泥质软岩巷道支护技术研究与实践_李建民.pdf

泥质软岩巷道支护技术研究与实践 李建民1， 耿清友1，2， 刘红旗1，2 （1. 开滦 （集团） 有限责任公司， 河北 唐山 063018； 2. 华北理工大学 河北省矿业开发与安全技术重点实验室， 河北 唐山 063009） ［摘 要］ 开滦林南仓煤矿泥质软岩巷道的水化流变特征极为显著， 通过地应力测试、 岩石三 轴压力试验、 XRD 成分测试、 SEM 微观形貌观测， 结合理论分析， 研究了该类围岩的变形失稳机理， 提出了锚杆双层棚子的锚架充联合支护方法， 现场施工中严格治水措施跟进和调整优化工序衔接， 解决了该矿泥质软岩在深部区域的支护难题， 为相似围岩条件的巷道稳定支护提供了借鉴。 ［关键词］ 泥质软岩； 巷道支护； 大断面； 流变 ［中图分类号］ TD353 ［文献标识码］ B ［文章编号］ 1006-6225 （2016） 04-0081-03 Supporting Studying and Practice of Muddy Soft Rock Roadway ［收稿日期］ 2016-03-25［DOI］ 10. 13532/ j. cnki. cn11-3677/ td. 2016. 04. 021 ［作者简介］ 李建民 （1957-）， 男， 河北丰润人， 博士， 教授级高级工程师， 现任开滦集团有限责任公司副总经理， 研究方向为煤矿开采 技术。 ［引用格式］ 李建民， 耿清友， 刘红旗 . 泥质软岩巷道支护技术研究与实践 ［J］ . 煤矿开采， 2016， 21 （4） 81-83， 52. 随着我国中东部煤矿开采相继转入深部， “三 高一扰” 成为巷道地质力学环境中的常态化现象， 部分矿井循环进度受制于后路变形而停滞不前， 前 掘后修面临的压力巨大， 生产衔接计划极为紧张。 为解决该类问题， 相关单位在围岩地质力学解析、 物理和数值模拟实验、 矿压监测信息反馈、 施工方 法优化和支护方案改进等方面， 开展了卓越的科研 实践， 全面推动了我国煤矿软岩巷道的支护技术水 平［1-3］。 然而， 对于不同区域巷道的围岩强度、 力 学环境、 水解软化性质、 变形特征会有所差异， 其 变形失稳的主导机制可能大相径庭， 进行巷道稳定 支护的措施和方案则应有的放矢、 对症下药［4-6］。 以开滦林南仓矿为例， 煤 12 底板岩性为灰白色中 粒砂岩， 在-650m 水平该类围岩巷道采用常规的 锚喷或架棚壁后充填支护， 尚能基本保障长期稳 定［7］， 但在-850m 水平斜井小断层切割段， 同样 支护方案巷道不能自稳， 60d 内收敛变形率达 40％ ～60％ ［8］。 本文基于理论分析、 岩性测试和现 场实验， 分析研究了-850m 水平区域围岩的地应 力环境， 研究了斜井支护结构变形失稳的微观机 理， 给出了锚喷双层棚子壁后充填的支护方案， 实现了深部软岩巷道的整体稳定。 1 工程概况 开滦林南仓煤矿设计生产能力 1. 2Mt/ a， 主采 煤层煤 11 和煤 12， 在开采顺序上煤 12 先行开采 为煤 11 （三软煤层） 卸压。 矿井开拓巷道年进尺 在 1200m 左右， 维护工程达 900m， 主要层位施工 在煤 12 底板的灰色或灰白色泥质砂岩中 （俗称白 砂矸）， 该类岩石见风遇水软化， 具有一定的膨胀 性， 黏土矿物含量较高， 在-650m 区域的南石门 掘进中， 采用常规锚喷或 29U 支架壁后充填尚能 保障巷道的长期稳定， 仅在有长期导水条件的 Fa 断层附近， 连续套修了 3 次， 后期采用全断面布筋 浇筑混凝土的强力支护方法， 较好解决了该类支护 难题。 2013 年， 随着-400m 和-650m 水平资源保 有量的趋紧， 按计划施工打通了-850m 水平的 2 条斜井工程， 分别为 301 胶带和 302 回风斜井， 如 图 1 所示。 2 条斜井间距 15m， 长度 800m 左右， 设计层位为煤 12 底， 因地层起伏及断层影响， 需 要依次施工在煤 12 底、 煤 12 半底、 煤 12、 煤 12 顶中， 其中斜井下车场则穿越煤 11 直至煤 8 底。 