基于巖體膨脹性的巷道支護(hù)技術(shù)研究

基于巖體膨脹性的巷道支護(hù)技術(shù)研究

龍口礦業(yè)集團(tuán)有限公司（以下簡稱龍礦集團(tuán)）位于膠東半島西北部。它是中國唯一的沿海關(guān)聯(lián)公司。它擁有三個生產(chǎn)礦山，北棗煤礦、良勤煤礦和沃里煤礦，年生產(chǎn)能力約600萬噸。該礦區(qū)煤系地層為新生代下第三系地層,泥巖、黏土巖占80%以上,屬典型的三軟巖層。礦區(qū)自投產(chǎn)以來,巷道支護(hù)與維護(hù)一直是礦區(qū)的首要困難。多年的巷道支護(hù)實踐表明,在不同的工程地質(zhì)條件下,采用相同的巷道支護(hù)表現(xiàn)出來的支護(hù)效果迥然不同。下面以北皂煤礦為例進(jìn)行分析說明。1上組煤開拓工程的巷道支護(hù)情況北皂煤礦年設(shè)計能力90萬t,于1983年底投產(chǎn),分陸地和海域兩部分進(jìn)行開采。其中陸地部分分上、下組煤開采。上組煤開采煤2層,開采水平設(shè)在-175m水平;下組煤開采煤4層,其開采水平設(shè)在-250m水平。通過幾十年來的巷道支護(hù)實踐,在上組煤巷道支護(hù)中取得了較成功的經(jīng)驗(以錨噴為主,U型鋼噴、工字鋼噴及料石圓碹等多種支護(hù)形式并存),保證了礦井的正常生產(chǎn)及接續(xù)。但是隨著下組煤開拓深度不斷增加,特別是達(dá)到-250m水平,揭露煤4底板8m以下巖層后,采用上組煤成功的巷道支護(hù)經(jīng)驗,已不能滿足礦井正常生產(chǎn)的需要。從下組煤開拓延伸過程中統(tǒng)計看,在煤3底板巖層中掘的巷道,采用一般的料石圓碹支護(hù),除局部噴過一次厚50mm的C20混凝土以外,沒有進(jìn)行大的返修,滿足了礦井正常生產(chǎn)的需要。而在煤4底板8m以下的巖層中掘鑿的巷道,雖然在施工時加大了支護(hù)強(qiáng)度,但是破壞仍然相當(dāng)嚴(yán)重。在該層位中以采用料石圓碹或鋼筋混凝土碹為主要支護(hù)形式,累計施工了827m巷道。對這部分巷道先后多次采用重新返料石圓碹或鋼筋混凝土碹進(jìn)行了返修。累計返修工程量1610m,返修率達(dá)195%。嚴(yán)重影響了礦井安全生產(chǎn)和正常接續(xù),同時造成了人力、物力及財力的巨大浪費(fèi)。分析其原因,主要是巷道所處工程地質(zhì)條件的差異導(dǎo)致了巷道支護(hù)效果的不同。2巖中路防護(hù)分析：煤礦3個底板和煤礦4個底板下的巖中路防護(hù)分析2.1親水性膨脹巖巖石學(xué)特性北皂煤礦煤系地層屬于下第三紀(jì)泥質(zhì)巖,根據(jù)中國科學(xué)院地質(zhì)研究所關(guān)于泥質(zhì)巖膠結(jié)程度的分級與膨脹巖的判別分類,屬于弱膠結(jié)的親水性膨脹巖層,其巖層(除煤層和油頁巖外)膠結(jié)系數(shù)一般都在1～2范圍內(nèi),巖石干燥后再吸水而膨脹崩解為軟泥狀,并失去巖石的強(qiáng)度。根據(jù)中國科學(xué)院地質(zhì)研究所對北皂煤礦觀2孔泥質(zhì)巖膨脹性判別及觀2孔柱狀資料分析整理,得到煤3底板至煤4底板8m以上巖層,以及煤4底板8m以下巖層有關(guān)主要膨脹性參數(shù)的平均值(表1)。2.2巖塊的天然含水率①巖層本身具有吸水膨脹性;②巖層只有在干濕交替作用下才發(fā)生吸水膨脹現(xiàn)象。從多次崩解試驗看,保持天然含水率的巖塊浸泡在水中不產(chǎn)生崩解現(xiàn)象,而使其失水(如烘干、曬干、風(fēng)化等),打破巖塊的天然含水率狀態(tài)后再浸泡于水中,巖塊很快就產(chǎn)生膨脹崩解,而且干燥飽和吸水率越大、膠結(jié)系數(shù)越小、蒙脫石含量越高、表面積越大的巖塊,膨脹崩解越是迅速強(qiáng)烈。2.3膨脹崩解與圍巖對于支護(hù)體的抗剪作用井下巷道圍巖一經(jīng)揭露,由于圍巖本身巖性及所處環(huán)境不同造成圍巖失水程度不同。當(dāng)圍巖失水打破了天然含水率狀態(tài),再遭受水的侵蝕時,圍巖就會發(fā)生膨脹崩解。圍巖風(fēng)化帶越厚,失水深度越大,圍巖再吸水膨脹崩解就越厲害,作用于巷道支護(hù)體上的膨脹力隨之就越強(qiáng)。