亭南煤矿泥岩底板软岩巷道.pdf

亭南煤矿泥岩底板软岩巷道 底臌控制对策 王炯王炯 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室（北京） 二○一○年七月 报 告 提 纲 一、亭南煤矿基本概况 二、深部巷道底臌破坏现象 三、泥岩底板巷道底臌机理 四、泥岩底板巷道底臌变形力学机制 五、泥岩底板巷道底臌控制对策 六、工程应用分析 七、主要结论 1 亭南煤矿基本概况 矿井基本概况 亭南井田位于陕西省长武县亭口镇西南部，约处在彬长矿区中间区 域。 矿井设计采用一对立井单 水平开拓全井田，井口标 高856.3m，井底车场水 平为455m。 交通位置图 工程特点 亭南矿主采煤层为8煤，煤层平均厚度8.29m，煤层倾角 2-7度 主要开拓巷道底板岩性为煤的相对比较稳定 一盘区东翼轨道巷、西翼轨道巷、西翼胶带巷、西翼回风 巷等主要巷道破底底板揭露铝质泥岩的部位，均出现严重 底臌问题，底臌量平均500mm，最大底臌量达到800mm 目前正在开采和准备的106工作面、113工作面、顺槽等准 采巷道，均出现底臌问题，给支护和开采带来很大的难题 8煤层底板软岩底臌控制问题是巷道掘进和工作 面回采急需解决的关键问题 巷道底臌特征 巷道底板揭露铝质泥岩部位底臌相对严重 巷道顶板及两帮变形较小，肩部开裂，直墙部分有明显收 敛现象 巷道靠近水沟一侧底臌量大于远离底臌一侧，呈现明显的 非对称变形 2 巷道底臌破坏现象 巷道底板揭露 铝质泥岩部位 底臌严重 巷道顶板及两帮变形很小，而底臌严重，中部开裂 巷道底臌严重 不对称性明显 围岩岩性 含煤地层主要是中下侏罗统延安组含煤地层 8号煤层顶板除局部地段为中、粗粒砂岩外，其它均为泥 岩 间接顶板为中～细粒砂岩，钙质胶结，坚硬，属坚硬稳 定顶板 8号煤层底板为灰褐色铝土质泥岩，遇水膨胀 3 泥岩底板巷道底臌机理 柱 状 m 厚 层 砂质泥岩 泥岩 8煤 铝质泥岩 泥岩 4.68 0.75 2.30 8.16 岩石名称 岩 性 描 述 泥岩灰色，巨厚层状，砂泥质结构，质细，含大量的植物叶片化石和黄铁矿结核， 中夹泥岩及粉砂岩薄层，与下过渡接触。 泥岩灰色，中厚层状，泥质结构，含大量的植物叶片化石，致密，底部0.20 m为炭质泥岩，具均匀层理，与下过渡接触。 8煤半暗型煤，黑色，主要为暗煤，中央镜煤条带，局部可见丝炭片，沥清光泽 ，阶梯状断口，外生裂隙发育，多为方解石脉充填条带状结构，煤层结构简单，与 下过渡接触。 黑灰色，巨厚层状，泥质结构。顶部0.2m为黑色泥岩，上部含根系，中下部含铝 质泥岩，为铝质结构具滑面，半坚硬，具均匀层理，与下分界明显。 泥岩棕红色，灰色，巨厚层状，泥质结构，含大量泥质角砾，上部角砾较大， 下部砾径较小，下部含大量鲕粒，有一组节理，具滑面，与下明显接触。 砂质泥岩灰色，巨厚层状，砂泥质结构，含云母及化石碎屑，断口平坦（未见底） 砂质泥岩 12.32 10.22 岩体结构 底板铝质泥岩中节理、层 理等结构面发育，岩层比 较破碎 岩体强度 位置岩石名称 抗压强度 MPa 内摩擦角 粘聚力 MPa 8煤煤364116.3 8煤底板铝质泥岩9.418.84200.21.0 8煤顶板砂质泥岩30.5242 8煤底板泥岩13.627.25222.41.2 泥质岩石的强度平均为16MPa，而煤层强度为36MPa， 泥质岩石的强度低于煤层强度是亭南矿岩石力学强度的一 个显著特点。由于围岩裂隙发育，岩体比较破碎，底板泥 岩岩体强度平均为8MPa。 围岩矿物成分 分 析 号 岩 性 矿 物 种 类 和 含 量（） 石 英 钾 长 石 斜 长 石 方 解 石 白 云 石 黄 铁 矿 莫 莱 石 方 石 英 非 晶 质 粘 土 矿 物 18煤2.00.396.71.0 28煤底板铝质泥岩49.150.9 38煤顶板砂质泥岩53.75.11.339.9 48煤底板黑色泥岩68.90.330.8 全岩矿物X射线分析结果 全岩矿物X射线分析结果 原 编 号 岩 性 粘 土 矿 物 相 对 含 量 混层比 （S） SI/SIKCC/SI/SC/S 18煤5138250 28煤底板铝质泥岩187111少量25 38煤顶板砂质泥岩291254525 