弱胶结软岩回采巷道变形因素分析与控制

邵辉辉 曹丽军 郝继宝

（1.内蒙古上海庙矿业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 016299；2.山东鼎安检测技术有限公司，山东 济南 250000）

内蒙古上海庙矿业有限责任公司榆树井煤矿属于典型的西部弱胶结膨胀型软岩矿井。其主采煤层位于侏罗系延安组含煤地层，煤层厚度在2.2～4 m之间，属于中厚煤层，巷道掘进期间采用破底留顶的方式掘进。巷道开挖后，受岩体力学性能差、围岩强度低等影响，极易发生收敛变形。巷道开挖后在完全开放不支护状态下，巷道底鼓变形量可达3.5～5 m，帮部收敛变形量在1.5～2.5 m。建井初期，为解决巷道收敛变形给回采作业带来的影响，保证正常的通风、运输、行人，需要抽调采掘人员组成专业巷修队伍负责皮带运输巷的维护工作。大量的人力投入，不但影响矿井正常的采掘接续，而且增加了成本投入。为解决软岩变形问题给采掘作业带来的影响，矿井先后尝试过底板锚索束、底角格栅墙、底板钢筋混凝土支护等多种支护方式。通过实际效果看，均未达到理想效果，而砌碹支护成本太高且不适于顺槽支护。

为了改善软岩矿井巷道维护困难状况，减少巷道支护成本，进一步提高掘进效率，为矿井高产高效提供技术支撑，必须找到合适的支护方式，突破制约矿井发展的瓶颈。

1 变形因素

1.1 岩石特征

上海庙矿区侏罗系地层岩石强度普遍较低，单轴抗压强度均在30 MPa 以下，属于松软-中硬岩石，工程稳定性差。

矿区巷道围岩的岩性以泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、粗砂岩为主，矿物成分中高岭石、伊利石和蒙脱石成分显著偏高，其中高岭石含量7.5%～33.4%，伊利石含量18.8%～28%，蒙脱石含量0～8%。岩石具有胶结性、自承能力差，遇水泥化、遇风坍塌等特点。

为进一步了解围岩特性，对矿井围岩岩样进行了测试分析。

表1 岩石特征测试

1.2 围岩松动圈

根据松动圈理论，只有当围岩强度大于围岩应力时，巷道周边才不会产生松动圈。同一围岩巷道中岩石应力越大，松动圈也就越大；同一应力条件下岩石强度越低，松动圈也就越大。表2 为巷道支护围岩松动圈分类表。

表2 巷道支护围岩松动圈分类表

为研究矿井围岩松动圈类别，在矿井总回风、水仓入口及个别交叉点位置进行了探地雷达松动圈测试，测试结果见表3。从整个松动圈测试结果看，围岩松动圈最大达到2.96 m，巷道围岩松动范围较大。对照表2 可知，围岩性质属于大松动圈不稳定围岩。

表3 围岩松动圈测试表

2 变形观测与分析

2.1 变形观测

榆树井煤矿11507 工作面上顺槽掘进期间，受富水软岩条件影响，巷道收敛变形较大。为了总结巷道变形规律，在顺槽掘进迎头后25 m 位置设置矿压观测点，该处巷道底板处于完全开放状态，未进行反底拱施工，观测方法采用十字布点法，观测结果见表4。

表4 数据观测统计表

2.2 帮部收敛与底鼓关系

为了研究巷道底鼓量与巷道两帮收敛变形量之间的关系，分析其内部存在的密切程度，根据巷道收敛变形数据，采用回归分析法建立一元线性回归理论模型[1-6]。

设自变量x 为两帮移近量，因变量y 为底鼓量，将二者之间的线性关系建立数学模型为：

拟合一元函数及散点分布如图1。

图1 帮部收敛与底鼓关系拟合图

通过计算得：r=0.988 6，R2= 0.977 4。

相关系数r说明两帮收敛量x与底鼓量y直线相关程度很高，决定系数R2反映了回归方程拟合优度较好，因此两帮收敛变形量与底鼓量是密切相关的。

2.3 底鼓随时间变化关系

根据函数逼近和回归分析理论，结合实测巷道底鼓随时间的变化曲线。建立“巷道底鼓量一时间变化”回归理论模型。研究巷道底鼓量随时间变化的规律，分析巷道底鼓变化趋势，以对巷道底鼓量变化进行预测分析。

设复合函数：

式中，y为底鼓量；x为时间；a、n为常数。

根据表中数据计算得a=23.286，n=0.669 2，R2=0.982 6。

从底鼓随时间变化曲线可以看出（图2），在巷道底板为泥岩或砂质泥岩的情况下，巷道开挖后，巷道围岩力学特性发生显著弱化，承载力极低，巷道底板产生明显的塑性变化及剪切破坏，造成前期底鼓速度较大。随着时间的推移，巷道围岩应力重新分布，巷道底鼓变形持续增加，但巷道收敛变形速度有所减缓。

图2 底鼓随时间变化关系拟合曲线图

3 支护设计与效果

3.1 支护设计

根据以上分析结合榆树井煤矿11507 上顺槽掘进过程遇到的实际地质条件，制定出合理的支护方式[7-10]，即断面选择直墙圆弧拱+三心拱底，支护方式顶板采用锚网（索）+底板锚网喷支护。巷道掘进断面净宽4500 mm，净高3500 mm，巷道支护方式如图3。

图3 巷道掘进支护断面图（mm）

顶帮采用锚网索一次支护，锚杆间排距700 mm×700 mm，锚杆预紧力300 N·m，顶帮每排布置4 根锚索，锚索间排距1400 mm×1400 mm，支护完成后顶帮进行喷浆封闭，喷浆厚度为100 mm。底板采用锚网喷支护，初喷前按照设计将底板清理至三心拱型，然后进行初喷浆，喷浆厚度100 mm，接着进行锚网支护。底板采用锚索、锚杆相间布置的方式，即底板布置3 根锚索+4 根锚杆的方式，底板锚杆、锚索采用灌浆工艺进行全长锚固，锚杆、锚索紧固后按照设计要求进行复喷浆，喷浆厚度100～250 mm。

3.2 应用效果

表5 是巷道内选取两处矿压观测点连续3 个月的数据累计变化情况，测点1 处巷道底板处于敞开不支护状态，测点2 为全断面锚网喷支护状态。通过对监测结果数据对比可以看出，全断面锚网喷支护的巷道无论是底鼓量还是两帮收敛变形量均得到了有效的控制。从现场来看，巷道基本处于稳定状态，没有继续变形的趋势。

表5 数据观测统计表 mm

4 结论

（1）通过对11507 工作面上顺槽矿压观测数据分析，建立巷道两帮移近量与底鼓关系的一元回归模型，结果表明顺槽的两帮移近量与底鼓量呈正相关关系。

（2）通过巷道底鼓随时间关系的回归模型得出，巷道底鼓量随时间逐步增加，前期增速较快，随时间推移，增速有所减缓。

（3）通过跟踪观测发现，水对巷道底鼓变形有促进作用，在研究巷道支护的同时必须将水作为一个元素考虑，采取综合性的治理方案。

（4）提出的“全断面锚网喷支护方式”，通过实践证明可以有效地控制巷道变形。