工程軟巖巷道變形機(jī)理支護(hù)修復(fù)方案設(shè)計(jì)
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0引言
目前對(duì)煤礦中軟巖比較一致的定義為“在工程地質(zhì)環(huán)境下難于支護(hù)的巖體”。支護(hù)難易程度是由巖體物理性質(zhì)（內(nèi)因）和工程地質(zhì)環(huán)境（外因）所決定的。巖體物理性質(zhì)包括可塑性、分散性、崩解性、觸變性。巖體的力學(xué)性質(zhì)包括巖石強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面組數(shù)、密度、結(jié)合性、強(qiáng)度、粗糙度等。工程地質(zhì)環(huán)境地下水、原巖應(yīng)力、采動(dòng)影響、巷道尺寸、施工方法等。因此，根據(jù)“難于支護(hù)”的原因可分為高應(yīng)力軟巖、膨脹性軟巖、節(jié)理化軟巖、弱化性軟巖和復(fù)合型軟巖。伊田煤礦11號(hào)煤3條大巷由東往西掘進(jìn)至500mm、由西往東掘進(jìn)至約400m時(shí)，3條大巷在掘進(jìn)過(guò)程中，先后揭露了無(wú)炭柱、斷層、褶曲、頂板裂隙水等地質(zhì)異常情況，屬于煤礦軟巖中的工程地質(zhì)軟巖，這種施工環(huán)境下的軟巖巷道難以支護(hù)，給掘進(jìn)施工造成了較大難度。對(duì)伊田煤礦11號(hào)煤3條大巷的巷道修復(fù)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和說(shuō)明，旨在為其他類(lèi)似工程條件的巷道支護(hù)，提供一種切實(shí)有效的參考方案。
1我國(guó)軟巖巷道變形特征統(tǒng)計(jì)
考慮到軟巖巷道的形式的多樣性，以及軟巖成因和判定原則的不同，以軟巖巷道變形的不同機(jī)理對(duì)多種類(lèi)型的軟巖巷道進(jìn)行了區(qū)分。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可以根據(jù)變形機(jī)理將軟巖巷道劃分為3類(lèi)；松動(dòng)塌落型軟巖巷道、擠壓流動(dòng)型軟巖巷道和膨脹型軟巖巷道。
1.1松動(dòng)塌落型軟巖巷道的變形特征
松動(dòng)塌落型軟巖巷道，其主要變形特征表現(xiàn)為：在開(kāi)挖巷道之后，巷道的自穩(wěn)時(shí)間比較短，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)邊掘邊冒現(xiàn)象。主要原因是軟巖巷道的破碎結(jié)構(gòu)和軟巖巷道的散體結(jié)構(gòu)在開(kāi)挖巷道之前就處于強(qiáng)烈的破壞狀態(tài)，其狀態(tài)為“潛塑性”，此時(shí)巖體的粘結(jié)力很低，同時(shí)其摩擦系數(shù)也比較小，在原始地應(yīng)力作用下，巖體之間失去了相互咬合的咬合力。當(dāng)開(kāi)挖巷道之后，軟巖巷道的巖體處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，甚至在微小的偏應(yīng)力的作用下就會(huì)發(fā)生巷道破壞，此時(shí)，軟巖巷道會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)大范圍松動(dòng)破壞，釋放出強(qiáng)大的松動(dòng)地壓，破壞巷道的支護(hù)體，巷道出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。對(duì)于這種類(lèi)型的巷道，一般可以根據(jù)軟巖巷道的冒頂程度，進(jìn)行巷道壓力的估算。
1.2擠壓流動(dòng)型軟巖巷道的變形特征
擠壓流動(dòng)型軟巖巷道表現(xiàn)為全斷面塑性收縮的軟弱型、破碎型、高應(yīng)力型，可歸納以下3項(xiàng)特征：
（1）巷道圍巖表面變形特點(diǎn)是軟巖巷道在開(kāi)掘之后，圍巖的初始位移發(fā)展速度較快，軟巖巷道的圍巖發(fā)生全斷面性的塑性壓入破壞；及時(shí)圍巖變形影響較低時(shí)，巷道圍巖依舊表現(xiàn)出較高水平的流變性，此時(shí)巷道圍巖地壓形式，可以歸為形變式地壓。
（2）軟巖巷道開(kāi)挖之后，松動(dòng)破裂帶會(huì)出現(xiàn)在巷道周邊的一定范圍之內(nèi)，在現(xiàn)有支護(hù)條件下，軟巖巷道的破壞過(guò)程中，支護(hù)體主要承受?chē)鷰r的松動(dòng)壓力作用。
