杨家村矿弱胶结软岩大断面煤巷变形特征研究

李 清，侯 健，曹怀建，2，杨鸣泽

（1.中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京100083；2.霍州煤电集团河津腾晖煤业有限责任公司，山西河津031400）

采选技术

杨家村矿弱胶结软岩大断面煤巷变形特征研究

李 清1，侯 健1，曹怀建1，2，杨鸣泽1

（1.中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京100083；2.霍州煤电集团河津腾晖煤业有限责任公司，山西河津031400）

黏土为分析杨家村矿弱胶结软岩大断面煤巷变形特征，采用现场调研、室内实验、现场实测手段对围岩物理力学性质与围岩位移曲线演化过程进行较深入探究，结果表明：岩石软化系数约为0.23，属于软化岩石；围岩具有易吸水、膨胀、强度低、胶结性差，且易发生塑性变形的物理力学特征；顶板围岩变形整体大于底板与帮部；不同区段顶板围岩位移程度具有差异性；顶板深基点岩层位移大于浅基点岩层位移；岩层位移曲线总体上初期变化速率较快，后期呈“台阶”式演化特征，各基点曲线演化过程在时空上近似同步；缩小巷道宽度，改变支护锚固方式，提高支护强度，适度泄水与排水并及时喷浆封闭围岩，有助于维护该类巷道围岩稳定。

弱胶结软岩；大断面煤巷；软化系数；岩层位移

随着我国东部地区煤炭资源的日益减少，煤矿开采方向逐渐由东部地区向煤炭资源产量丰富的西部地区转移。西部地区，煤层埋藏较浅，煤层硬度系数较大，巷道围岩多为砂质泥岩、泥岩，其次为粉砂岩，水平层理发育，围岩具有易软化、强度低、胶结能力差等物理力学性质［1-4］，巷道顶板围岩变形较大，具有一定的不稳定性，给巷道围岩的控制和

矿井“高效、生产”带来较大难题。本文以内蒙古杨家村矿414108辅助运输大巷为工程背景，采用室内实验、现场实测相结合的手段，较深入分析巷道围岩变形特征及其成因，在此基础上提出相关支护对策，为该类巷道围岩变形控制和矿井安全生产提供可靠依据。

1 工程概况

图1 综合柱状图

414108辅运大巷采用锚网索支护形式，顶板锚索呈大三花布置，锚索间排距1800 mm×2000mm，锚索规格为Φ17.8mm×5200mm，锚固力大于100k N；顶锚杆间排距900mm×1000mm，锚杆规格为Φ20mm×2400mm的左旋预应力树脂锚杆，肩部锚杆与巷道顶板夹角大于75°，锚固力大于85k N，第一排4根锚杆、2根锚索，第二排6根锚杆，第三排4根锚杆、2根锚索，三排如此间隔布置；每根锚杆采用二块MSCK2350型树脂药卷，锚固长度1m，每根锚索采用四块MSCK2350型树脂药卷，帮部锚杆采用1根规格Φ16mm×1800mm的全螺纹钢树脂锚杆，长度，帮锚杆距顶板表面1100mm处，排距2000mm，向上倾角10°，底板铺设200mm厚的混凝土地坪，混凝土强度等级为C30，巷道支护断面图如图2所示。根据现场调研，两帮无基本相对移近，底板底鼓较小，但一定范围内顶板围岩下沉变形较严重，顶板锚索托盘与钢带弯曲明显，菱形网锈蚀强烈，片帮、泥化等现象，如图3所示，因此研究该类巷道顶板围岩变形特征和成因对于维护该类巷道围岩稳定具有重要的参考依据。

图2 巷道支护示意图

2 围岩物理力学性质

2.1 围岩矿物成分分析

采用钻孔取样设备，进行现场取样，采集位于距顶板4～5.2m段、5.5～6m段岩层式样，岩性为砂质泥岩。采用D/MAX2500型X射线衍射仪，对岩层中的矿物种类与含量以及黏土矿物相对含量进行充分分析，为研究围岩的变形破坏机制提供试验依据。实验结果表明，距顶板4～5.2m段，矿物种类包含石英占55%，钾长石占10%，钠长石占11.9%，菱铁矿占5.7%；黏土矿物含量包括蒙脱

石占14%，伊利石占5%，高岭石占73%，绿泥石占8%。距顶板5.5～6m段，矿物种类包含石英占55.4%，钾长石占14.4%，钠长石占11.6%，黄铁矿占1.4%；黏土矿物含量包括蒙脱石占15%，伊利石占6%，高岭石占73%，绿泥石占6%。其中，高岭石吸水性强，遇水易呈塑性状态，蒙脱石吸水后体积易膨胀，因此，围岩具有易吸水、膨胀，易产生不可恢复塑性变形。

