高应力软岩开拓巷道底鼓分析及对策研究

高应力软岩开拓巷道底鼓分析及对策研究

李怀珍,张　盛,陈涌泉

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(1.河南理工大学能源学院,　河南焦作市　4000;2.河南省煤监局,　河南郑州　450003)

摘　要:对赵固一矿开拓巷道底鼓机理进行了分析,确认巷道底鼓属于挤压流动性底鼓。采用高强度锚网索一次支护与长环形全封闭支架二次支护方式对底鼓巷道治理2个月后,巷道顶底板和两帮位移量都小于30mm,巷道首次修复周期由2～3个月延长到10个月以上,保证了矿井生产的正常进行。

关键词:开拓巷道;底鼓;高应力;软岩;支护中图分类号:TD263　　　文献标识码:A文章编号:1005-2763(2009)04-0034-03

ResearchonCausesandControlMeasuresofFloorHeaveofDevelopmentRoadwaywithHighStressinSoftRock

LiHuaizhen,ZhangSheng,ChenYongquan

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矿井。矿井设计年生产能力为240万t,采深超过600m。赵固一矿开发的二1煤层属近水平发育的

稳定型厚煤层,煤层倾角2°～6°,厚度6～8m。开拓巷道布置在煤层中,在巷道施工过程中,巷道变形大,部分巷道底臌非常严重,极大地影响了矿井安全生产的正常运行。在2007年2月21日至2007年10月22日期间,在井底车场与大巷局部地段,还先

后发生7次不同程度的急速底臌。一般地,底鼓速度从30mm/d到100mm/d不等,而最快的主副井底联络巷出现过3h底鼓近1500mm的现象。

图1是东翼回风大巷2测点和3测点的底鼓累计位移曲线,图2是东翼回风大巷2测点和3测点的底鼓速率曲线。从图中可以看出,在巷道掘进近两个月时间后加上卧底量,底鼓累计量达到1200mm,底鼓速率由开始的45mm/d逐渐降低10～20mm/d,底鼓趋势减缓,但没有达到稳定。

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(1.SchoolofEnergyScienceandEngineeringofHenanpolytechnicUniversity,Jiaozuo,Henan,4000,China;

2.HenanAdministrationofCoalMineSafety,

Zhengzhou,Henan45003,China)

Abstract:ThefloorheavemechanismofdevelopmentroadwayinZhaoguNo.1Minewasanalyzed,andthefloorheavewascon2sideredasanextrudingandflowingtype.Aftertwomonthsofsupportinginwhichhigh-strengthanchor,steelnetworkandcablewasusedforfirstsupportingandafull-lengthclosedringsupportusedforsecondsupporting,inthedevelopmentroadwaythedisplacementatroof,floorandtwosideswaslessthan30mm,andthetimeoffirstrepairwasextendedfrom2to3monthsto10monthsandabove,sotheregularproductionoftheminewasassured.

KeyWords:Developmentroadway,Floorheave,Highstress,Softrock,Supporting

图1　东翼回风大巷底鼓累计位移曲线

巷道底鼓是巷道矿压显现和围岩变形的一个重要特征。本文对焦作矿区赵固一矿全煤开拓巷道底鼓机理和产生的原因进行分析,并提出合理的支护措施。

1　底鼓现象描述

赵固一矿位于焦作煤田东部,为焦煤集团新建

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图2　东翼回风大巷底鼓速率曲线

收稿日期:2008-08-12

基金项目:河南省基础与前沿技术研究计划资助项目(072300440100).

作者简介:李怀珍,(1977-),男,山东聊城人,硕士,讲师,主要从事巷道支护技术研究与教学工作,Email:lhz@hpu.edu.cn。

　李怀珍,等:　高应力软岩开拓巷道底鼓分析及对策研究

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2　巷道底鼓影响因素分析

2.1　巷道底板岩性的影响

产,开拓巷道施工点多,且同时施工,加剧了巷道间

的相互影响和底鼓的严重程度。2.4　围岩渗水和底板水压的影响顶板在掘进后有淋水,一般持续3～5d,局部淋水达15d以上,顶板淋水造成巷道底板经常积水,底板的煤及泥岩浸水后强度有一定程度的弱化。底板细粒砂岩抗压强度一般干燥时为32.78MPa,吸水后抗压强度降为16～30MPa;砂质泥岩干燥时抗压强度为13.36MPa、吸水后抗压强度为5.6～11.4MPa;泥岩干燥时抗压强度为24～30MPa,吸水后抗压强度为3.9～12.8MPa。可见泥岩、砂质泥岩吸水后强度明显降低,是巷道发生底鼓的另一个重要原因。

另外,距离开拓巷道煤层底板30m左右,存在富含水层,且水压最高达到6MPa以上,如此高的水压,对底板应力场有较大的影响。由于底板岩石性质较弱,加上吸水后强度减小,裂隙增大,而底板又无任何支护措施时,导致巷道极易发生底鼓。2.5　支护的影响

东翼回风大巷沿二1煤层顶板掘进,巷道所处位置煤层厚6.8m。在掘进距风井250～330m过程中,巷道底臌1.5～2.0m,并在距窝头20m位置出现1.0～3.0m/h涌水,掘进被迫停止,为7次巷道严重底鼓之一。

图3为该巷道的岩层柱状图。从图3岩层柱状图看,巷道基本处于煤、泥岩、砂质泥岩等较软层位。底板中存在一薄层中、细砂岩,厚度不一,节理发育,而且完整性差。距离1m之外的砂质泥岩完整性也较差,节理、裂隙较为发育。在距离煤层14m处存在L9灰岩含水层。底板岩性较弱,完整性差,容易发生巷道底鼓现象。