48煤底板黑色泥岩16721225 底板泥岩富含伊蒙混层、高岭石，属于中膨胀性岩石， 暴露后发生底臌 1 测试箱；2 圆筒护套；3三角架；4水箱；5触水器；6乳胶管； 7试样；8止水阀；9注水阀；10 排气阀；11进水口 触水器 测试箱 嵌 入护套 5 10 9 11 8 2 6 1 3 7 4 水理作用 水理作用测试仪 室内吸水特征曲线 0500100015002000 0 5 10 15 20 25 30 吸水量Q（ln）/mL 吸水量Q/mL 吸 水 时 间 t/h 1样 吸 水 曲 线 3样 吸 水 曲 线 0500100015002000 0.1 1 10 100 吸 水 时 间 t/h 吸水特征泥岩在吸水过程中，吸水量随时间增大，初始吸 水速率比较快，吸水特征曲线呈非线性增长，随吸水时间增 加到一定时间后，吸水量随时间呈线性增加，吸水速率基本 保持不变，曲线变缓。 现场吸水特征曲线 050100150200250300350 0 10 20 30 40 50 60 Q/ml t/m DY-1 DY-2 050100150200250300350 0.13534 0.36788 1 2.71828 7.38906 20.08554 54.59815 Qln/ml t/m DY-1 DY-2 01020304050607080 14 16 18 20 22 24 26 28 0.04 13.4 14.2 t t e   σ/MPa 实验值 拟合曲线 t / h 软化特征由于岩体受水的作用，强度在遇水后一般都有不 同程度的下降，泥岩遇水的软化特性较为强烈，在暴露约20 个小时后，强度衰减系数为0.72，到35个小时时，强度衰减 系数为0.61。 地应力水平 钻孔位置 与测点深度 测点号 主应力 垂向应 力 MPa 主应力大小MPa 方位角 （） 倾角（） 111工作面 材料道联络 巷，埋深 450m 2测点 σ117.998.6-3.9 11.1σ211.913.853 σ39.8185.736.7 西大巷201 回风巷，埋 深450m 3测点 σ122.394.7-4.7 11.1σ211.67.9-76.9 σ39.7195.812.18 西翼煤仓， 埋深464m 4测点 σ127.799.4-3.8 11.2σ213.68.4-14.2 σ311204.1-75.2 亭南矿地应力测量结果表 17.927.7MPa -3.8 -4.7 西翼轨道大巷  原支护方式 底板开放式支护 巷道底臌的主要影响因素 岩层应力水平高最大水平主应力1827.7MPa都大于垂 直应力，以水平应力为主，与西翼主要巷道轴向呈约30 相交 底板泥岩强度低泥岩岩石强度平均为16MPa,底板泥岩节理、 裂隙发育，碎裂结构,泥岩岩体强度平均为8MPa 水理作用泥岩含伊蒙混层、高岭石，属膨胀性岩石，吸水 软化膨胀强度降低明显 开放型的底板支护方式 工程软岩类型  高应力自重应力为11.2MPa左右，而最大水平构造应力27.7MPa， 集中应力水平最高可达35MPa。而底板泥岩岩块强度平均16MPa， 而岩体的强度只有4～10MPa  强膨胀性底板泥岩所含黏土矿物中伊/蒙混层和高岭石含量较高，具 有很强的膨胀性  节理化底板泥岩为一软弱岩层，泥岩性软易碎，岩体结构较为破碎 4 泥岩底板巷道底臌变形力学机制 IABIIABDIIIBA 铺设干石灰粉 喷层隔水 铺设干石灰粉 喷层隔水 IIABDIIIBA IIBIIIBA 底角锚杆技术底角锚杆技术 开挖反 底拱 开挖反 底拱 IIB 复合型变形力学机制转化过程 控制对策 防治水措施必须进行防治水措施，采用吸水和疏水相结 合 底角锚杆 提高围岩强度，有效切断来自巷道两侧的塑性 滑移线，削弱来自巷道两侧的挤压应力 混凝土反底拱具有较高且均匀一致作用于巷道底板上的 支护阻力，约束底板的变形 5 泥岩底板巷道底臌控制对策 数值模拟分析 采用FLAC3D模拟软件 数值模拟方案 原支护（顶帮支护、底板无支护） 原支护底角锚杆 原支护反底拱 原支护底角锚杆反底拱 工程地质模型工程地质模型 Block Group 底板铝质泥岩 混凝土反底拱 巷道 泥岩 砂质泥岩 煤层 混凝土喷层 工程支护模型工程支护模型 原支护 