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大埋深软岩巷道破坏机理与修复技术研究

2025-03-09 46 上传者：管理员

摘要：红二煤矿矿井水文地质中等，断层多，+515 m水平轨道大巷围岩较软，岩性破碎，受大埋深、高应力影响，巷道支护失效，底板底鼓等问题尤为突出。针对以上问题，以+515 m水平轨道大巷为例，在支护技术、装备及管理上不断摸索和试验，采用锚网索喷+全断面注浆加固支护技术，通过顶板钻孔窥视、表面位移监测、巷道顶板离层监测、巷道锚杆（索）受力监测分析，最终完成红二煤矿+515 m水平轨道大巷的修复工程。经过近2 a的观测，巷道变形量及修复效果满足安全生产需要。研究结果为红二煤矿乃至类似条件矿井安全生产、巷道修复工作提供了重要的技术支撑。

关键词：
全断面锚注加固技术
大埋深
煤矿开采
软岩支护
高应力
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随着能源需求的不断增长,矿井开采的广度､深度､强度日益加大,很多煤矿开采过程中往往伴随着大埋深､高应力､软岩支护､水文地质条件复杂等灾害与难题:一方面,由于埋深大,地应力高,软岩巷道易发生变形和破坏[1];另一方面,水文地质条件复杂,地下水的存在加剧了巷道的稳定性问题[2];其次,传统的支护及修复方式往往难以适应大埋深软岩巷道的特殊环境,容易出现支护失效､巷道再次变形等问题,现有的修复技术在一定程度上存在一定的局限性｡因此,需要针对这些问题,探索新的支护､修复技术,提高巷道的稳定性和安全性｡随着科技的不断发展,新材料､新工艺和新技术的不断涌现[3],为矿井水较大矿井大埋深软岩巷道的修复提供了新的思路和方法｡在这样的背景下,深入研究矿井水量充沛､大埋深软岩巷道的修复技术,对于提高矿井安全生产水平､保障矿工生命安全､促进矿业可持续发展具有重要意义｡

1、工程概况

红二煤矿地面标高1221m,+515m水平埋深706m,为西部矿区深部矿井,其主要岩石巷道包括+515m水平轨道石门､井底车场､内外水仓､管子道等｡+515m水平轨道大巷所处地层为石炭系土坡组(Ct),岩性顶部为深灰､灰黑色泥岩､粉砂岩夹不稳定灰色泥岩薄层,富含铁质结核和瘤状黄铁矿,含少量植物化石,泥灰岩中含大量海百合茎化石;中部以砂质泥岩､粉砂岩为主;下部以灰黑､黑色泥岩为主,夹不稳定薄煤数层,含腕足类动物化石及较多种植物化石;底部为1层铝土岩[4]｡+515m水平轨道大巷顶底板情况,如图1所示,土坡组中段岩层倾角约为18°,西高东低｡+515m水平轨道大巷(工程部位170~390m)穿层掘进,巷道围岩以泥岩､碳质泥岩､粉砂岩为主,岩层条件较软,易风化,节理裂隙发育严重,泥岩饱和轴向抗压强度为0.8~5.8MPa,天然抗压强度为9.2~18.1MPa｡

图1+515m水平轨道大巷岩层预测地质柱状

图1.1巷道补强支护情况

针对+515m水平轨道大巷变形破坏严重的问题,对巷道采取了多种类型的补强支护措施(见表1)｡

表1+515m水平轨道石门泥岩段巷道补强支护形式

1.2巷道补强支护效果分析

(1)巷道表面位移监测

+515m水平轨道石门泥岩段巷道表面位移监测布置,如图2所示,巷道表面位移于2021年9月16日—2021年12月4日进行观测,工程部位180~360m位置处巷道表面位移变化,如图3､图4所示｡整体分析可以看出:最大位移出现在巷道底板,最大底鼓量180mm,顶板较为稳定,但在工程部位212~311m巷道顶板下沉量达到60mm,同时相对于顶板两帮,其两侧肩窝变形相对较大｡

图2测区内巷道位移测点布置图

+515m水平轨道石门泥岩段巷道表面位移收敛统计表,如表2所示,可以看出,与巷道设计断面尺寸相比,轨道石门泥岩段巷道顶底板移近率目前达到13.0%~33.4%,两帮移近率最大为8.6%,补强加固后泥岩段巷道不同位置处顶底板移近率平均增加2.64%,两帮移近率平均增加仅为0.49%,巷道围岩补强加固之后,顶底板移近量明显大于两帮移近量,其顶底板移近率主要是由于底鼓量较大引起的,巷道顶板下沉位移量较小｡

表2+515m水平轨道石门泥岩段巷道收敛统计表

(2)补强支护效果

①钢带+槽钢+锚索加强支护

+515m水平轨道石门工程部位185.6~212m,采用钢带+槽钢+锚索加强支护,工程部位200m巷道表面位移变化曲线,如图3所示｡由图3可以看出,巷道底鼓量大,两帮位移较大,两帮移近量达50mm,顶板位移相对较小｡表明钢带+槽钢+锚索加强支护对巷道帮部位移控制较弱｡

