深井软岩破碎巷道底臌原因及处置技术研究

　第38卷第4期煤　　炭　　学　　报Vol.38　No.4　　2013年4月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYApr.　2013　　　文章编号:0253-9993(2013)04-0566-06深井软岩破碎巷道底臌原因及处置技术研究刘泉声1,2,刘学伟1,黄　兴1,刘　滨1(1．中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,湖北武汉　430071;2．武汉大学水工岩石力学教育部重点实验室,湖北武汉　430072)摘　要:根据顾北煤矿南翼(11-2)胶带机巷道工程实际,依据长期的现场调查和变形监测,对顾北矿区深井软岩破碎巷道底臌影响因素、特性进行了分析,得出了底臌主要原因,认为底臌主要是由于巷道底板处于敞开状态而成为巷道变形和应力释放的主要场所,软弱破碎的围岩在地应力作用下挤压流入到巷道内,形成较大的挤压流动性底臌。在此基础上,提出了采用混凝土反拱地坪、深浅孔注浆、高预应力组合锚索的针对深井软岩破碎巷道底臌综合处置技术,同时研制开发底板锚索钻机,解决了底板组合锚索孔施工的困难。现场的跟踪监测表明,该技术能有效治理底臌还能加强两帮稳定性。关键词:岩石力学;深部开采;软岩破碎巷道;底臌;支护技术中图分类号:TD325　　　文献标志码:A收稿日期:2012-06-20　　责任编辑:常　琛　　基金项目:国家自然科学重点基金资助项目(41130742);国家自然科学基金青年基金资助项目(41102198)　　作者简介:刘泉声(1962—),男,江苏溧阳人,研究员,博士生导师。E-mail:[e-mail]ereasonsandsupportingmeasuresofdeepsoft-fracturedrockroadwayLIUQuan-sheng1,2,LIUXue-wei1,HUANGXing1,LIUBin1(1．StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,InstituteofRockandSoilMechanics,ChineseAcademyofSciences,Wuhan　430071,China;2．KeylaboratoryofRockMechanicsinHydraulicstructuralEngineering,MinistryofEducation,WuhanUniversity,Wuhan　430072,China)Abstract:Thesouthwing(11-2)conveyorroadwayatGubeiCoalMineisinafaultzone.Theinfluencefactorsandcharacteristicsoffloorheaveinthisfracturedroadwaywereanalyzedthroughsiteinvestigationsanddeformationmoni-toring.Thestudyindicatesthatthemaincausesoffloorheavearethesqueezingandflowingoffracturedrockmass,whichmeansthefloorbecomestheareaforreleasingstressanddeformationbecauseofnosupport.Asaresult,thesoft-fracturedsurroundingrockfeedsintotheroadwayunderhighstressandcausesfloorheave.Therefore,atech-neque,whichusesreversearchconcretefloor,grouting,andhighpre-stressedcombinedcabletocontrolfloorheave,isproposed.Inaddition,afloorcabledrillingmachinehasbeendevelopedtoovercomethedifficultyindrillingthecableholes.Thesitemonitoringandobservationsindicatesthatthetechniquecannotonlyimprovethefloorstabilityperma-nently,butalsoeffectivelyenhancethestabilityofroadwaywalls.Keywords:rockmechanics;deepmining;soft-fracturedroadway;floorheave;supportingtechnique　　随着国内大多数煤矿相继进入深部开采,巷道埋深逐年增加,地质条件日趋复杂化,深部巷道较多的出现了稳定性问题,特别是在深部软岩破碎巷道中,碎胀、扩容等大变形破坏现象严重,巷道维护十分困难。同时,研究表明[1-2],进入深部开采后,底臌量已占据巷道变形量的主要部分。在深部开采理论与实践过程中,不同学者对于软岩巷道底臌机理提出了很多理论,康红普[3-4]、姜耀东等[5]认为底臌包括底板岩层挠曲、泥岩遇水膨胀、底板岩层在偏应力的作用下扩容、流变等机理。康红第4期刘泉声等:深井软岩破碎巷道底臌原因及处置技术研究普[3]针对不同的底臌机理建立了相应的底板薄板计算模型,并对底臌原因进行相应的分析。针对煤矿软岩巷道底臌的控制技术,国内外专家提出了不同的底臌控制实用技术,包括J.C.Stankus等[6]提出的底角锚杆支护技术,谢广祥等[7]研究了超挖锚注回填技术,SunJin等[8]提出的软岩巷道底角切槽卸压技术等。另外,侯朝炯等[9]提出加固帮角控制底臌技术,王卫军等[10-11]提出加固两帮控制底臌,高明中[12]提出带底拱的U型钢可缩性支架、混凝土碹和弧板等全断面支护法以及底板锚杆、底板注浆和锚注结合的方法治理底板。这些方法都能在一定程度上控制底臌,但是在深井软岩破碎巷道中,巷道围岩性质、应力赋存状态及地质环境的极其复杂,容易导致对软岩巷道底臌机理认识不清,以及现阶段底板锚索施工工艺的问题,因而在采取防治措施时存在一定局限性。本文结合顾北煤矿南翼(11-2)胶带机巷工程实际,开展深井软岩破碎巷道支护研究,根据现场监测和调查对底臌原因和特性进行了分析探讨,基于自行研制的底板锚索钻机,提出了采用混凝土反拱地坪、注浆、深孔高预应力组合锚索对底板进行综合处置的技术。现场监测数据表明,该技术能对底臌及两帮进行有效控制。1　工程概况顾北煤矿南翼(11-2)胶带机巷为南翼(11-2)采区的主要运煤系统,设计断面为直墙半圆拱形,净宽×净高=5．4m×4．3m,底板标高-580m。巷道东侧为待掘进的南翼(11-2)采区回风大巷,西侧为待掘进的南翼(11-2)轨道巷,3条巷道之间水平距离为20~30m(图1),两条巷道开挖扰动加剧了胶带机巷围岩的应力集中及其破裂变形,对巷道稳定形成二次冲击。巷道围岩主要岩性为砂质泥岩,受断层和褶曲影响,地层产状变化大,滑面发育。根据套孔应力解除法对顾北煤矿(6-2)轨道石门附近的地应力测试,该区最大水平主应力为19．65MPa,方向335°,与巷道斜交,侧压系数平均达到1．11,因此巷道处于较高水平地应力。同时已探明的众多断层相互交叉切割,导致围岩破碎、抗压强度降低、整体稳定性差。本文研究巷道位于胶带机巷中自南翼胶带机斜巷与南翼(11-2)胶带机巷交叉点起往里100m止的断层破碎带内,是典型的深井软岩破碎巷道。巷道原支护形式及工序为:首先在掘进工作面的顶拱施作一排长度3m、间距1．2m、排距1m的超前注浆锚杆,通过超前锚杆进行硫铝酸盐水泥注浆;爆破开挖一个循环进尺后在掘进工作面采用高强预应力锚网(锚杆、钢筋网)+U型钢支架+初喷进行掘进工作面一次支护。