當(dāng)膨脹崩解產(chǎn)生的膨脹力與其他應(yīng)力之和小于或等于巷道支護(hù)體強(qiáng)度時,支護(hù)體處于相對穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)膨脹崩解產(chǎn)生的膨脹力與其他應(yīng)力之和大于巷道支護(hù)體強(qiáng)度時,造成支護(hù)體產(chǎn)生擠壓性破壞,導(dǎo)致支護(hù)體嚴(yán)重變形,直至完全破壞。2.4煤3底板至煤4底板層位的膨脹性從表1還可以看出,煤3底板至煤4底板8m以上段巖層,其巖塊的干燥飽和吸水率平均為64.03%。雖然屬強(qiáng)膨脹性,但接近強(qiáng)膨脹性劃分范圍的下限。蒙脫石含量平均為17.26%,比表面積平均為181.12m2/g,與膨脹性密切相關(guān)的這些參數(shù)相對較小,即使巷道圍巖失水打破了其天然含水率狀態(tài),因圍巖本身膨脹性相對較差,所以圍巖膨脹作用在巷道支護(hù)體上的膨脹力相對較小,巷道支護(hù)效果較好。而煤4底板8m以下巖層以泥巖為主,其空隙相對致密不發(fā)育,透水性能差,巷道圍巖被揭露后,巖層因風(fēng)化耐久性較差,巷道圍巖風(fēng)化失水,深部巖層又不能及時補(bǔ)給水量,造成圍巖天然含水率狀態(tài)被破壞,圍巖抗外界水作用能力相對較差。另外,該層位的膠結(jié)系數(shù)平均1.27,只有煤3底板到煤4底板8m以上層位膠結(jié)系數(shù)(1.77)的0.72倍,比煤3底板巖層平均膠結(jié)系數(shù)小得多,膠結(jié)程度相對較差。所以,該層位易遭受外界水的作用產(chǎn)生膨脹崩解。從表1中可以看出,煤4底板8m以下巖層巖塊干燥飽和吸水率平均為122.28%,其膨脹性是煤3底板到煤4底板8m上層位的1.91倍;比表面積平均為351.83m2/g,是煤3底板到煤4底板8m上層位的1.94倍;蒙脫石含量平均為35.41%,是煤3底板到煤4底板8m上層位的2.1倍,按膨脹性劃分標(biāo)準(zhǔn)為劇膨脹巖層。尤其對于弱膠結(jié)泥質(zhì)巖來說,有效蒙脫石含量的多少對其膨脹性的大小具有重要的控制作用,蒙脫石含量的微小增加,其膨脹性都有明顯的變化。由此決定了在煤4底板8m以下巖層中掘鑿的巷道圍巖在經(jīng)過干濕交替后,圍巖膨脹性較強(qiáng)。隨著巖石膨脹作用的發(fā)生,導(dǎo)致巖石強(qiáng)度的急劇衰減。當(dāng)膨脹產(chǎn)生的膨脹力與其他應(yīng)力之和大于巷道支護(hù)體強(qiáng)度時,支護(hù)體破壞,巷道支護(hù)效果顯現(xiàn)極差。以上理論分析與下組煤開拓延伸過程中實際揭露的實際情況是吻合的。下組煤人行斜井(16°)下山,材料斜井(18°)下山分別揭露煤3底板120m,采用料石圓碹支護(hù)皆已施工120個月,除人行斜井下頭20m穿越17m落差的F2-3斷層處被返修外,其他未進(jìn)行返修。而在煤4底板8m以下巖層中掘鑿的巷道,如下組煤-250m井底車場通過線250m,料石圓碹支護(hù),施工后2～6個月被壓垮;下組煤-250m西大巷170m,料石圓碹支護(hù)施工后1～4個月被壓垮;材料井下車場及繞道鋼筋混凝土澆注50m、料石圓碹支護(hù)100m,施工后5～13個月被壓垮;下組煤翻籠繞道210m采用馬蹄形桁架錨噴封閉支護(hù),幾乎隨施工隨被壓垮,后又經(jīng)套封閉U型鋼棚及料石圓碹,結(jié)果又被壓垮,現(xiàn)已封閉廢棄?？傊?在煤3底板巷道施工中,巖層濕潤,局部巖層甚至還有淋水現(xiàn)象,掘進(jìn)時打眼困難,施工地點泥水多,作業(yè)條件差,但是巷道圍巖的工程地質(zhì)條件較好,施工后巷道支護(hù)效果較好;而在煤4底板8m以下巖層中施工巷道時,施工地點比較干燥,作業(yè)條件較好,但是巷道圍巖的工程地質(zhì)條件較差,施工后巷道破壞嚴(yán)重,支護(hù)效果極差。3柔性主動支護(hù)和可縮性較大的剛性支護(hù)相結(jié)合支護(hù)形式的選擇(1)設(shè)計時盡量考慮在煤4底板8m以上巖層中布置巷道,避開煤4底板8m以下巖層。無法避免時,應(yīng)采用柔性