巷道施工后， 先后尝试了锚喷支护和 29U 架棚支 护， 锚杆规格为 ϕ20mm-2000mm， 间排距700mm 700mm， 29U 架 棚 的 架 型 为 4800mm 3200mm （13. 36m2）， 但煤 12 底的前段 150m 初掘巷道 90d 的两帮移近量为 530 ～2440mm， 平均 1250mm， 顶 底板移近量为 873 ～2005mm， 平均 1410mm， 巷道 变形速度和变形量均远高于-650m 区域的同层位 巷道， 为确保施工安全和实现稳定高效支护， 亟待 开展巷道变形机理和支护优化的科研实践。 2 实验和理论分析 2. 1 地应力及岩性测试 采用 KX81 型地应力测试装置， 在 301 胶带斜 井的外帮 （非隔离岩柱帮） 设置了 3 个应力测试 18 第 21 卷 第 4 期 （总第 131 期） 2016 年 8 月 煤 矿 开 采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 21No. 4 （Series No. 131） August 2016 图 1 -850m 水平斜井工程 孔 （标高-750m 前后）， 进行了空心包体法应力解 除实验。 经应变数据的应力反馈计算， 确定该区域 地应力为 σ1 28. 4MPa， σ2 20. 05MPa， σ3 19. 29MPa， σ1方向垂直-850m 斜井轴线， σ3平行 于其轴线水平投影， σ2近似垂直应力。 为系统掌握煤 12 底的岩性特征， 依据 工程 岩体实验方法标准 （GB/ T50266-99）， 现场采集 岩块并制作 ϕ50mm100mm， 50mm50mm50mm 立方岩样， 分别开展了三轴、 剪切和抗拉强度测 试， 岩样分为饱和浸水 （完全浸润 48h） 和干燥 （105℃烘干 12h） 两类条件。 三轴强度测试共取 5 ～30MPa 间 6 组围压值， 每组岩样 3 个， 先加围 压至设定值后再加轴压， 轴压加载速率 0. 2mm/ min， 直至岩样破坏。 测试结果表明， 岩块的三轴 抗压强度最大在 25MPa 围压下可达 198MPa， 干试 件 单 轴 抗 压 强 度 为 55. 2MPa， 饱 水 岩 样 为 31. 7MPa， 按目前埋深的自重压力评价， 三轴状态 下可处于弹性状态， 而无水围岩在硐表为临界失稳 状态， 饱水时为塑性状态。 岩石的塑性应变极限为 0. 2％ ～0. 4％， 残余应力表征不明显， 说明该类岩 石峰后残余承载能力低， 一旦突破应变极限， 破碎 松动区将很快发展。 剪切和抗拉强度实验结果显 示， 饱水试样抗拉强度平均为 1. 38MPa， 弹性模量 为 2. 82 ～4. 03GPa， 黏聚力为 1. 33 ～2. 08MPa， 内 摩擦角为 32. 05 ～35. 68。 2. 2 微观测试和膨胀性能测试 泥质软岩作为煤系地层中广泛存在的一种水解 型岩层， 以白色、 灰白色或灰绿色砂岩为主， 在两 淮矿区、 广西那龙矿区、 铁法矿区、 开滦矿区等均 有分布， 总体表现为巷道自稳期长、 非线性非弹性 变形量大、 水化或风化特征明显， 巷道围岩的应力 腐蚀、 裂隙扩展、 水解软化等多种物理现象的叠 加， 给支护设计与优化带来了极大难度， 变形机理 的解析极为复杂。 以扫描电镜 （SEM）、 X 射线衍 射 （XRD） 和能谱仪测试了煤 12 底板白砂矸的微 观裂隙开度及黏土矿物成分。 根据样品 SEM 概貌 可见， 结构较松散， 孔洞、 裂缝较发育， 粗大裂隙 发育丰富， 孔洞以黏土晶间孔为主， 矿物形态以片 状铝硅酸盐为主。 能谱测试显示煤 12 底板白砂矸 表面主要元素为 Si， Al， Na， K， Ti， Fe， 推测主 要的物相为高岭石、 伊利石等片状黏土矿物、 长 石、 石英， 有机质含量较少。 