大断面软岩硐室围岩变形机理与控制技术研究

2019-12-27任钰鹏

山东煤炭科技 2019年12期

任钰鹏

（山西兰花集团东峰煤矿有限公司，山西晋城 048000）

1 矿井概况

山西东峰矿变电所硐室位于3#煤层底板内，硐室断面形状为矩形，硐室宽度为5.2m，高度为3.0m。硐室顶板与底板均为泥岩，两帮为细砂岩。根据矿井提供的地质资料，泥岩抗压强度在19.4～25.8MPa范围内，抗拉强度在2.8～5.4MPa范围内，细沙岩的抗压强度在21.8～35.1MPa范围内，抗拉强度在5.2～7.4MPa范围内，岩层整体强度一般。

2 围岩变形机理分析

2.1 硐室围岩力学特性分析

巷道围岩的力学特性是其稳定的决定性因素，因此对东峰矿变电硐室围岩进行力学特性研究，有助于对围岩破坏机理的分析，同时对后续巷道支护方案设计可提供基础性数据。

东峰矿变电硐室围岩主要为泥岩与细砂岩，其中硐室顶板与底板岩性均为泥岩，两帮为细砂岩。为得到硐室围岩的力学特性，对其进行了物理力学测试，测试结果如表1所示。从表中可以看出，硐室顶底板的泥岩强度明显小于两帮。由于泥岩的强度较低，受到矿山压力作用后极易发生破坏。进一步对泥岩成分进行分析发现，泥岩主要由伊利石、高岭石等黏土性矿物组成，这类成分在遇到水后易出现膨胀变形，且极易受到水、风等侵蚀，因此围岩稳定性较差。

表1 硐室围岩物理力学参数表

2.2 围岩变形破坏特征

变电硐室原支护方式为锚杆+锚索+金属网联合支护。在该支护方式下，对硐室的围岩变形特征进行了监测，监测时间为20d，监测结果如图1所示。从图中可以看出，硐室在原有支护方式下围岩的变形主要集中在顶底板，其中顶板的下沉量最大达到92.5mm，变形量明显大于底板与两帮。并且根据现场的宏观矿压观测发现，顶板岩层偶尔会在局部出现冒落现象，加之硐室断面的增大，顶板悬露面积也在不断的增大。因此硐室顶板岩层整体的稳定性较差，受到矿山压力显现的影响易发生破坏。

图1 硐室围岩变形量

2.3 围岩破坏深度分析

为确定硐室围岩的破坏深度大小，采用钻孔窥视仪对围岩内的节理裂隙发育情况进行了探测。由于底板钻孔受淋水影响严重，因此本次钻孔窥视仅对硐室顶板与两帮进行了窥视，钻孔窥视结果如图2、图3所示。由钻孔窥视结果可知，硐室顶板岩层内发育有较多的节理裂隙，多集中在顶板2～3m范围内，大于3m后岩层整体性较好；硐室两帮浅部围岩破碎程度较高，破碎深度在1～1.5m范围内，而位于更深处的围岩完整性较好，节理裂隙发育较少。综合上述分析可知，硐室围岩的破坏区域主要集中在浅部区域。

2.4 围岩破坏机理分析

对上述硐室的围岩力学特性、变形特征以及破坏深度三方面的分析进行总结，得出东峰矿变电硐室围岩变形破坏主要集中在顶、底板，对其变形原因进行分析可知：

（1）岩层强度低，遇水后发生软化。硐室顶底板岩层主要为泥岩，岩层自身强度较低，并且岩层成分主要为伊利石、高岭石等黏土性矿物，受到硐室淋水的影响，岩层遇水易发生膨胀、软化等现象，加之受到矿山压力等影响作用，岩层容易发生破坏。

（2）硐室断面大，围岩坏境发生变化。由于变电所属于大断面硐室，硐室的宽度明显大于高度，一般硐室的宽度增大后，会增大顶板岩层的悬露长度，假设顶板岩层所受到的载荷不变，当悬露长度增加后，顶板岩层所形成的梁体会出现较大的挠度变形。同时底板岩层受到两帮围岩的挤压作用，易出现底鼓现象。

（3）原有支护方式的不足。变电所硐室原有支护方案中并未对底板进行加固，底板的变形无法得到有效控制，因此硐室底板的变形量要大于两帮。

图2 顶板钻孔图

图3 帮部钻孔图

3 硐室围岩支护技术研究

3.1 挂网喷射混凝土

由于巷道顶、底板岩层为遇水易膨胀变形的泥岩，为减少这类岩层与水的接触，采用挂网喷射混凝土的方法进行支护。首先在硐室顶板、两帮和底板均铺设由直径为8mm的钢筋焊接的钢筋网，铺设完毕后对硐室全断面喷射混凝土，混凝土层厚度为150mm。混凝土凝固后会形成保护层，可减少水、风等对巷道围岩的侵蚀作用。

3.2 围岩注浆加固

为提高巷道围岩整体的强度，采用注浆的方法对其进行加固。注浆岩层主要针对硐室的顶底板，分别在顶板和底板钻取注浆孔，钻孔直径为30mm，其中顶板钻孔深度为4m，底板钻孔深度为2.5m，钻孔的间排距设计为2.0m，采用带孔钢管进行注浆。注浆材料选择为水泥与水玻璃的混合材料，材料水灰比选择为0.8:1。注浆过程中注浆泵的压力应保持在3.5～5MPa范围内，保证浆液能够在岩层中充分扩散。钻孔的注浆顺序为先对外侧钻孔进行注浆，后对中央钻孔注浆，并且采用隔排注浆的方法，防止出现浆液串孔情况的出现。