（3）軟巖巷道的圍巖變形量往往都比較大，正常情況下，變形量都接近或超過(guò)200mm，正常情況下，松動(dòng)破裂帶的巖體會(huì)發(fā)生碎脹作用，繼而產(chǎn)生形變，該部分的變形量能夠占到巷道總位移的60%左右。當(dāng)支護(hù)有效時(shí)，松動(dòng)破裂帶圍巖逐漸由松馳狀態(tài)轉(zhuǎn)為壓密狀態(tài)，使壓密區(qū)范圍越來(lái)越大，圍巖的碎脹變形量減??；當(dāng)支護(hù)無(wú)效時(shí)，松動(dòng)破裂帶范圍逐漸增大，壓密承載逐漸減小，圍巖的碎脹變形量越來(lái)越大，巷道失穩(wěn)破壞。
1.3膨脹型軟巖巷道的變形特征
膨脹型軟巖富含粘土礦物成份，其主要變形特征表現(xiàn)為：當(dāng)粘土質(zhì)接觸水之后就發(fā)生膨脹，使巖體中的顆粒間距變大，處于極限含水率狀態(tài)下的膨脹性軟巖，其顆粒間幾乎不存在相互結(jié)合力，此時(shí)的圍巖巖體會(huì)充分的膨脹，最后崩解。
1.4伊田煤礦11號(hào)煤巷巷道變形特征分析
11號(hào)煤回風(fēng)大巷回7后27m至回8前28m段（總共150m），因巷道處于地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域，加之頂、幫壓力大，致使部分工字鋼棚已彎曲變形，不能滿(mǎn)足安全生產(chǎn)的需要，分析其破壞特征，可以歸為軟弱型、破碎型及高應(yīng)力型軟巖巷道的變形特征。
2軟巖巷道變形因素分析
2.1巖性因素
（1）圍巖的力學(xué)性質(zhì)。軟巖在一般情況下，表現(xiàn)出較差的力學(xué)性質(zhì)和工程特性，軟巖的內(nèi)部節(jié)理裂隙比較發(fā)育，致使巖體強(qiáng)度較低。同時(shí)處于動(dòng)壓作用下的巷道，其圍巖的破碎程度更大。一旦與水接觸將產(chǎn)生更為顯著的巖石軟化作用，巖性降低最終引起巷道大變形。
（2）巖體弱面。軟弱結(jié)構(gòu)面使巷道圍巖發(fā)生切割作用，產(chǎn)生了圍巖不同方向上的差異性和不連續(xù)特性，巷道圍巖會(huì)發(fā)生生松動(dòng)式破壞，支撐強(qiáng)度明顯減小，巖體的自穩(wěn)能力較多的喪失掉，同時(shí)處于破裂帶內(nèi)的巖石，沿著結(jié)構(gòu)面破裂方向移動(dòng)之后，位于破裂帶外的巖體會(huì)發(fā)生彈性或塑性的變形，破裂的巖塊會(huì)向著巷道內(nèi)部擠壓，從而產(chǎn)生更大程度的巖體變形和圍巖位移。
2.2工程應(yīng)力
巷道圍巖的變形，根據(jù)其外部影響因素，可以歸納為：上覆巖層產(chǎn)生的壓力、構(gòu)造作用產(chǎn)生的應(yīng)力、支承作用產(chǎn)生的壓力、鼓脹作用產(chǎn)生的壓力，以及變形作用產(chǎn)生的壓力，掘進(jìn)巷道根據(jù)圍巖的不同性質(zhì)，巷道的采動(dòng)程度，以及地質(zhì)條件不同，在作用力之下，巷道的變形形式和巷道破壞的程度也不盡相同。
3.111號(hào)煤回風(fēng)大巷修復(fù)設(shè)計(jì)
3.1.1工程概況11號(hào)煤回風(fēng)大巷從（主井段）和（伊田段）兩個(gè)方向掘進(jìn)，在主井方向掘進(jìn)到428、480、547.5和608m時(shí)先后遇到了無(wú)炭柱X2、X4、X7、X10，伊田方向掘進(jìn)至587、650和745m時(shí)，先后揭露無(wú)炭柱X3、X5、X12，巷道在過(guò)無(wú)炭柱期間，全斷面為黃泥、碎石，且粘結(jié)性強(qiáng)，無(wú)頂板，同時(shí)伴隨不同程度的頂板淋水，水量平均為18m3/h，最大時(shí)為30m3/h，過(guò)X2～X7無(wú)炭柱期間巷道采用工剎網(wǎng)支護(hù)，支護(hù)棚距為400mm，巷道壓力大，此段巷道支護(hù)工字鋼棚梁腿彎曲變形較大、棚梁腿扭結(jié)蹬出。
3.1.2支護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)無(wú)炭柱X10、X12期間巷道采用U29型鋼支護(hù)，支護(hù)棚距為500mm，相對(duì)工剎網(wǎng)支護(hù)強(qiáng)度大、變形較小，并在過(guò)無(wú)炭柱X4時(shí)，由于巷道出現(xiàn)高頂4m，支護(hù)困難，采用山西安民宏遠(yuǎn)公司的FCC材料充填12m和FSS材料對(duì)巷道加固6m，確保巷道安全通過(guò)了破碎高頂區(qū)。