原支护底角锚杆 原支护反底拱 原支护底角锚杆反底拱 水平位移场 数值模拟结果分析数值模拟结果分析 Contour of X-Displacement Magfac 1.000e000 -1.4115e-001 to -1.0000e-001 -1.0000e-001 to -5.0000e-002 -5.0000e-002 to 0.0000e000 0.0000e000 to 5.0000e-002 5.0000e-002 to 1.0000e-001 1.0000e-001 to 1.5000e-001 1.5000e-001 to 2.0000e-001 2.0000e-001 to 2.5000e-001 2.5000e-001 to 3.0000e-001 3.0000e-001 to 3.1548e-001 Interval 5.0e-002 Contour of X-Displacement Magfac 1.000e000 -9.0346e-002 to -7.5000e-002 -7.5000e-002 to -5.0000e-002 -5.0000e-002 to -2.5000e-002 -2.5000e-002 to 0.0000e000 0.0000e000 to 2.5000e-002 2.5000e-002 to 5.0000e-002 5.0000e-002 to 7.5000e-002 7.5000e-002 to 1.0000e-001 1.0000e-001 to 1.2500e-001 1.2500e-001 to 1.4813e-001 Interval 2.5e-002 Contour of X-Displacement Magfac 1.000e000 -1.0699e-001 to -1.0000e-001 -1.0000e-001 to -5.0000e-002 -5.0000e-002 to 0.0000e000 0.0000e000 to 5.0000e-002 5.0000e-002 to 1.0000e-001 1.0000e-001 to 1.5000e-001 1.5000e-001 to 1.6805e-001 Interval 5.0e-002 Contour of X-Displacement Magfac 1.000e000 -8.4112e-002 to -8.0000e-002 -8.0000e-002 to -6.0000e-002 -6.0000e-002 to -4.0000e-002 -4.0000e-002 to -2.0000e-002 -2.0000e-002 to 0.0000e000 0.0000e000 to 2.0000e-002 2.0000e-002 to 4.0000e-002 4.0000e-002 to 6.0000e-002 6.0000e-002 to 8.0000e-002 8.0000e-002 to 1.0000e-001 1.0000e-001 to 1.0688e-001 Interval 2.0e-002 a 原支护b 原支护底角锚杆 c 原支护反底拱d 原支护底角锚杆反底拱 垂直位移场 Contour of Z-Displacement Magfac 1.000e000 -9.6565e-002 to 0.0000e000 0.0000e000 to 1.0000e-001 1.0000e-001 to 2.0000e-001 2.0000e-001 to 3.0000e-001 3.0000e-001 to 4.0000e-001 4.0000e-001 to 5.0000e-001 5.0000e-001 to 5.1422e-001 Interval 1.0e-001 Contour of Z-Displacement Magfac 1.000e000 -9.6807e-002 to -5.0000e-002 -5.0000e-002 to 0.0000e000 0.0000e000 to 5.0000e-002 5.0000e-002 to 1.0000e-001 1.0000e-001 to 