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赵固一矿开拓巷道位于主采二1煤层中,沿着煤层顶板进行掘进。根据高阻让压,强力支护,预留断面;二次支护,固结强化围岩,U钢全断面封闭强化的支护的原则,巷道综合支护技术方案为一次支护采用锚杆锚索网喷支护、二次支护采用长环形支架刚性支护。由于一次支护对顶板和两帮进行锚网索支护,而对巷道底板没有进行支护,因此,二次支护前的巷道容易产生底鼓。

图3　东翼回风大巷底鼓段局部岩层柱状图

2.2　构造应力的影响

赵固一矿井田内断层较发育,落差20m以上的断层有11条,断层位置存在摆动性且多为导水断层。在断层附近,特别是断层端部、两断层交汇处以及岩层发生剧变的地方,是构造应力容易集中的地方。构造应力的基本特点是以水平应力为主,具有明显的方向性和区域性。水平应力是引起巷道顶板冒落,底板鼓起、两帮内挤的主要因素。在软岩和厚煤层中,底板岩层在水平应力作用下,与形成褶曲构造相类似,向巷道空间鼓起,形成底鼓。从赵固一矿几次严重底臌地点分析,东西向较多,与构造应力影响密不可分。2.3　支承压力的影响

3　巷道底鼓机理

发生底鼓的一个重要原因是巷道在支承压力作

用下,巷道围岩发生不均匀的整体下沉,比较松软的煤帮下沉会引起巷道底鼓。巷道角部由于应力集中造成破坏,因而以帮、角的塑性区为最大。结合其他位置分析赵固一矿底鼓的原因,可以判断巷道的底鼓属于挤压流动性底鼓。这种类型的底鼓常发生于直接底板为软弱破碎岩层(如砂质泥岩、煤等),而两帮和顶板的强度远大于底板岩体强度的情况。在两帮岩柱的压模效应和远场应力的作用下,底板软弱破碎岩体挤压流动到巷道内。

赵固一矿开拓巷道自重应力和水平构造应力大,开拓巷道布置在煤层中,巷道顶底板为较软的泥岩、砂质泥岩,且底板中存在的薄层中、细砂岩和砂

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在支承压力作用下,巷道围岩发生不均匀的整体下沉,比较松软的煤帮下沉会引起巷道底鼓。巷道角部由于应力集中造成破坏,因而以帮、角的塑性区为最大。另外由于矿井正在加紧建设以便尽快投

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　　(上接第35页)质泥岩节理、裂隙较为发育,完整性差,容易导致底鼓的发生。开拓巷道开挖后,一次支护对巷道底板没有进行支护,是巷道产生底鼓的原因之一。同时井田内断层发育,构造应力的方向性和区域性加剧了局部地段底鼓的强烈程度。开拓巷道施工点多,且同时施工,加剧了巷道间的相互影响和底鼓的严重程度。另外,赵固一矿水压达6MPa以上,水对底板应力场影响较大。顶板淋水造成巷道底板长时间积水,使底板煤及泥岩强度弱化。而施工管理的严格程度和支护质量的好坏也是底鼓严重程度的一个影响因素。以上多种综合因素导致赵固一矿开拓巷道产生挤压流动性底鼓。

站。测试结果表明,长环形全封闭支护后1个月,巷道顶底板和两帮变形总量都小于30mm,1个月以后巷道基本不再发生变形。这种高强度锚网索一次支护与长环形全封闭支架二次支护方式,成功的地控制了巷道底鼓的发生,使原来单纯使用锚网索支护巷道的首次修复周期由2～3个月延长至10个月以上。

5　结　论

(1)赵固一矿开拓巷道为高应力软岩巷道,底

鼓为挤压流动性底鼓。

(2)开拓巷道产生底鼓与下列因素有关:矿井为深部开采,自重应力和水平构造应力大;开拓巷道布置在煤层中,顶底板围岩较软且节理、裂隙较为发育,完整性差;井田内断层发育,加剧了局部地段底鼓的强烈程度;巷道开挖后一次支护未对巷道底板进行支护;采动影响频繁;底板水压大,顶板淋水弱化围岩强度等。

(3)采用高强度锚网索一次支护与长环形全封闭支架二次支护方式支护后1个月,巷道顶底板和两帮变形总量都小于30mm,1个月以后巷道基本不再发生变形,成功的控制了巷道底鼓的发生,使原来单纯使用锚网索支护巷道的修复期由2～3个月延长到10个月以上。

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4　巷道底鼓治理的对策

赵固一矿的开拓大巷,布置在煤层中,且服务时

间长。为了控制巷道底鼓,首先必须加强井下水文地质和工程地质情况勘察,加强巷道围岩淋水和底板水的治理。要尽量调整巷道轴向与最大水平主应力方向的夹角,减少或避免水平构造应力的影响。要加强施工管理,巷道开挖后立即喷射混凝土封闭围岩,防止围岩风化和遇水弱化。在一次支护中保证顶板和两帮的施工质量,避免因顶板和两帮的变

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形破坏导致底鼓的加剧。选取的支护方法必须尽量增加巷道底板的整体性。在开拓巷道基本趋于稳定后,采用长环形支架对巷道进行全封闭支护。

赵固一矿开拓巷道在采掘后,采用高强度锚网索一次支护,待巷道变形速度趋缓时,采用长环形U36钢金属支架封闭式支架进行二次支护,并在巷道底板浇注混凝土形成反拱控制底鼓。为验证巷道长环形支架治理的支护效果,建立了巷道变形观测

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