2.2 岩石软化性试验

为研究414108辅助运输大巷顶板围岩遇水软化的性质，位于同一岩层层位，通过现场取样进行加工成圆柱形试件，岩性为砂质泥岩，采用TW-3000微机控制电液伺服岩石三轴试验机进行单轴压缩，分别得到该类岩石在饱和状态与干燥状态时的平均单轴抗压强度，计算其软化系数，首次定量分析该类顶板围岩的软化程度，饱和状态与干燥状态试件通过编号各三组，如图4所示。

图3 巷道围岩与支护变形

图4 砂质泥岩单轴试件

由于加工条件的限制，较难加工成标准的岩石圆柱形试件，结合式（1）对实验结果可进行修正［5］。式中：H/D为高径比；Sc为高径比为2的试件的单轴抗压强度；S'c为高径比H/D的试件的单轴抗压强度。

软化系数计算，可根据式（2）进行计算［6］。

式中：ηo为岩石软化系数；Rcw为水饱和岩石试件的单轴抗压强度，MPa；Rc为干燥岩石试件的单轴抗压强度MPa。

试件尺寸采用游标卡尺进行量测，实验数据结果见表1。

如表1可知，试件处于干燥状态下的抗压强度明显高于饱和状态下的岩石试件，其最高值可达24.05MPa，饱和状态下其抗压强度明显较低，最高仅为5.63MPa。表明，该类岩石处于受水影响较小时，或无水影响的状态下，其具有较好的承载能力；结合式（2），可得该类岩石的软化系数为0.23，小于0.75，表明该类岩石软化性较强，工程地质性质较差，属于易软化岩石。

实验结果表明，该类巷道顶板围岩具有易吸水、膨胀、易软化、强度低、易发生塑性变形等物理力学特征，工程地质性质差，属于工程软岩，不利于巷道顶板围岩稳定。

3 顶板围岩多点位移计监测

对顶板不同深度进行多点位移监测，可得顶板离层位置与分布，顶板弱化高度与范围［7］。沿巷道掘进方向共布置3个测站，测站间距60m，位移-时间曲线如图5所示，监测锚杆锚固区内、锚杆锚固区外、锚索锚固区内与锚索锚固区外岩层的离层情况。

如图5（a）所示，各基点位移曲线总体变化趋势较缓和，锚固区范围内外岩层较稳定。监测时间约37d，1#基点、2#基点位移增加量约5mm，后期处于稳定状态，3#基点、4#基点位于锚杆锚固区外、

锚索锚固区内，监测时间约12d，3#基点处岩层位移量增加为2mm，4#基点位移值一直为0mm，根据现场调研，连接该基点处的测线安装较松动，失去监测效果。5#基点位于锚索锚固区外，该基点处岩层位移曲线其变化趋势同3#基点，在时间上具有同步性。

如图5（b）所示，各基点处岩层位移都具有一定的变化，变化时间间隔较短。监测时间约4d，5#基点岩层位移增加量为11mm，增加幅度较大；监测时间约8d，1#基点、2#基点、3#基点、4#基点处岩层位移量开始增加，增加值分别为2mm、2mm、1mm、1mm，5#基点岩层位移进一步增加，累计增加量为53mm，表明随着浅部岩层位移量的增加，深部岩层层间胶结能力弱化程度加大；监测时间约12d，1#基点、2#基点、3#基点、4#基点处岩层位移较稳定，5#基点岩层位移累计值达80mm，监测时间约13～66d，5#基点位移曲线呈现“台阶”式的变化特征，位移累计增加值达120mm，表明该测点处锚索锚固区外岩层处于相对不稳定状态。

如图5（c）所示，各基点位移曲线初始变化速率较快，曲线演化具有近似的同步性，“台阶”特征较明显。监测时间约8d，各基点处岩层位移曲线变化速率较较快，各基点位移增加值分别为25mm、46mm、40mm、43mm、61mm，其中，5#基点位移增加量最为显著；监测时间约24d，各基点位移曲线基本同时处于短时间稳定状态，但监测时间至62d，各基点位移曲线相继呈现“台阶”式的增长特征，各基点位移累计增加量分别为77mm、127mm、135mm、142mm、142mm、150mm，各基点位移量近似同步增加，表明该测点各基点处岩层同时处于较不稳定状态，顶板弱化高度近似可达7.2m。

表1 饱水状态与烘干状态岩石单轴压缩实验数据

图5 顶板多点位移计监测曲线

4 巷道围岩演化特征及成因

结合现场调研、室内试验和矿压监测，巷道围岩变形特征与形成原因如下所述。

1）顶板围岩变形整体大于底板与帮部。顶板围岩受弱含水层影响较严重，局部锚索锚固段位于弱含水层中，锚固效果降低，支护强度裂化，同时该辅运巷道属于大断面巷道［8-10］，加大了顶板的悬露面积，因此巷道顶板下沉变形较大，甚至顶板局部位置发生拉裂现象；由于煤层坚固性系数较高（f=