图3工程部位200m巷道表面位移变化曲线

②工字钢+锚索加强支护

+515m水平轨道石门工程部位311~348.4m,巷道顶板采用工字钢+锚索加强支护,工程部位320m巷道表面位移变化曲线,如图4所示｡由图4可以看出,轨道石门工程部位320m处巷道表面位移收敛严重,巷道底鼓量达120mm,右肩窝位移达130mm,左肩窝最大位移达100mm,拱顶下沉位移量为60mm,可见采用工字钢+锚索加强支护对巷道两侧肩窝及顶板位移控制较差｡

图4工程部位320m巷道表面位移变化曲线

综上分析,+515m水平轨道石门巷道补强支护措施中采用U型钢支护时巷道顶板及两帮变形量最小,同时顶板注浆加固时巷道拱顶下沉不明显,而采用锚索+槽钢或工字钢补强支护时,巷道拱顶下沉量达到了30~60mm,可以看出不同补强支护措施对巷道顶板支护的整体效果为U型钢支护>注浆加固>锚索+槽钢或工字钢｡

2、巷道变形破坏特征及破坏机理分析

根据钻孔窥视结果,+515m水平轨道大巷注浆后巷道顶板的裂隙分布范围,如图5所示｡可以看出,+515m水平轨道大巷顶板裂隙分布呈非对称形态,石门拱顶顶板裂隙分布范围在2.72m左右,面向迎头左侧肩窝顶板裂隙分布范围约2.42m,面向迎头右侧肩窝顶板裂隙分布范围约1.2m,左侧肩窝顶板裂隙数量及分布范围明显大于右侧肩窝,因此推测注浆后顶板裂隙最大高度也位于巷道拱顶的左侧区域｡同时,由裂隙分布范围可以将顶板分为严重破裂区､裂隙发育区和完整区,拱顶处严重破裂区钻孔深度为1.5m左右,左侧肩窝顶板严重破裂区钻孔深度为1.45m左右,右侧肩窝顶板严重破裂区钻孔深度为0.5m左右｡表明+515m水平轨道大巷注浆加固后严重破裂范围由2.64m减小到1.5m左右,可见巷道顶板注浆加固效果较为明显｡

图5注浆后轨道石门顶板裂隙分布范围图

2.1+515m水平轨道大巷变形破坏特征通

过分析+515m水平轨道大巷工程地质条件及支护措施,其主要变形破坏特征:(1)巷道顶板破坏严重,破坏范围达到2.64m,超过锚杆支护范围;

(2)巷道顶板破坏呈非对称性,两侧肩窝变形破坏严重,巷道两帮破坏相对较少,但两帮位移逐渐增大;

(3)锚杆支护构件失效严重;

(4)巷道底板遇水后,泥岩软化,巷道底鼓量较大｡

2.2巷道变形破坏主控因素分析通过对红二煤矿+515m水平轨道大巷现场调查研究,发现引起巷道顶板下沉与底鼓的主要因素有5个方面:

(1)高地应力

通过查阅周边矿井相关文献可知:红一煤矿11采区(埋深约500m)垂直地应力为8.36MPa,最大水平地应力为17.15MPa,最小水平地应力为11.35MPa;红四煤矿+280m水平(埋深约1000m)的垂直地应力约为23.25MPa,最大水平主应力为23.36MPa,最小水平主应力11.51MPa;可见红一煤矿及红四煤矿的最大水平地应力均大于垂直地应力,因此推断红二煤矿水平地应力大于垂直地应力｡在水平地应力的作用下,巷道顶板和底板极易发生破坏｡

(2)岩性因素

+515m水平轨道大巷泥岩段巷道围岩主要以泥岩､碳质泥岩为主,泥岩类岩石层理发育,强度低,易风化破碎,胶结性差,泥岩饱和轴向抗压强度为0.8~5.8MPa,天然抗压强度为9.2~18.1MPa,巷道围岩呈现显著软岩特征,岩性差是巷道变形破坏的内因｡

(3)岩层节理

+515m水平轨道大巷顶板岩层倾角约为18°,泥岩､碳质泥岩､粉砂岩等交互分布(见图6),节理､裂隙发育严重,裂隙主要发育方位角为45°左右,节理呈X型,将岩体切割成块石状(见图7),巷道开挖后,节理面整体较破碎,并与岩层层理相互剪切,易引起巷道帮部及两侧肩窝片帮､变形破坏｡

图6泥岩､炭质泥岩､粉砂岩互层分布柱状

图7巷道与岩层相对位置示意图

(4)支护因素

锚网喷支护对软岩巷道的支护针对性较差,泥岩段巷道施工现场经常出现喷浆不及时现象,喷浆滞后距离达40~50m,导致顶板泥岩风化破碎严重,锚网与巷道顶板紧贴不够密实;同时锚杆螺母强度不够､锚杆支护构件匹配性不足,尤其是巷道护表构件强度不够,易引起巷道产生网兜､锚网被切断等情况｡