1.5000e-001 1.5000e-001 to 2.0000e-001 2.0000e-001 to 2.5000e-001 2.5000e-001 to 3.0000e-001 3.0000e-001 to 3.4037e-001 Interval 5.0e-002 Contour of Z-Displacement Magfac 1.000e000 -8.3771e-002 to -7.5000e-002 -7.5000e-002 to -5.0000e-002 -5.0000e-002 to -2.5000e-002 -2.5000e-002 to 0.0000e000 0.0000e000 to 2.5000e-002 2.5000e-002 to 5.0000e-002 5.0000e-002 to 7.5000e-002 7.5000e-002 to 1.0000e-001 1.0000e-001 to 1.2500e-001 1.2500e-001 to 1.5000e-001 1.5000e-001 to 1.7500e-001 1.7500e-001 to 1.9416e-001 Interval 2.5e-002 Contour of Z-Displacement Magfac 1.000e000 -6.9388e-002 to -6.0000e-002 -6.0000e-002 to -4.0000e-002 -4.0000e-002 to -2.0000e-002 -2.0000e-002 to 0.0000e000 0.0000e000 to 2.0000e-002 2.0000e-002 to 4.0000e-002 4.0000e-002 to 6.0000e-002 6.0000e-002 to 8.0000e-002 8.0000e-002 to 1.0000e-001 1.0000e-001 to 1.0194e-001 Interval 2.0e-002 a 原支护b 原支护底角锚杆 c 原支护反底拱d 原支护底角锚杆反底拱 工程支护模型 最大水平位移量 mm 最大底臌量 mm 底臌控制效果 原支护300510 原支护底角锚 杆 14835031 原支护反底拱16019462 原支护底角锚 杆反底拱 8010080 西翼轨道巷试验段工程概况 巷道设计全长1720m，巷道断面形状为直墙半圆拱型，断 面尺寸为净宽4600mm、墙高1600mm。 试验段长度为64米，施工时间为2009年4月至5月。 6 工程应用分析 457.5 455.2 k7 k1 509.5 64m 西翼轨道大巷 底臌治理试验段 N 返修支护设计方案 锚杆φ18 长2100 锚索φ15.2 长6500 管缝锚杆φ43 长2000 700 4600 4900 45 15023001600 700 4050 1000200 1200 300 500 430 600 反底拱 11 炉灰渣 750 钢筋网 帮部锚杆φ18 长2100 200 1000 15 施工效果监测 试验巷道64 m 测站1测站2测站3测站4 B C 巷 道 中 线 O D 轨面 A 0 1 2 3 4 5 6 7 020406080100120 T/d U/mm 左侧底臌量 右侧底臌量 中间底臌量 1测站Ut曲线 2测站Ut曲线 0 2 4 6 8 10 12 020406080100120 T/t U/mm 左侧底臌量 右侧底臌量 中间底臌量 3测站Ut曲线 4测站Ut曲线 0 1 2 3 4 5 6 7 8 020406080100120 T/t U/mm 左侧底臌量 右侧底臌量 中间底臌量 0 2 4 6 8 10 12 020406080100120 T/t U/mm 左侧底臌量 右侧底臌量 中间底臌量 施工一年后的支护效果 借助室内实验及现场测试，得出了底板泥岩吸水强度软化特征 公式，确定了巷道底臌的主要原因。 确定了该矿的工程软岩类型为HJS复合型软岩高应力-节理化- 膨胀性和底臌变形力学机制 提出了泥岩底板软岩巷道底臌控制对策，即底角锚杆与反底拱 组合支护加固底板，并结合防治水措施控制底臌，现场应用效 果良好。 7 主要结论 谢 谢