水介质采用矿井水，实验开始的1h内每15min记录1次百分表显值，之后每1h记录1次，12h后每3h记录1次，48h后每3h记录1次，直至相邻两次表显数值相同，进而求其自由膨胀率。根据3d内的周期观测，1～4号径向稳定后的表显值分别为0.051，0.032，0.033，0.041；轴向 4号的表显值为0.017，其余显示为0.000。则其径向膨胀率为0.157%，轴向膨胀率为0.121%。

2.3等效开挖的岩石力学理论分析

目前，岩石力学的理论水平可以实现圆形硐室开挖的弹塑性解析，为指导支护强度匹配和断面设计、判定薄弱点位等提供了理论基础。然而，煤矿巷道断面以直墙半圆拱、矩形或马蹄形居多，较难直接开展圆形开挖的理论计算，一般方法是以等效圆替代来实现非圆断面到圆形断面的规整。本文基于强度储备的要求，以外接圆作为等效圆，考虑剪胀角对巷道周边塑性区的影响，分析方法上引入SALENCON的研究成果，变无关塑性流动为相关塑性流动，较之传统的卡斯特纳或芬娜公式更具指导价值。计算岩石的泊松比0.3，剪胀角10°，均布压力24.25MPa，其余参数取2.1节结论，编制SALENCON公式的计算程序，分别计算饱水围岩和干围岩两类条件下，不同支护方式单巷开挖塑性圈半径、巷表位移、巷表切应力，结果见表1。巷道断面规格为直墙半圆拱形，宽度5.8m，高度4.0m，净断面20m2，无水和饱水围岩的松动圈半径平均为5.76m和4.43m，对应塑性区厚度分别为1.53m和2.89m。按照相邻圆形巷道开挖扰动的有限元分析结论，巷硐净间距d等于2倍塑性圈半径Rb时，第2条巷硐开挖会使第1条侧帮周边附近最大应力增大7%；而d等于Rb时，该值增大21%；d为0.5倍Rb时，最大应力增大51%。无水状况下二者之比大于2，临近扰动可以忽略，但饱水条件下该值低于2，临近扰动已经开始显现。这种二次应力分布的叠加作用在变形监测中亦有所体现，应在施工设计中给以足够重视。在现场施工过程中，因-850m斜井小断层切割频繁，巷内岩壁出水点多而分散，造成巷道大面积长期浸润，与饱水状况类似，此外泥质胶体的随水流失，进一步弱化了围岩的承载性能。

表1　等代圆法力学计算结果

2.4变形失稳机理分析

由前述实验及理论分析可见，-850m水平斜井工程中，第一主应力级别开始接近其饱水单轴抗压强度，而且第一主应力方向垂直巷道轴线，按照软岩类别划分已属于典型的工程软岩范畴。由于煤12底围岩在初掘自然含水状态下具备一定的强度，采用与-650m区域相似的常规支护方法，成巷时围岩自稳是可以实现的。然而，随着断层揭露和地层水的浸润，高岭石的晶体吸水量逐步增加，岩石性质逐步软化，这一过程伴随着巷道开挖后的二次应力调整，巷道周边可导水的宏观裂隙进一步扩展，微观裂隙进一步发育，一旦突破原有的锚固范围或支架护表强度，因流变造成的支护结构失稳则不可避免。上述过程中，支护结构失效或围岩失稳的关键需要满足两大条件，其一为围岩有较高含量的蒙脱石、高岭石或伊利石等黏土矿物，为浸水软化、膨胀提供物质基础；其二为巷道水文情况较为复杂，有长期接触矿井水或工程用水（降尘水、设备冷却水、打钻水等）条件，导致泥化进程能长期进行下去，以流变形式反映在巷道表面收敛变形中。

3　支护技术及施工方案优化

为实现林南仓矿-850m水平斜井稳定支护和安全施工，确定采用锚杆作为初掘支护，后期架设双层棚子进行补强支护，双层棚子间喷射混凝土进行充填。根据支护强度分析，将形成3层支护体系，即最外层为锚杆，中间层为大棚子，内层为小棚子，极限支护强度可达0.8MPa。巷道开挖断面为直墙半圆拱形，宽度为6.85m，高度4.55m，初掘后采用ϕ20mm-2000mm锚杆进行临时支护，间排距为700mm×700mm，紧跟迎头喷射厚度50mm 的C20喷层，及时封闭围岩。滞后迎头15～20m架设6800mm×4500mm的29U大棚子，并在内层架设5800mm×4000mm的29U小棚子，棚距600mm，双层棚子间喷射C20混凝土填实（图2）。施工中严格治水管理，对工程用水和地质水及时疏导，顶板出水沿着顶板铺设废弃风筒布引入水沟，如有底板水则每隔20m随迎头挖设小水窝，由水泵排入水沟，这样避免了断层出水或工程水对巷道围岩的长期浸泡，富含高岭石的围岩被阻断了水解软化进程，基本保持了原岩强度。

经为期180d的巷道表面收敛观测，内层棚子的中左和中右收敛变形分别为59mm和85mm，平上和平下分别为112mm和287mm，水沟侧棚脚稍有内扎，棚架受力稳定，断面保持良好，实现了斜井后续工程的正规循环施工，单月成巷达到了65m的原计划进度。

图2　锚架充支护参数

4　结论

开滦林南仓矿-850m水平斜井施工中，富含高岭石的泥质围岩因高地应力、构造切割、水解软化的多种作用，导致锚喷常规支护手段失稳失效，给安全施工和运营带来极大难度。采用地质力学测试，SEM，XRD等微观测试方法，结合理论分析，查明了该类围岩的变形失稳机理，对支护强度、支护参数进行了优化调整，提出了及时治水的举措，在保持原有围岩强度的同时，通过锚喷+双层棚子+壁后充填的强力支护方案，实现了巷道的稳定支护，取得了较好的技术经济效果，全面指导了该矿深部三水平开拓巷道施工，为相似条件的软岩巷道支护提供了宝贵借鉴。

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［责任编辑：毛德兵］

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