维普资讯 http://www.cqvip.com 矿 业 工 程 第６卷第５期 ２８ Ｍｉｎｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２００８年１Ｏ月 深部高应力强膨胀型软岩巷道支护对策研究 吴雨星 （唐山国锋钢铁有限公司，河北唐山０６３３００） 摘要：结合鹤岗矿务局兴安矿一５０２ Ｉｎ水平新副井井筒与马头门交叉点的工程实例，分析了深部中生 代高应力强膨胀型软岩巷道交叉点的破坏特征，提出了柔层桁架支护的原理及该技术的可适用性。实践表 明，该支护技术能有效地控制深部软岩巷道交叉点变形的问题。 关键词：深部；软岩；高应力；柔层桁架 中图分类号：ＴＤ ３５３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—８５５０（２００８）０５一ＯＯ２８一Ｏ３ ０ 引言 地质 层底标高 厚度 桂状 岩性描述 年代 ／ｍ ／ｍ 图 随着开采深度的不断增加和高应力的影响，深 ７．９２ 粉细互层局部 —ｌ９１．５６ 夹中砂岩 部岩石巷道的矿压现象尤为明显，常规的支护手段 已明显的不适应，给煤矿的安全生产带来了极大的 ３．５４ 粉砂岩， 困难［１ ］。因此，深部软岩巷道支护已成为急需解 —４９５．１Ｏ 较破碎 １３２ 决的问题之一，深部高应力强膨胀复合型软岩巷道 —４９６．４２ 粉细互层 Ｊ 交叉点支护尤为突出，本文就其支护问题进行探讨。 ４．９８ ＿５Ｏ２ｉ 粉砂岩层理、 水平 一５０１．４／｝ 节理发育 １ 兴安矿深部中生代软岩工程地质特征 一５Ｏ３．９８ １．９８ 磐 １．１ 地层岩性 一５ｏ６．Ｏ８ ２．１０ 粉砂岩灰色 砂岩 邑ｍ告吉 兴安矿－－５０２ ＩＴＩ水平井底车场位于中生代侏罗 ２．５０ 一 ｎＲ Ｒ 粉细互层 系三台子组砂岩段和砾岩段地层中，岩性以粉砂 ７．Ｏ２ 岩、细砂岩、粉细互层、中砂岩及粗中砾岩为主。 粗中砾岩： 白色、硬 其地质柱状如图１所示。 —６１５．６ １．２膨胀性粘±矿物 为了解巷道围岩中膨胀性粘土矿物的种类及含 图１ 兴安矿一５０２ ｍ水平地质柱状图 量，在兴安矿－－５０２ ＩＴＩ水平井底车场围岩中选取了 表２ —５０２ ｍ水平马头门帮部粘土矿物Ｘ－射线衍射分析 １９组岩样进行了电镜、能谱、ｘ射线衍射及５５０℃ 加热分析，结果如表１、２所示。 表１ —５０２ ｍ水平马头门帮部矿物Ｘ一射线衍射分析 岩石 岩样特征 矿物种类和含量（％） 粘土矿物 石英钾长石斜长石黄铁矿总量（ ） 分析结果表明，巷道围岩的泥质成分含量较 大，其粘土矿物主要为伊一蒙混层、伊利石、高岭 石。其中膨胀及吸水性较强的伊一蒙混矿物的相对 含量５７ ～８９ ，平均６５ ，最高达８９ 。其混 层比４Ｏ ～７Ｏ ，平均５３ ，最大达７５ 。岩样 基金项目 国家自然科学基金重大项目“深部岩体力学基础研究与 应用”（５０４９０２７０）资助。 微结构以层状和片状为主。由此可见，兴安矿 收稿日期：２０ｏ８一Ｏ４—２１ 一作者简介：吴雨星（１９７９一），男（汉族），河北唐山人，唐山国锋 ５０２ １ＴＩ水平软岩的变形力学机制并不是单一型， 钢铁有限公司助理工程师，主要从事软岩、工程地质等方面的研究。 而是高应力强膨胀复合型软岩，这也正是软岩巷道 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年第５期 吴雨星 深部高应力强膨胀型软岩巷道支护对策研究 ２９ 难支护的关键所在。 ２软岩巷道破坏状况及原因 ２００２年以来，兴安矿一５０２ ｒｎ水平部分巷道和 井筒陆续发生了变形和破坏现象，虽然采取了多种 措施加固和修复，但变形破坏并未得到控制。 副井马头门２００２年施工完毕，截止到２００４年 ４月，南马头门底臌严重，平底梁向上鼓起１．３～ １．６ ｒｎ；顶部因收帮产生压剪破坏，使钢筋弯成 “ｓ”形；混凝土脱落；收帮量３００～５００ ｒｎｒｎ（东 侧１００ｔ２００ ｒｎｒｎ、西侧２００～３００ ｒｎｉＴ１）。井底车场 空、重车线巷道成巷后陆续发生了变形和破坏，空 车线巷道严重变形，产生了严重的顶板下沉、底 臌，顶板下沉量４００～６００ ｒｎｒｎ、底臌量约３００～ ５００ ｒｎｒｎ、侧帮收敛量２００～３００ ｒｎｒｎ，已不能正常 使用。经过对井巷工程破坏状况的调查和分析，其 主要的破坏原因：１）一５０２ ｒｎ水平所处位置工程 地质条件复杂，巷道围岩膨胀性矿物含量高，伊一 蒙混层矿物含量５７ ～８９ ，巷道围岩属于膨胀 性软岩；２）受构造影响围岩强度低且层理发育； ３）围岩赋存深度大，巷道埋深７５０ ｒｎ；环境地应 力水平高，自重应力１５ ＭＰａ，集中应力３０ ＭＰａ； ４）支护理论运用不当，仍沿用传统的浅部线性设 计理论，对支护材料的耦合支护机理认识不足；５） 原支护形式不合理、支护强度弱。巷道在围岩较为 破碎的条件下，采用单一的锚喷支护，顶部没有足 够的锚索，造成局部地段顶板离层、下沉量偏大； 帮部和底部处于无支护状态，围岩变形得不到有效 控制，造成帮部收缩和底臌；６）施工顺序不当， 深部工程软岩是一个非线性大变形问题，与软岩的 荷载历史密切相关，而施工顺序则直接决定了软岩 的受力过程。该巷道施工过程中的顺序安排不当， 致使井底车场各巷道在开挖过程中反复受到扰动， 对其稳定十分不利。 ３软岩巷道变形力学机制及转化技术 通过对一５０２ ｒｎ水平软岩工程地质特征、巷道 变形破坏状况及室内物化力学试验分析，可以确定 该水平软岩的变形力学机制，并据此制定相应的支 护力学对策。研究表明，导致该水平软岩难支护的 原因：１）大深度（井底车场所处深度７５０ ｒｎ）、高 应力（井底车场深度水平的自重应力约１５～ １６ ＭＰａ）；２）膨胀性粘土矿物伊一蒙混层的平均 含量高达６５ ，最高８９ ，使围岩具有较高的膨 胀性、吸水性。此外，层理结构亦对围岩的变形破 坏有严重影响。 兴安矿一５０２ ｒｎ水平（深７５０ ＩＴＩ）属中生代侏 罗纪煤系地层，其副井井筒一马头门部位采用的是 锚网喷支护，由于其断面较大又是交叉点，应力集 中，所以巷道底臌１．５ ｒｎ、收帮０．６ ｒｎ、落顶 ０．６ ｒｎ，井筒裂缝纵横分布，塌方不时发生，破坏 十分严重。经研究，该交叉工程部位的变形力学机 制为Ｉ Ⅱ 。Ⅲ Ⅲ 型，即具有分子及胶体的膨 胀机制、重力高应力和巷道交叉相互影响的工程偏 应力共同作用的应力扩容型以及该巷道顺层及切层 开拓所引起的结构变形的强膨胀复合型软岩巷道。 对Ｉ Ⅱ 。Ⅲ Ⅲ 复合型软岩巷道，首先经 过先期变形（如底臌１．５ ｒｎ）已经释放了大量的非 线性膨胀能和塑性能。使其转化为比较简单的Ⅱ 。 Ⅲｃ Ⅲｃｃ型；又采用了锚杆三维优化技术，有效地 控制了结构变形，使其转化为Ⅱ 。型；再采用新的 桁架支护结构设计，使交叉点的任何部位应力集中 点迅速扩散到邻近支护构件上，使应力均匀化。这 是该大断面巷道交叉工程部位一次支护成功并实现 永久稳定的关键。 具体的转化及支护力学对策如下： ｌ Ⅱ 。ｍ ｍ 坚 ⅡＢＤⅢｃＡⅢ Ⅱ∽型儿ｅｎ一Ⅱ 儿ｅ ４巷道支护设计及对策 ４．