具体工序为:施作初喷找平层,厚度50mm,打高强预应力锚杆(间排距800mm×1000mm,长度2800mm)、挂钢筋网、架U型棚(棚距500mm);紧跟扒矸机后进行帮顶复喷,复喷层100mm;复喷以后立即进行浅孔注浆,孔深1．5m;浅孔注浆后施作预应力锚索二次支护,拱顶和两帮合计每排5根,直径22mm,长度6300mm,排距1500mm。滞后浅孔注浆5m进行深孔注浆,孔深3~4m。底板支护包括底角注浆锚管和底板锚索,其中底板锚索每断面2根,长度6300mm,排距1500mm。由于技术及人力原因,该巷道实际掘进后仅采用了36U型棚+预应力锚杆+钢筋网+帮部浅孔注浆护帮顶,超前锚杆、顶板及两拱肩3根预应力锚索护顶,混凝土地坪护底,两帮及底板二次支护没有及时跟进。同时,巷道掘进后由于经过3次卧底,底板围岩反复遭受切割与应力重分布,变得软弱破碎,巷道两帮和底臌变形严重,巷道整体稳定性差。图1　巷道平面布置Fig．1　Theplanefigureofroadways为了确保试验巷道的稳定性,同时对支护技术进行研究。在巷道掘进后,在胶带机斜巷与(11-2)胶带机巷交点往里36,50和65m处分别布置表面位移监测断面1,2,3,三处监测点均处于断层带和其影响带内(图1)。表面位移监测点主要进行两帮收敛、顶板下沉、底臌的监测。在每个监测断面的拱顶、两腰、底板中间各设置1个由测杆和球头组成的测定,测杆锚入围岩的深度≥0．5m,表面位移监测断面量测利用中科院武汉岩土所WRM-3型收敛仪,精度可达0．01mm(图2)。根据长期的现场监测,绘制累计收敛-时间图(图3,4)。根据图3,4可知,在该段巷道内,3个监测断面显示两帮累计收敛量平均在500mm左右,前两个监测断面平均底臌量在500mm以上。在现有的支护形式下,巷道围岩极不稳定,底板及两帮均有失稳趋势。由于胶带机巷是顾北煤矿南区的主要运765煤　　炭　　学　　报2013年第38卷图2　胶带机巷内两帮累计收敛图Fig．2　Totalsidedeformationintapemachineroadway煤通道,底臌将会对胶带机及运煤系统产生严重影响,因此巷道底板的治理是亟需解决的问题。图3　现场监测Fig．3　In-suitmonitor图4　胶带机巷内底臌量统计Fig．4　Floorheavescartogramintapemachineroadway2　底臌原因及底臌特性探讨2．1　底臌影响因素分析研究表明[3-5,13],影响底臌的因素很多,其中主要有底板岩层性质、围岩应力状态、水理作用和支护强度等,针对顾北煤矿及淮南矿区具体情况,底臌具体影响因素分析如下:(1)底板围岩状况。巷道底板岩层的强度和结构状态(破碎结构、薄层结构、厚层结构)对底臌起着决定性的作用。主要表现为:底板岩层的结构状态决定着巷道底臌的类型;底板岩层的强度、分层厚度和破碎程度决定着底臌量的大小。淮南矿区大多数巷道底板围岩以泥岩和砂质泥岩为主,以顾北煤矿、顾桥煤矿为代表的多数南区巷道又处于F104,FD104密集断层及次生断层之内,岩性极为破碎,属于大规模松散破碎围岩,在这种条件下巷道极易产生底臌。(2)围岩应力。当围岩应力达到一定条件时,巷道底板破坏。围岩应力越大,底臌也越严重。根据套孔应力解除法对顾北煤矿(6-2)轨道石门附近的地应力测试结果,顾北矿区处于高水平应力。同时对淮南矿区-500~-1000m范围内的12个矿区进行的地应力测试表明,淮南矿区地应力场以水平应力为主,属于典型构造应力场类型,这种应力类型使得底臌更加难以控制。(3)水理作用。浸水后的巷道底板往往产生严重的底臌,一般表现为2个方面:①底板岩层浸水后,其强度降低,从而更容易破坏。②泥质胶结的岩层,浸水后易破碎、泥化、崩解,甚至强度完全丧失。室内岩石物化分析表明,顾北矿区内围岩成分为:伊利石含量11%,高岭石含量51%,绿泥石、石英、长石含量共计38%。该矿区围岩容易遇水软化,而膨胀性较弱。另外,根据现场地质资料,南翼(11-2)胶带机内巷道