(5)地下水的影响

+515m水平轨道大巷顶板局部有淋水现象,底板在水中,水理性研究表明,泥岩遇水后膨胀不大,破坏方式主要是崩解和碎裂,由于水的存在,泥岩软化系数增大,抗拉强度大幅度降低,造成底板底鼓严重｡

3、巷道修复方案

3.1锚网索喷+注浆加固修复支护方案

结合红二煤矿矿井建设工程实际需求,+515m水平轨道大巷泥岩段巷道整修思路:挑顶→顶板打锚杆､挂网､初次喷浆→打锚索､挂网､二次喷浆→巷帮选择性修复→施工两帮及底板注浆锚杆→全断面高压注浆加固(底板注浆锚杆注浆和帮顶中空注浆锚索注浆加固)｡

3.2巷道顶板修复支护

首先将尺寸不满足要求的巷道顶板挑顶至设计高度尺寸,然后对巷道顶板进行锚网索支护,当巷道断面成形不好时,顶板先采用锚杆-锚网-长锚索支护,一次喷浆厚度为100mm,然后滞后10m采用短注浆锚索—锚网支护(滞后距离可根据现场条件调整),第2次喷浆厚度为100mm,支护布置,如图8所示｡

图8+515m水平轨道大巷顶板修复支护方案布置图

3.3两帮修复支护

根据+515m水平轨道大巷泥岩段巷道变形破坏规律,巷道两帮移近率仅为巷道设计断面宽度的0~8.6%,两帮支护采用限位抗剪高强蛇形锚杆进行巷帮支护,锚杆规格:φ20mm×2800mm;树脂锚固剂:MSK2350×1+MSZ2350×1;护表措施:金属网采用φ6.5mm钢筋焊接的网孔100mm×100mm的经纬网;锚杆托盘:选用200mm×200mm×10mm高强弧形托盘,锚杆托盘下部增加400mm×400mm×6mm钢带护板,预紧力为60~80kN(预紧力矩360N·m);锚杆间排距800mm×800mm;喷浆厚度200mm,喷砼强度等级为C20｡

3.4底板修复及全断面注浆加固

(1)底板修复注浆

当顶板及两帮修复完成后,对巷道底板进行拉底｡采用中空注浆锚杆进行注浆加固,中空注浆锚杆规格为φ25mm×2500mm,注浆锚杆间排距1500mm×1600mm,地坪厚度300mm,喷砼强度等级为C20｡

(2)全断面注浆加固

+515m水平轨道大巷全断面注浆示意图,如图9所示｡

图9+515m水平轨道大巷全断面注浆示意图

3.5全断面综合锚注加固技术

采用高强高预应力锚网索支护系统对围岩全断面整体加固,然后进行全断面注浆加固,使形成的围岩加固体能长期维持巷道的基本稳定｡这种支护方法克服了因锚杆强度低､预应力小,注浆加固体在外荷载作用下存在较高的拉应力区,容易对加固拱产生张拉的弊端;同时全断面注浆加固增强了围岩的强度和整体性,并把锚杆端锚转变为全长锚固,保证了锚网索支护系统的长期稳定,而且采用“全断面”锚网索支护和注浆加固,能有效避免因局部支护薄弱点的破坏而使巷道整个支护失稳,进而实现巷道支护的长期稳定｡全断面高强高预紧力锚注加固技术能使围岩形成多种形式的加固拱(即喷网组合拱､高强预应力锚杆压缩区组合拱､锚索压缩组合拱及注浆液扩散形成的注浆体加固拱),不同形式的组合拱相互作用,形成了加固拱“网络结构”的有机统一整体,可保证巷道的长期稳定[5]｡

3.6修复后巷道表面位移观测

2023年1月5日—2023年3月4日对修复巷道进行表面位移矿压观测,如表3所示｡

表3修复后巷道表面位移记录表

从表3可以看出,修复后巷道最大两帮移近量为85mm,最大顶底板移近量为90mm,现场支护可以满足现场巷道变形的要求｡4结语根据+515m水平轨道大巷破坏机理与修复技术,得到如下结论:

(1)由于水平地应力大,应针对抵抗高水平地应力影响进行修复方案编制｡

(2)巷道顶板泥岩易风化,破碎范围大,修复方案可采用注浆加固､U型钢支架等支护设计,增加巷道浅部顶板的强度或巷道护表结构强度｡

(3)支护构件需相匹配,主要为锚网索支护材料及配件之间的强度和适应性的匹配､注浆材料与围岩特性相匹配､注浆压力与注浆范围之间的匹配等｡

(4)巷道底鼓变形后期较为严重,修复方案应针对软岩巷道底板制定加固支护方案措施｡

参考文献:

[1]仇亚男.高应力软岩大变形巷道稳定控制技术应用研究[D].青岛:山东科技大学,2018.

[2]杨春雨,赵长红.任家庄煤矿黏性红土层条件下巷道维修技术研究[J].中国煤炭,2020,46(11):118-122.

[3]蒋敬平,黄庆显,魏夕合,等.深井软岩巷道高强全锚注支护机理与技术应用[J].煤矿安全,2016,47(10):33-35.