3.1.3支護(hù)方案對(duì)比原支護(hù)方案：11號(hào)煤回風(fēng)大巷從主井方向431～488m區(qū)域、從伊田方向559～720m區(qū)域均采用工剎網(wǎng)支護(hù)，支護(hù)棚距為400mm，巷道變形嚴(yán)重，棚梁彎曲扭結(jié)，棚梁中心下沉約為350mm，棚腿向巷道彎曲約250mm，出現(xiàn)扭結(jié)、棚腿蹬出等情況，需要及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，以滿(mǎn)足礦井安全生產(chǎn)需要。修復(fù)方案：在巷道貫通后統(tǒng)一對(duì)異常區(qū)域的變形工剎網(wǎng)棚進(jìn)行更換，采用U29型鋼半圓拱進(jìn)行支護(hù)頂板，支護(hù)棚距為500mm。
3.211號(hào)煤帶式輸送機(jī)大巷修復(fù)設(shè)計(jì)
3.2.1工程概況11號(hào)煤帶式輸送機(jī)大巷從（主井段）和（伊田段）兩個(gè)方向掘進(jìn)，主井方向掘進(jìn)至497、534m時(shí)，揭露無(wú)炭柱X8、X11，伊田方向掘進(jìn)至532、680m時(shí)遇到無(wú)炭柱X6、X13，巷道過(guò)無(wú)炭柱期間全斷面為黃泥和碎石，且粘結(jié)性強(qiáng)，無(wú)頂板，同時(shí)伴隨頂板裂隙水，水量為8m3/h，過(guò)無(wú)炭柱X6～X8巷道采用工剎網(wǎng)支護(hù)，支護(hù)棚距為400mm，支護(hù)棚距為400mm，巷道壓力大，此段巷道支護(hù)工字鋼棚梁腿彎曲變形較大、棚梁腿扭結(jié)蹬出
3.2.2支護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)無(wú)炭柱X11～X13期間巷道采用U29型鋼支護(hù)，支護(hù)棚距為400mm，相對(duì)工剎網(wǎng)支護(hù)強(qiáng)度大、變形較小，并在過(guò)無(wú)炭柱X8期間，巷道在掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)高頂，冒落高度為4.5m，支護(hù)困難，高頂區(qū)采用山西安民宏遠(yuǎn)公司的FCC材料對(duì)巷道充填了10m和FSS材料對(duì)巷道加固了5m，確保巷道安全通過(guò)了破碎高頂區(qū)。
3.2.3支護(hù)方案對(duì)比原支護(hù)方案：11號(hào)煤帶式輸送機(jī)大巷從伊田方向掘進(jìn)基本無(wú)變形區(qū)域、主井方向從467～517m采用工剎網(wǎng)支護(hù)30m、U型鋼支護(hù)20m，支護(hù)棚距為400mm，巷道變形嚴(yán)重，棚梁彎曲、棚梁中心下沉約為350mm，棚腿向巷道彎曲約300mm，出現(xiàn)扭結(jié)、棚腿蹬出等情況，需要及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，以滿(mǎn)足礦井安全生產(chǎn)需要。修復(fù)方案：在巷道貫通后統(tǒng)一對(duì)異常區(qū)域的變形工剎網(wǎng)棚、U型鋼棚進(jìn)行更換，采用U29型鋼半圓拱進(jìn)行支護(hù)頂板，支護(hù)棚距為500mm。
4結(jié)論
（1）伊田煤礦11號(hào)煤巷道在生產(chǎn)過(guò)程中，在特殊施工段內(nèi)呈現(xiàn)出工程軟巖地質(zhì)的施工特征，針對(duì)巷道支護(hù)過(guò)程中出現(xiàn)的工剎網(wǎng)支護(hù)和棚支護(hù)不能滿(mǎn)足生產(chǎn)中巷道支護(hù)的情況，以及對(duì)巷道圍巖特殊段的極端破碎區(qū)，進(jìn)行必要的充填修補(bǔ)措施，這些巷道修復(fù)方案在實(shí)踐中表現(xiàn)出良好的支護(hù)特性，表明巷道修復(fù)設(shè)計(jì)能對(duì)類(lèi)似工程的巷道施工提供一定的參考價(jià)值，有助于煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)和發(fā)展。
（2）煤礦巷道的支護(hù)形式日漸多樣化，支護(hù)方案的設(shè)計(jì)也在不斷的豐富。由設(shè)計(jì)方案的總體分析可以得出，支護(hù)方案的設(shè)計(jì)應(yīng)該根據(jù)實(shí)際工程特征，在正確的分析巷道破壞機(jī)理的基礎(chǔ)上，才可以保證設(shè)計(jì)方案滿(mǎn)足煤礦支護(hù)使用要求，文章中的局部充填措施和支護(hù)形式的設(shè)計(jì)科學(xué)合理，具備良好的應(yīng)用前景。
作者：馬富君 單位：伊田煤業(yè)公司