2），最大可达3，且底板铺设200mm厚素混泥土，因此，帮部与底板较稳定。

2）不同区段顶板围岩位移具有差异性。受各方面综合因素影响，巷道围岩体属于各项异性材料，位于不同区段的顶板岩层，其围岩体的物理力学性质，围岩承载能力，支护的锚固效果等存在一定的差异性，因此围岩位移具有一定的差异性。

3）顶板深基点岩层位移大于浅基点位移。顶板围岩含水层范围约为5～7m，锚索长度5.2m，锚固段受含水层影响较大，且岩层层理发育明显，从现场获取顶板较大、较厚块体来看，多含以沉积残留树叶为主的泥化软弱夹层，加之围岩多含易吸水软化、膨胀性矿物，因此，受弱含水层影响后，深部岩层层间凝聚力降低，胶结能力弱化程度高于浅部岩层，锚索悬吊作用效果差，而浅部锚杆组合梁支护效果影响程度低，因此，深基点岩层位移整体高于浅基点。该类围岩的此种特性，也是其称之为“弱胶结软岩”的主要原因。

4）位移曲线初期变化速率较快，后期呈“台阶”式演化特征，演化过程具有近似同步性。初期由于巷道开挖卸荷作用，围岩内部聚积的变形能突然释放，位移曲线速率快，施加支护后，围岩逐渐恢复三向受力状态，锚固体凝聚力增加［11］，但由于岩层内部受弱含水层和掘进扰动影响，以及裂隙水自上而下渗透，锚固区内外岩层层间胶结能力随时间推移具有不同程度的弱化，岩层层间凝聚力逐渐衰减，当凝聚力初次小于层间抗拉强度时，岩层位移（即离层）发生，初次弱化过程时段较长，随着裂隙水的逐渐渗透，岩层离层范围岩层理水平扩展，离层量继续增加，由于是在初次离层基础上继续弱化，因此，后期弱化时间变短，如此反复，致使位移曲线呈“台阶”式演化特征，且演化特征同步。

5 结论与建议

1）该类巷道顶板围岩具有易吸水、膨胀、强度低、胶结差以及易塑性变形的物理力学特征，岩石软化系数约为0.23，属于软化岩石，工程地质性质差。

2）围岩变形以顶板下沉为主，总体呈现较明显的“台阶”演化特征，顶板围岩不同深度岩层位移曲线在时空上具有一定的同步性，深部岩层位移略高于浅部岩层位移，局部顶板弱化高度可达7.2m。

3）巷道宽度较大，加大了巷道顶板变形，提高了局部围岩剪切力和受拉力，围岩剪切破坏与受拉破坏较严重，不利于控制巷道顶板围岩稳定。

4）结合巷道围岩变形特征，建议缩小矩形巷道宽度，改变支护锚固方式，提高支护强度，适度泄水和及时喷浆封闭围岩可有助于维护该类巷道围岩稳定。

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Research into the deformation characteristics of coal roadway with weakly cemented rock strata and large section in Yangjiacun mine

LI Qing1，HOU Jian1，CAO Huai-jian1，2，YANG Ming-ze1
（1.School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology（Beijing），Beijing 100083，China；2.Teng Hui Coal Industry Co.，Ltd.，Huozhou Coal&Electricity Group，Hejin 031400，China）

In order to analyze deformation characteristics of coal roadway with weakly cemented rock strata and large section in Yangjiacun mine，instiuation investigation，laboratory experiments，and institution monitoring were adopted to research the physical-mechanical characteristics of surrounding rock and evolutionary traits of displacement curves.The results show that the softening coefficient is approximate to 0.23，and the rock is belong to softening rock；the physical-mechanical characteristics of surrounding rock include water absorption，dilation，low strength，inferior agglutination，and is apt to plastic deformation；the deformation in roof is the highest；the deformation of roof has differences at different parts；the displacement at deep base point is superior to shallow point；the velocity of displacement curve is faster at the beginning phase and the characteristic of curve shows step in the next period；the evolutionary process of curve keep the same pace in the time and space among the base point；shrinking width of roadway，changing the style of anchorage，enhancing support strength，draining away water and guniting and sealing surrounding rock in time which are helpful to keep surrounding rock stability.

weakly cemented rock strata；large section roadway；softening coefficient；rock strata displacement

TD263

A

1004-4051（2016）09-082-05

2015-12-06

国家自然科学基金项目资助（编号：51374212；51134025）作者简介：李清（1969-），男，湖南岳阳人，教授，博士。E-mail：liq @cumtb.edu.cn。

侯健（1988-），男，安徽芜湖人，博士。E-mail：kdhoujian@ 126.com。