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软岩大断面斜井巷道围岩控制技术应用

2024-08-13 51 上传者：管理员

摘要：为减小软岩巷道围岩变形，以侯村煤矿胶带暗斜井巷道工程地质条件为背景，采用现场试验方法，对大断面软岩巷道围岩变形进行了分析，得出巷帮煤体内掘进扰动影响范围为煤帮以内4.7 m，而巷道底板变形原因为泥岩内部黏土矿物吸水膨胀导致泥岩产生微小裂隙，从而使泥岩发生崩解。基于围岩变形原因，拟定胶带暗斜井巷道支护方案，并在现场进行了应用。支护方案应用后，在掘进过程中，巷道围岩变形值顶底板移近量最大为45 mm、两帮移近量最大为60 mm，围岩变形较小，巷道稳定性较好。

关键词：
取芯试验
围岩变形
支护设计
软岩巷道
软岩破坏规律
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伴随着矿井浅部煤炭资源的日渐减少，多数老矿井已对深部煤层进行开采。但随着地质条件的改变，部分矿井由于埋深增大，地应力水平升高，巷道原有支护方式不再适应当前巷道掘进，造成巷道稳定性差，出现片帮与冒顶现象，严重影响掘进工作面安全生产[1-3]。研究人员对软岩巷道支护技术以及沿空留巷围岩控制技术进行了大量研究：郭瑞等通过分析动静载荷作用下深埋巷道围岩应力变化特征，优化了巷道支护方案；陈康等对西部富水弱胶结岩石试件进行测试，提出了巷道梯度锚固优化支护技术；贾后省等对顶板强度低于煤层条件下的围岩变形特征进行了研究，揭示了不同顶煤厚度下的软岩破坏规律[4-6]。为有效改善软岩巷道支护稳定性，本文以侯村煤矿胶带巷工程地质条件为研究背景，对大断面软岩巷道支护技术进行探讨，也可为其他条件相似掘进工作面提供参考。

1、工程概况

侯村煤矿当前开采煤层为3号、15号煤，目前由于3号煤可采储量减少，现向15号煤进行开拓延伸形成二水平。15号煤煤层厚度平均为2.58 m，煤层结构简单，内含0～4层夹矸，煤层顶板主要为石灰岩、泥岩，底板为泥岩、砂质泥岩，煤层顶底板情况如图1所示。胶带暗斜井是15号煤首采区皮带大巷，巷道沿煤层顶板掘进，设计倾角为3°～12°，巷道埋深平均为260 m。胶带暗斜井采用矩形断面设计，断面大小（宽×高）为5.1 m×3.5 m。根据巷道顶底板情况可知，顶板岩性主要为石灰岩，岩层强度大，属于坚硬岩层，底板岩性主要为泥岩，岩体强度低，遇水极易变形。

图1 煤层顶板综合柱状图

2、围岩变形分析

根据胶带暗斜井所处围岩条件可知，巷道顶板岩层稳定，巷道两帮为15号煤煤体，底板为泥岩，两帮与底板岩体强度低，极易出现大量变形。因此，巷道支护主要集中在两帮与底板控制。

2.1 巷道两帮窥视分析

为掌握胶带暗斜井两帮煤层内层理、裂隙发育情况，采用钻孔窥视仪对巷道开口处煤体进行了钻孔窥视，窥视钻孔深度为10 m，窥视结果如图2所示。

图2 顶板窥视钻孔

根据窥视钻孔图，在距离孔口0～0.6 m范围内煤体破碎、裂隙发育严重；0.8～1.2 m处，煤体内存在微小裂隙；1.8～2.3 m处煤体破碎，存在较发育的结构面；4.3～4.7 m范围内，煤体内存在裂隙空洞，节理裂隙较发育；4.7 m以里煤体较完整，无裂隙等存在，煤体较完整。根据上述窥视结果，巷道掘进后煤体内扰动影响范围为煤帮以里4.7 m，此区域煤体内裂隙发育较多，存在裂隙空洞，支护方案需采取措施对该区内节理裂隙进行充填。

