多重因素影响下煤矿运输大巷稳定性支护策略研究

2019-04-09王虎芳

山东煤炭科技 2019年3期

王虎芳

（山西省长治经坊煤业有限公司，山西长治 047100）

1 工程概况

经坊煤矿运输大巷设计埋深为450m，采用直墙半圆拱形，设计尺寸为宽×高=4800mm×4200mm，为全岩巷道，围岩类型主要为砂质泥岩、粉砂岩与泥岩，原支护方式为锚网索梁喷支护，支护参数为：锚杆选择Ф20mm，长度2200mm左旋螺纹钢锚杆，间排距均为800mm；锚索选择Ф17.8mm，长度6000mm，间排距均为1600mm；锚杆、锚索预紧力分别为：60kN、80kN。原支护设计见图1所示。

2 巷道围岩变形破坏特征

经坊煤矿运输大巷开挖后出现了明显的变形破坏，通过对新掘进段进行矿压观测得到巷道变形破坏特征：

（1）巷道整体变形量较大，变形速度较快。运输大巷开掘后在较短的时间内出现了明显的变形破坏，其中顶板下沉量平均超过了300mm，两帮平均收敛量超过了670mm，底板鼓起量平均超过了420mm；巷道围岩收敛变形速率平均达到了38.9mm/d，最快收敛速率超过了54mm/d。

（2）支护体大量失效。从现场勘查情况来看，原有设计中很多支护体出现了支护失效的情况，主要表现为：锚索、锚杆被折断、拉断的情况，锚杆杆体和托盘出现脱离，部分锚杆被吸入到岩壁中，托盘与钢筋网连接的位置出现了剪断。

图1 巷道原支护断面图

3 影响运输大巷稳定性的相关因素

为了掌握影响运输大巷稳定性的相关因素，从多个方面对影响运输大巷稳定性的相关因素进行了分析。

3.1 地应力测试

选择使用空心包体对运输大巷进行了三维地应力测量。将带有压力计的岩芯从设计的钻孔中取出，将其放到围岩率定仪，然后对岩芯施加压力，并读取读数，按照读取的数据，得到运输大巷围岩的应变、应力曲线图。本次得到的运输大巷围岩弹性模量为17.98GPa，泊松比为0.26。通过将得到的泊松比、弹性模量及应力解除数据等带入到地应力计算软件中，得到了经坊煤矿运输大巷地应力明细表，见表1所示。

表1 经坊煤矿运输大巷地应力明细表

从表1中可看出，最小主应力与最大主应力之间表现为正交关系，可计算侧压系数在1.6～2.1之间，这充分说明，经坊煤矿运输大巷所处位置的主应力表现出较强的方向性，宏观上表现为水平应力构造，且最大主应力数值较大，这表明运输大巷已经进入到深部开采阶段，虽然巷道围岩总体的强度较大，但是在如此高的应力下，表现出明显的工程软岩的特点，传统的支护方式在进行运输大巷支护时表现出明显的不适应性，这也是导致运输大巷出现大范围变形破坏的主要因素之一。

3.2 围岩松动圈探测分析

为了深入掌握运输大巷围岩内部变形破坏特点，设计出更为合理的支护方案，选择使用钻孔窥探仪对运输大巷围岩松动圈破坏范围进行了探测。本次探测设计2个断面，在每个断面一共布置了五个钻孔，得到了运输大巷围岩内部变形破坏示意图，见图2所示。

通过分析图2可知，运输大巷内部围岩稳定区域与破坏区域呈现出环状，也就是稳定围岩与破碎围岩相间出现，且与巷道中心线呈现出对称布置的方式，运输大巷围岩松动圈范围为1.7～4.1m，平均为3.5m，特别是在0～1.2m的范围内，巷道围岩变形破坏严重，处于严重破碎状态，在1.2～2.5m之间，巷道围岩裂隙发育明显，且裂隙以宽张、张开状态为主。从钻孔窥探的情况来看，运输大巷出现了分层破坏情况，这与深部巷道围岩容易出现的变形破坏特征相符合，而在原有支护状态下，锚杆、锚索支护体不能较好适应运输大巷出现的分层破坏情况，这也是运输大巷出现较大范围变形破坏的原因之一。

图2 运输大巷围岩内部变形破坏示意图

3.3 巷道围岩岩性分析

为了更好掌握巷道围岩岩性给运输大巷稳定性带来的影响，选择使用D/Max-3B型X射线衍射仪对运输大巷围岩的矿物组成成分进行了全面分析，具体结果见表2所示。

表2 巷道围岩组成成分表

从表2中可看出，巷道围岩中包含有较多的高岭石、伊利石等膨胀性软岩成分，这些物质在遇水后容易出现崩解、风化、膨胀及软化等，给巷道围岩稳定性带来的影响是较为明显的，特别是容易引起蠕变变形，由于运输大巷中包含有大量软土成分，在一定程度上导致了巷道围岩不能有效承受外界较大地应力，从而出现了大范围的变形破坏。