XRD 相对含量测定 显示， 黏土矿物总含量 71％， 高岭石 K 相对含量 34％， 伊利石/ 蒙脱石混层 I/ S 相对含量 61％， 绿 泥石 C 相对含量 5％。 膨胀性能测试采用岩石自由膨胀率测定仪。 试 样块度为 ϕ50mm14mm 的圆柱体， 水介质采用矿 井水， 实验开始的 1h 内每 15min 记录 1 次百分表 显值， 之后每 1h 记录 1 次， 12h 后每 3h 记录 1 次， 48h 后每 3h 记录 1 次， 直至相邻两次表显数 值相同， 进而求其自由膨胀率。 根据 3d 内的周期 观测， 1 ～4 号径向稳定后的表显值分别为 0. 051， 0. 032， 0. 033， 0. 041； 轴 向 4 号 的 表 显 值 为 0. 017， 其余显示为 0. 000。 则其径向膨胀率为 0. 157％， 轴向膨胀率为 0. 121％。 2. 3 等效开挖的岩石力学理论分析 目前， 岩石力学的理论水平可以实现圆形硐室 开挖的弹塑性解析， 为指导支护强度匹配和断面设 计、 判定薄弱点位等提供了理论基础。 然而， 煤矿 巷道断面以直墙半圆拱、 矩形或马蹄形居多， 较难 直接开展圆形开挖的理论计算， 一般方法是以等效 圆替代来实现非圆断面到圆形断面的规整。 本文基 于强度储备的要求， 以外接圆作为等效圆， 考虑剪 胀角对巷道周边塑性区的影响， 分析方法上引入 SALENCON 的研究成果， 变无关塑性流动为相关 塑性流动， 较之传统的卡斯特纳或芬娜公式更具指 导价值。 计算岩石的泊松比 0. 3， 剪胀角 10， 均 布压力 24. 25MPa， 其余参数取 2. 1 节结论， 编制 SALENCON 公式的计算程序， 分别计算饱水围岩 和干围岩两类条件下， 不同支护方式单巷开挖塑性 圈半径、 巷表位移、 巷表切应力， 结果见表 1。 巷 道断面规格为直墙半圆拱形， 宽度 5. 8m， 高度 4. 0m， 净断面 20m2， 无水和饱水围岩的松动圈半 径平均为 5. 76m 和 4. 43m， 对应塑性区厚度分别 为 1. 53m 和 2. 89m。 按照相邻圆形巷道开挖扰动 的有限元分析结论， 巷硐净间距 d 等于 2 倍塑性圈 半径 Rb时， 第 2 条巷硐开挖会使第 1 条侧帮周边 附近最大应力增大 7％； 而 d 等于 Rb时， 该值增 大 21％； d 为 0. 5 倍 Rb时， 最大应力增大 51％。 无水状况下二者之比大于 2， 临近扰动可以忽略， 28 总第 131 期煤 矿 开 采2016 年第 4 期 但饱水条件下该值低于 2， 临近扰动已经开始显 现。 这种二次应力分布的叠加作用在变形监测中亦 有所体现， 应在施工设计中给以足够重视。 在现场 施工过程中， 因-850m 斜井小断层切割频繁， 巷 内岩壁出水点多而分散， 造成巷道大面积长期浸 润， 与饱水状况类似， 此外泥质胶体的随水流失， 进一步弱化了围岩的承载性能。 表 1 等代圆法力学计算结果 支护力 / MPa 支护 型式 塑性圈半径/ m 饱水无水 巷表位移/ mm 饱水无水 巷表切应力/ MPa 饱水无水 0无支护6. 134. 61126474. 88. 1 0. 15单层棚5. 954. 52116445. 38. 7 0. 30锚喷5. 794. 45108425. 89. 2 0. 50双层棚5. 594. 3598406. 410. 0 0. 80 锚喷双层棚 5. 334. 2286377. 411. 1 2. 4 变形失稳机理分析 由前述实验及理论分析可见， -850m 水平斜 井工程中， 第一主应力级别开始接近其饱水单轴抗 压强度， 而且第一主应力方向垂直巷道轴线， 按照 软岩类别划分已属于典型的工程软岩范畴。 由于煤 12 底围岩在初掘自然含水状态下具备一定的强度， 采用与-650m 区域相似的常规支护方法， 成巷时 围岩自稳是可以实现的。 