2.2 巷道底板变形分析

为掌握胶带暗斜井底板岩体物理力学特性，在胶带暗斜井开口处底板泥岩进行取芯与试验。通过分析泥岩成分与受力特性，从而确定泥岩变形特征。首先对泥岩试块成分进行了X射线衍射分析试验，确定泥岩成分如图3所示。根据图3结果可知，侯村煤矿15号煤底板泥岩的主要成分为高岭石、石英、蒙脱石、钾长石、钠长石、伊利石，还有少量的锐钛矿和金红石，其中蒙脱石、高岭石、伊利石属于黏土矿物，其占比达到52.2%。蒙脱石、伊利石等颗粒成分膨胀性较强，遇水膨胀后会产生大量孔隙，且在岩体内产生明显的裂隙，在一定程度上对泥岩完整性造成损伤，影响泥岩力学特性。根据上述分析，巷道底板变形的主要原因为泥岩内部黏土矿物吸水膨胀导致泥岩产生微小裂隙，从而使泥岩发生崩解，因此需采取有效措施减少底板与水的接触。

图3 泥岩试样矿物成分含量

3、支护设计

基于上述分析结果，胶带暗斜井巷道支护主要针对巷道两帮与底板进行加强支护。针对巷道两帮掘进扰动区范围，巷帮浅部采用锚杆加金属网进行联合支护；掘进后滞后迎头30 m对两帮进行喷浆与注浆补强支护，一方面喷浆后可封闭巷帮围岩表面，另一方面采取注浆方法也可对巷帮深部裂隙空洞进行充填，提高煤体完整性。巷道底板施工锚杆进行加固，同时滞后掘进迎头100 m对巷道底板进行注浆与混凝土硬化，实现对底板岩体的改性与封闭，减弱底板遇水后的变形现象。巷道支护设计如图4所示。

图4 巷道加强支护断面

根据巷道支护图，巷道顶板采用锚杆加锚索联合支护方式。锚杆直径为20 mm，长度为2 200 mm，间距为1 500 mm、排距为1 200 mm。锚索直径为17.8 mm，长度为5 300 mm，排距为2 400 mm，采用1-0-1-0布置方式。锚杆采用钢筋梯进行联索。巷帮采用锚杆支护方式，锚杆直径为20 mm，长度为2 200 mm，间距为1 050 mm、排距为1 200 mm。巷道掘进过程中对两帮与底板进行喷浆和硬化，两帮喷浆厚度不小于100 mm，底板硬化厚度不小于200 mm。巷道两帮注浆钻孔深度为4 500 mm，间距为1 500 mm，排距为3 600 mm；底板注浆钻孔深度为4 000 mm，间距为1 500 mm，排距为3 600 mm。注浆材料为水泥浆，水灰比为0.8～1:1，现场根据漏浆情况及时调整水灰比。

4、应用效果

确定胶带暗斜井支护方案后，2023年3月巷道开始掘进，截至目前巷道共掘进240 m，掘进期间，对巷道围岩变形情况进行了监测，监测结果如图5所示。根据围岩变形监测结果，巷道掘进后围岩变形影响范围约为30 m，其巷道顶底板移近量最大为45 mm，两帮移近量最大为60 mm，围岩变形较小，巷道稳定性较好。

图5 巷道围岩变形曲线

5、结语

以侯村煤矿胶带暗斜井巷道工程地质条件为背景，采用现场试验等方法，对大断面软岩巷道围岩变形进行了分析，得出巷帮煤体内扰动影响范围为煤帮以里4.7 m，而巷道底板变形原因为泥岩内部黏土矿物吸水膨胀导致泥岩产生微小裂隙，从而使泥岩发生崩解。拟定胶带暗斜井巷道支护方案并进行了应用。在掘进过程中，巷道围岩变形值为顶底板移近量最大为45 mm、两帮移近量最大为60 mm，围岩变形较小，巷道稳定性较好。

参考文献:

[1]杨茂青.深部软岩大断面巷道底鼓防治技术应用[J].江西煤炭科技,2022(4):61-63,67.

[2]刘建伟,薛城峰,李修养.二水平运输大巷软岩巷道综合修复治理技术[J].价值工程,2022,41(32):98-100.

[3]赵帅.采空区下泥质软岩巷道底鼓机理与联合支护技术研究[J].煤炭工程,2022,54(9):54-58.

[4]郭瑞,张勇,陈庆港.动静载荷下深部开挖巷道围岩变形破坏特征及支护优化[J].煤炭技术,2022,41(12):81-85.

[5]陈康,杨张杰,王福海,等.富水弱胶结顶板巷道支护优化设计研究[J].煤炭工程,2022,54(11):79-83.

[6]贾后省,张文彪,刘少伟,等.不稳定厚煤层回采巷道极软顶板破坏规律及分级控制[J].岩石力学与工程学报,2022,41(S2):3306-3316.

文章来源:李明峰.软岩大断面斜井巷道围岩控制技术应用[J].江西煤炭科技,2024,(03):69-71.