１支护对策 兴安矿一５０２ ｒｎ水平单机车线与水仓立体交叉 点的埋深（７５０ ｒｎ）及断面较大，开挖后应力集中 程度高，围岩岩性较差且强度较低。根据上述对巷 道变形力学机制及转换对策的分析，对其交叉点采 取了锚网索喷＋底角锚杆＋柔层桁架支护技术。 ４．２ 柔层桁架支护的定义及力学原理 从力学概念上讲，柔层桁架支护是在支护体内 设置刚性层和柔性层，并在其之间预留一定的间 隙，使其能大幅度地吸收高应力软岩的大变形，利 用钢架材料所具有的优势特性，通过力学杆件将其 劣势特性转化，从而提高支护的整体稳定性¨］，这 样就形成了所谓的柔层桁架。它具有充分的间隙适 应软岩的大变形，同时又在一定的时刻具有充分的 刚度围岩的有害变形，从而成为高应力转化最 多、围岩强度保护最好的支护技术。 一般钢架支护在大型硐室或交叉点支护时所产 维普资讯 http://www.cqvip.com ３０ 矿 业 工 程 第６卷第５期 生的破坏，主要是弯曲和扭曲变形等刚度破坏，以 及剪坏和拉坏等强度破坏。这主要是由于钢架本身 １０ 结构刚度低，所具有的抗弯、抗扭能力差等造成 ： 的。而钢架所具有的优势是材料强度高，抗拉、抗 ４２ 压及抗剪能力强。利用连接件将单层的工字钢支架 ０ Ｉ ３ ５ ７ ９ ＩＩ １３ １５ １７ １９ ２１ ２３ ２５ ２７ ３０ ３４ ３８４２ ４６ ５０天 连接成双层的支架，在横向上利用连接杆将单个支 架连接成立体桁架，使之成为一个整体，从而把钢 图３ １ 测站位移变化曲线 架抗弯、抗扭的部位通过结构设计转化为抗拉、抗 ２０压或抗剪的性能。同时，在柔性喷层和钢架之间预 ｌ６ 留一定的空隙，在刚隙柔层的控制下，围岩有 ２ 的充分变形，释放变形能量，从而形成比较均匀的 外部塑性和内部弹性工作状态区，以达到将高应力 ： １ ３ ５ ７ ９ １１ １３１５１７１９２１ ２３ ２５ ２７ ３０ ３４鸳位４６勋天 能量转化为变形或转移到围岩内部的目的，待柔性 喷层与钢架接触时，再喷混凝土永久支护。 图４ ２ 测站位移变化曲线 ４．３支护参数设计 ６ 结语 马头门巷道断面为直墙半圆拱型，如图２所示。 通过现场调查和理论分析，确定了兴安矿 一５０２ １ＴＩ水平新副井与马头门交叉点的破坏原因。 经过室内实验确定了该巷道的变形力学机制，提出 了锚网索喷＋底角锚杆＋柔层桁架联合支护对策， 即一次锚网索喷耦合支护，二次柔层桁架支护。 实践表明，针对兴安矿深部中生代高应力膨 胀性软岩巷道立体交叉点关键部位，采取柔层桁架支 护方式是可靠的。该支护技术不仅有效地控制了深部 软岩巷道交叉点的变形问题，而且节省了钢架和混凝 图２ 交叉点柔层桁架支护设计图 土的用量，具有较高的经济效益和实用价值，值得在 类似兴安矿中生代软岩的矿区推广应用。 ５支护效果分析 参考文献： ［１］ 何满潮，孙晓明．中国煤矿软岩巷道工程支护设计与施工指 南Ｉ－Ｍ］．北京：科学出版社，２００４． 兴安矿一５０２ ｍ水平新副井井筒与马头门交叉 Ｉ－２］何满潮，袁和生等．中国煤矿锚杆支护理论与实践［Ｍ］． 点关键部位采用了柔层桁架支护技术，巷道变形得 北京：科学出版社，２００４． Ｉ－３］何满潮，景海河，孙晓明．软岩工程力学Ｉ－Ｍ］．北京：科 到了有效控制，巷道造型良好。为了检验支护效 学出版社，２００２． 果，在南北马头门分别各设一组测站分别监测巷道 ［４］ Ｍａｎｃｈａｏ Ｈｅ，Ｑｉｎｇｗｅｉ Ｄｕａｎ＆Ｘｉａｏｍｉｎｇ Ｓｕｎ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｆｔ ｒｏｃｋ ｉｎ Ｃｈｉｎａ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ 围岩的两帮收缩、顶板下沉和底臌，经过５Ｏ天的 ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｎｅｒａｌｓ ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ．Ｘｉｅ，Ｗａｎｇ＆Ｊｉａｎｇ 监测结果表明，巷道围岩最大变形上行１３ ｍｍ、下 （ｅｄｓ）２００１，Ａ．Ａ．Ｂａｌｋｅｍａ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，２００１． ｒ－ｓ］何满潮，郭志飚，任爱武，胡永光．柳海矿运输大巷返修工 行２Ｏ ｍｍ，均已趋于稳定（图３、４）。 程深部软岩支护设计研究．《岩土工程学报》，２００５（９）： ９７７～９Ｒ０． Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｓｕｐｐｏｒｔ ｏｆ ｄｅｅｐｌｙｉｎｇ ｈｉｇｈ－－ｓｔｒｅｓｓ ｈｅａｖｙ ｅｘｐａｎｓｉｂｌｅ ｓｏｆｔ ｒｏｃｋ ＷＵ Ｙｕ－ｘｉｎｇ （Ｔａｎｇｓｈａｎ Ｇｕｏｆｅｎ Ｉｒｏｎ ８Ｌ Ｓｔｅｅｌ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｔｄ．，Ｔａｎｇｓｈａｎ ０６３３００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ Ｘｉｎｇ—ａｎ Ｍｉｎｅ ｏｆ Ｈｅｇａｎｇ Ｍｉｎｉｎｇ Ｂｕｒｅａｕ，ｔｈｅ ｗｅｌｌ ｂｏｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｓｅｒｖｉｃｅ ｓｈａｆｔ ｃｒｏｓｓｅｓ ｔｈｅ ｈｏｒｓｅｈｅａｄ．Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｉｓ ｃａｓｅ ａｓ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｆｅａｔｕｒｅ ｏｆ ｃｒｏｓｓ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｆｏｒｍｅｄ ｂｙ Ｍｅｓｏｚｏｉｃ ｈｉｇｈ—ｓｔｒｅｓｓ ｈｅａｖｙ ｅｘｐａｎｓｉｂｌｅ ｓｏｆｔ ｒｏｃｋ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｓｕｐｐｏｒｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｓｏｆｔ～ｌａｙｅｒ ａｎｄ ｉｔｓ ｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃａｎ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｃｃｕｒｒｉｎｇ ａｔ ｃｒｏｓｓ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｆｏｒｍｅｄ ｂｙ ｓｏｆｔ ｒｏｃｋ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｅｅｐ ｐｌａｃｅ；ｓｏｆｔ ｒｏｃｋ；ｈｉｇｈ—ｓｔｒｅｓｓ；ｔｒｕｓｓ ｆｒａｍｅ ｉｎ ｓｏｆｔ—ｌａｙｅｒ