然而， 随着断层揭露和地 层水的浸润， 高岭石的晶体吸水量逐步增加， 岩石 性质逐步软化， 这一过程伴随着巷道开挖后的二次 应力调整， 巷道周边可导水的宏观裂隙进一步扩 展， 微观裂隙进一步发育， 一旦突破原有的锚固范 围或支架护表强度， 因流变造成的支护结构失稳则 不可避免。 上述过程中， 支护结构失效或围岩失稳 的关键需要满足两大条件， 其一为围岩有较高含量 的蒙脱石、 高岭石或伊利石等黏土矿物， 为浸水软 化、 膨胀提供物质基础； 其二为巷道水文情况较为 复杂， 有长期接触矿井水或工程用水 （降尘水、 设备冷却水、 打钻水等） 条件， 导致泥化进程能 长期进行下去， 以流变形式反映在巷道表面收敛变 形中。 3 支护技术及施工方案优化 为实现林南仓矿-850m 水平斜井稳定支护和 安全施工， 确定采用锚杆作为初掘支护， 后期架设 双层棚子进行补强支护， 双层棚子间喷射混凝土进 行充填。 根据支护强度分析， 将形成 3 层支护体 系， 即最外层为锚杆， 中间层为大棚子， 内层为小 棚子， 极限支护强度可达 0. 8MPa。 巷道开挖断面 为直墙半圆拱形， 宽度为 6. 85m， 高度 4. 55m， 初 掘后采用 ϕ20mm-2000mm 锚杆进行临时支护， 间 排距为 700mm700mm， 紧跟迎头喷射厚度 50mm 的 C20 喷层， 及时封闭围岩。 滞后迎头 15 ～ 20m 架设6800mm4500mm 的29U 大棚子， 并在内层架 设 5800mm4000mm 的 29U 小棚子， 棚距 600mm， 双层棚子间喷射 C20 混凝土填实 （图 2）。 施工中 严格治水管理， 对工程用水和地质水及时疏导， 顶 板出水沿着顶板铺设废弃风筒布引入水沟， 如有底 板水则每隔 20m 随迎头挖设小水窝， 由水泵排入 水沟， 这样避免了断层出水或工程水对巷道围岩的 长期浸泡， 富含高岭石的围岩被阻断了水解软化进 程， 基本保持了原岩强度。 经为期 180d 的巷道表面收敛观测， 内层棚子 的中左和中右收敛变形分别为 59mm 和 85mm， 平 上和平下分别为 112mm 和 287mm， 水沟侧棚脚稍 有内扎， 棚架受力稳定， 断面保持良好， 实现了斜 井后续工程的正规循环施工， 单月成巷达到了 65m 的原计划进度。 图 2 锚架充支护参数 4 结 论 开滦林南仓矿-850m 水平斜井施工中， 富含 高岭石的泥质围岩因高地应力、 构造切割、 水解软 化的多种作用， 导致锚喷常规支护手段失稳失效， 给安全施工和运营带来极大难度。 采用地质力学测 试， SEM， XRD 等微观测试方法， 结合理论分析， 查明了该类围岩的变形失稳机理， 对支护强度、 支 护参数进行了优化调整， 提出了及时治水的举措， 在保持原有围岩强度的同时， 通过锚喷双层棚子 壁后充填的强力支护方案， 实现了巷道的稳定支 护， 取得了较好的技术经济效果， 全面指导了该矿 深部三水平开拓巷道施工， 为相似条件的软岩巷道 支护提供了宝贵借鉴。 （下转 52 页） 38 李建民等 泥质软岩巷道支护技术研究与实践2016 年第 4 期 ， Cn］ ， 基准图像接头点对距离记为 ［R1， R2， ， Rn］ ， 其中 n 为接头点对数， i 为接头点对编 号。 根据前面计算得到的归一化系数 K， 以及公式 （9） 可以计算出当前图像与基准图像标记序号为 i 的接头点对抽动距离 Li， 同理可以得出其他匹配点 对的抽动距离， 记为L1， L2， ， Ln［ ］ 。 xi - x j （） 2 yi - y j （） 2 PixWidth（8） Li C iK - Ri （9） 4 实验验证 经过以上几个步骤， 已经完成接头识别、 接头 抽动检测， 达到了算法设计的目的。 以本文算法为 基础的 X 射线无损检测系统已经在安徽某煤矿投 入了使用， 运行效果良好。 图 1 为输送带 6 号接头 处理结果， 最大抽动距离为 3. 615mm、 安全系数 为 0. 9115。 图 1 6 号接头处理结果 所有实验素材取自于实际现场， 为了证明算法 的有效性， 将其应用到主运输输送带的其他几个接 头， 表 1 为算法处理结果。 