深部高地应力软岩巷道支护技术研究

2019-02-19王怀伟张鹏冲

煤炭工程 2019年1期

王怀伟，张鹏冲

(1.大同煤矿集团四台矿，山西大同 130021；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

近几年随着我国煤矿开采深度的增加，掘进巷道的原岩应力越来越大，深部高应力软岩巷道逐渐增多，软岩巷道支护难题日益凸显，在一定程度上给矿井的安全生产造成了影响。软岩巷道与一般的岩石巷道不同，开挖后其巷道的围岩自承能力较弱，巷道往往在一开挖后就呈现出蠕变状态，表现为顶帮变形较大，巷道底鼓较严重，且巷道维护成本高，需要采取一系列的措施来保证巷道围岩整体结构的稳定性[1-4]。

1 工程概况

宁夏红四煤矿煤层埋深较大，最大深度超过900m，属于深井范畴。煤矿深部开采必然伴随着高地应力的出现，在高地应力的作用下，围岩变形明显，巷道产生变形和破坏更加严重。

红四煤矿+280m水平西翼轨道石门埋深947m，埋深较大，巷道先后穿过砂岩泥质、粉砂岩、砂质泥岩、细砂岩和第八含水层等，岩层倾角在17°左右，由地质资料可知，巷道表面围岩岩性较差，岩层裂隙发育、完整性较差，地质条件复杂多变，为典型的深部高应力软岩巷道，巷道支护难度较大。为有效控制巷道围岩变形，在该矿+280m水平西翼轨道石门开展了巷道围岩地质力学参数测试，通过测试合理确定了巷道支护参数，形成有针对性、实用的支护技术方案[5]。

2 地质力学参数测试

2.1 围岩岩性

由钻孔观测结果可知，+280m水平西翼轨道石门顶板以上0～3.9m为砂质泥岩，泥质胶结，裂隙发育；3.9～6.5m为粉砂岩，含有多个夹层，完整性较差；6.5～9.3m为砂质泥岩，泥质胶结，其中6.5～7.4m岩层完整，7.4～8.1m岩层比较破碎，8.3～8.9m岩层完整，8.9～9.3m岩层有纵向裂隙，9.3～9.9m为细砂岩，岩层较为完整。综上可知，巷道围岩探测范围普遍存在离层和裂隙，特别是巷道围岩表面破坏情况更为明显，围岩岩性整体较差。

2.2 围岩强度

利用WQCZ-56型围岩强度测试装置对巷道顶板以上及巷帮10m范围内的岩体进行了原位强度测试，测试数据经过统计、分析和换算可知，该测站顶板以上砂质泥岩段平均抗压强度为35.90MPa；粉砂岩段平均抗压强度为51.83MPa；砂质泥岩段平均抗压强度为37.66MPa；细砂岩段平均抗压强度为55.51MPa。由测试结果可知，轨道石门帮部岩体抗压强度平均值为33.43MPa。整体来看，所测岩层强度中等偏低，但由于岩体中普遍存在裂隙和夹层，围岩的整体强度进一步降低。

2.3 地应力

利用SYY-56型水压致裂地应力测量仪进行地应力测试，测点到读数仪的垂直距离17.1m处水力压裂曲线如图1所示[6，7]。

由图1可得出，破裂压力Pb为16.04MPa，重张压力Pr为10.49MPa，瞬时关闭压力Ps为9.33MPa。

最小水平主应力σh、垂直应力σv、最大水平主应力σH计算公式如下：

σh=Ps-γwh

σν=γH

σH=3Ps-Pr-2γwh

式中，γw为水的容重，N/m3；γ为上覆岩层容重，N/m3；h为测点到读数仪的垂距，取h=17.1m；H为测点埋深，取H=929.9m。

代入Ps、Pr读数值计算可得，测点最大水平主应力σH=17.08MPa，最小水平主应力σh=9.12MPa，垂直应力σv=23.25MPa。

3 深部高地应力软岩巷道控制原则

针对该煤矿+280m水平西翼轨道石门埋深大、地应力水平高、地层中夹层较多、岩层倾角大等地质条件，在分析围岩岩性、围岩强度、地应力分布特征的基础上，提出以下巷道支护系统与参数选取原则。

1)提高锚杆、锚索支护强度。深部高地应力软岩巷道具有变形速度快、变形量大的特点，较小支护强度的锚杆、锚索对围岩大变形的敏感适应性低，不能及时地形成强有力的支护承载结构，使得巷道围岩塑性区、破坏区向深部围岩扩展，围岩变形进一步恶化。因此，需要提高锚杆、锚索的支护强度改善支护承载结构的力学性能，有效抑制围岩变形。

2)帮顶互控。在高应力作用下两帮软弱岩体首先发生破坏，随着变形量的增大，巷道两帮对顶板的支撑承载能力减弱，从而影响顶板的围岩稳定性，而顶板的破坏使得围岩塑性区范围扩大向巷道两帮扩展，深部应力集中程度增大，使得两帮围岩变形进一步恶化，可见顶板与两帮的围岩稳定性是相互关联与影响的，因此，在加强顶板支护时也要重视两帮支护，避免帮顶破坏的恶性循环，实现帮顶互控[8-11]。

3)锚索及高应力锚杆结构补偿。在高应力作用下巷道顶板肩窝、巷道两帮为支护承载薄弱环节，容易产生结构性失稳，采用锚索及高应力锚杆结构补偿可提高围岩体结构稳定性，提高整体稳定性。