从表 1 可以看出， 本文 算法实用性较强， 能够准确统计出每个接头的抽动 距离。 表 1 其他接头处理结果 接头序号平均抽动/ mm最大抽动距离/ mm安全系数 10. 4451. 8210. 941 20. 4251. 4140. 944 30. 4091. 7160. 968 40. 4521. 8220. 943 50. 3322. 6910. 975 5 结 论 结合 X 射线成像与图像处理技术实现矿用钢 丝绳芯接头抽动检测， 该算法采用改进的 Y-差分 算法实现接头识别， 利用 X-方向滤波去除冗余点； 随后利用 SURF 特征向量匹配解决输送带速度变化 引起的检测不准确问题， 最后引入归一化系数保证 抽动距离计算的准确性。 实际应用表明本文算法能 够实时准确地计算出接头抽动距离， 实现了接头抽 动检测的自动化， 保障了输送带安全稳定地运行。 ［参考文献］ ［1］ 李湘洲 . 无损检测技术发展史略 ［J］ . 科学技术与辩证法， 1991 （8） 35-38. ［2］ 荆 峰 . X 射线数字化实时成像系统在无损检测中的应用 ［J］. 无损探伤， 2004， 28 （3） 37-39. ［3］ 焦晋杰， 牛昱光 . X 光成像的钢绳芯输送带接头距离检测方法 ［J］ . 机械工程与自动化， 2012 （5） 133-137. ［4］ 王 文 . 基于 X 光的强力输送带钢丝绳芯图像缺陷检测算法 研究 ［D］ . 天津 天津工业大学， 2012. ［5］ 张淑娟， 金书英 . 利用分段线性拉伸法增强图像阴影区的亮 度和反差 ［ J］ . 测 绘 与 空 间 地 理 信 息， 2006， 29 （3） 81-83. ［6］ 蔡周全， 何吉坤， 赵波浪， 等 . 矿用钢绳芯输送带 X 射线检 测系 统 设 计 及 应 用 ［ J］ .煤 炭 技 术， 2015， 34 （ 2 ） 228-230. ［7］ Hebert Bay， Andreas Ess， Time Tuytelaars， etc. Speeded-up ro- bust features （SURF）［J］ . Computer Vision and Image Under- standing， 2008， 110 （3） 346-359. ［8］ 郭 伟， 赵亦工， 谢振华 . 一种改进的红外图像归一化互相 关匹配算法 ［J］ . 光子学报 . 2009， 38 （1） 189-193. ［责任编辑 周景林］ （上接 83 页） ［参考文献］ ［1］ 李为腾， 李术才， 玄 超 . 高应力软岩巷道支护失效机制及 控制研究 ［ J］ . 岩石力学与工程学报， 2015， 34 （9） 1836-1848. ［2］ 浑宝炬， 陈晓坡 . 林南仓矿软岩巷道变形控制技术及数值模 拟研究 ［J］ . 中国矿业， 2013， 22 （10） 88-90. ［3］ 刘建庄， 杨忠东， 刘树第 . 浅拱底梁支架底鼓控制技术研究 ［J］ . 采矿与安全工程学报， 2015， 32 （4） 565-570. ［4］ 李英明， 张 瀚， 孟祥瑞 . 软岩巷道二次支护时机研究 ［J］. 煤炭学报， 2015， 40 （S1） 47-52. ［5］ 刘建庄， 王作棠， 宫平阳 . 林南仓矿软岩巷道底鼓综合治理 技术实践 ［J］ . 煤炭工程， 2011， 43 （9） 50-52. ［6］ 郑朋强， 陈卫忠， 谭贤君 . 软岩大变形巷道底臌破坏机制与 支护技术研究 ［J］ . 岩石力学与工程学报， 2015， 34 （S1） 3143-3150. ［7］ 浑宝炬， 陈晓坡 . 林南仓矿软岩巷道壁后充填支护技术 ［J］. 煤矿安全， 2014， 45 （2） 123-126. ［8］ 刘建庄， 张国安， 刘树弟 . 泥质软岩巷道变形机理与控制对 策 ［J］ . 煤矿安全， 2013， 44 （7） 202-204. ［责任编辑 毛德兵］ 25 总第 131 期煤 矿 开 采2016 年第 4 期