松软(破碎)岩层巷道支护问题探析.pdf

第 l 0卷 第 2期 总第 6 3期 2 0 0 5年 4月 煤 矿 开 采 C o a l Mi n i n g T e c h n o l o g y V o 1 ． 1 0 N o ． 2 S e ri e s N o ． 6 3 Ap ril 2 0 0 5 松软 破碎 岩层 巷道支护 问题探析 王 世 潭 福建龙岩学院 资源工程系，福建 龙岩 3 6 4 0 1 2 [ 摘要 ] 对松软 破碎岩层进行分类，并对其围岩变形 、破坏机理 以及对巷道支护关 系进 行分析，提出流变岩体 、弹塑性变形膨胀碎胀岩体 、高地应力碎胀 岩体 中巷道支 护的方式，对松软 破碎岩层巷道支护有一定参考价值 。 [ 关键词 ] 松软岩层 ；围岩变形 ；巷道 ；支护方式 [ 中图分类号]T D 3 5 3 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 6 - 6 2 2 5 2 0 0 5 0 2 - 0 0 5 3 - 0 2 Di s c us s i n g of r o adway s uppo r t i ng i n s o f t a nd c r a c ke d r o c k W ANG S hi ． t a n De p t ．o f R e s o u r c e s a n d E n v i r o n me n t En g i n e e r i n g ，L o n g y a n Un i v e r s i t y，L o n g y an 3 6 4 0 1 2，C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e c l ass i fi c a t i o n o f s o ft a n d c r a c k e d r o c k a n d a n a l y s i s o n t h e wa l l r ock d e f o r ma t i o n，d e s t r u c t i v e d i s c i p l i n e a n d r o a d wa y s e t t i n g me t h o d s ，t h i s p a p e r h a s p u t f o r w a r d t h e s e t t i n g me t h o d s i n t h e r o a d wa y s w i t h t h e c h a r a c t e ris t i c o f mo b i l e d e f o rm a t i o n r o c k，fl e x i b l e d e f o rm i n g a n d e x p a n d e d e l ast i c r o c k a n d s t r o n g c r u s t al s t r e s s t o c o n t ri b u t e t o t h e s o ft a n d c r a c k e d r oc k f o rm a t i o n t u n n e l s e t t i n g． Ke y wo r d sS o ft a n d c r a c k e d r o c k ； Wa l l r o c k d e f o rm a t i o n； Ro a d wa y；S e t t i n g me t h o d 巷道 的稳定 不仅与岩石 的矿 物成分 、物 理力学 性 能 、化学特性 、岩体结构 、地 质构造 、水 文情况 等有关 ，而且 与巷道位置 、断面形状及大 小 、支护 方 式 、施工工 艺 、施工顺序 、施工质量 等均有很大 关系 。特 别是 在 地 压较 大 的深 部地 层 或 松 软 破 碎 岩层 中进行巷 道 的施 工 与维 护 ，技 术 更复 杂 ， 难度更大 。 松软 破碎 岩 层 具 有 松 、散 、软 、弱 4个 特点 。 “ 松”，主 要指 岩石 结构 疏 松 ，密 度 小 、孔 隙度 大 ； “ 散 ”，主要 指 岩石 胶 结程 度 差 或未 胶 结 的颗粒状 岩层 ； “ 软 ” ，则 指 岩石 强 度很 低 ，塑性 大或 黏土矿物易膨 胀 的 岩层 ； “ 弱 ”，则 主要 指 岩 体受地 质构造破坏 ，形 成许 多弱 面 ，易滑移 冒落的 不稳 定岩层 。 在松 软 破碎 岩层 中施 工 巷道 ，掘 进 相 对 容易，但维护却极其困难。研究松软 破碎岩 层巷 道支护 问题 ，探 求行之有效 的支护对策 ，有着 广 泛而现实 的意 义。 以及受地质构造 应力影 响而变形 的碎胀 岩体 ，包括 断层破碎带 及附近 的岩体 。 流变岩体 出现塑性 变形 后 ，在 应力 不增加 的情 况下 。随时间 的增 长 ，变 形持 续 增加 ，变形 量 大 ， 变形连续但 不断裂 ，岩体 强度低 ，围岩长期不 容易 稳定 。如吉林 梅河 、舒 兰等矿 区的一些岩体 。 弹塑性 变形膨胀 碎胀 岩体 中开挖巷道 ，岩体与 外界接 触 ，受风化潮解 的影响 ，含强膨胀黏 土矿物 的岩体 不断膨胀碎胀 ，巷道 围岩呈弹塑性变形 ，持 续时间长，变形量大，若同时受构造应力或水 的影 响 ，膨胀更剧烈 ，变形量更大 。如舒兰 、龙 口、茂 名 等矿 区的一些 岩体 。 高地应力碎胀 岩体 的特点 是岩石 的强 度高 ，坚 硬 、致密 ，不 含膨胀性黏土 矿物 ，由于受 构造应力 的影响 ，节理 、裂隙发育 。巷道开挖后 ，应 力重新 分 布 ，加 上 原 有 构造 应 力 的影 响 ，围 岩 出 现 大变 形 ，大位移 ，岩体呈碎性 膨胀 。如淮南 、淮北 、阜 新 等矿 区的一些 岩体 。 1 松软 破碎 岩层变 形破坏机理分 析 2 松 软 破碎 岩体 中巷道 支护类型选择 松软 破碎 岩 层 主 要 包 括一 些 流变 岩 体 及 含有 大量强膨胀 黏土矿物 ，特别 是含钠蒙脱 石等 的 泥 岩 ，黏土岩 、页岩 等 弹塑性 变 形 膨胀 碎胀 岩体 ； 在松 软 破 碎 岩 体 中开 拓巷 道 ，由于 围 岩 本身情 况复杂 ，巷道 破坏的机理 不同 ，巷道破坏 的 显现 和对 支架类型 的要 求不 同 ，给巷道维护工作 带 [ 收稿 日期]2 0 0 4一l l 一 2 9 [ 作者简介]王世潭 1 9 6 8 一 ，男 ，福建龙岩人 ，讲师，1 9 9 0年毕业于福州大学地质采矿工程系，现从事煤矿开采教学与研究工作。 5 3 维普资讯 总第 6 3期 煤 矿 开 采 2 0 0 5年 第 2期 来很大困难 ，采用传统 支护方式很难保证 支护效 果，应对松软 破碎 岩 层进行研究，结合具体 的工程 实践 ，有针对性地 选择相应 的支护方式 。 在松软 破碎 围岩 中进行巷道支护 ，设计 时应预先确定支架的支护结构及支护能力 ，以支架 的可缩性或支架与围岩形成一个共同体等方式来维 护巷道空间，用支架结构来调整围岩变形和位移 ， 充分让 围岩 “ 有 限制地 变形 ，释 放有 害的能量 ， 躲避 应力高峰 ”，使 巷道 支护 在技 术上 更科 学 ，经 济上 更合理 ，安全 上更有保 障。 2 ． 1 流变岩体巷道 的支护 因流变岩体贮存着巨大的变形破坏能 ，从巷道 围岩 四周 向巷道空 间挤压 ，造成 巷道压力 巨大 ，维 护 困难 ，采用条带 碹 支护 能较 好地 解 决 这一 问题 。 条带碹是一种支 、让结合的支护方式，施工时沿巷 道采用料石或混凝土块砌筑 1 ． 82 ． O m 长的碹体 条带 ，留 0 ． 4 0 ． 6 m宽度空着不砌 ，形成释放 能 量的 “ 卸 压通 道”，允许 顶 、帮 向巷 道 空间方 向 挤 出，改善条带砌体上的受力 ，从而保持了巷道的 稳定 。 例如 ，在福建的铅坑煤矿 6 8 0 m， 7 5 0 m主 大巷的维护实践 中，对砌碹体支护作了技术上的改 进 ，收到 良好的支护效果 ，其主要措施有 对地基 不实的砌碹体支护 ，地基采用浇筑 0 ． 4 m 0 ． 4 m地 梁并埋人 2条旧钢轨，目的是把砌墙传来的载荷及 自重均匀传递给底板，使整个碹体受力均衡 ；在砌 碹体的墙与拱的接 口处 ，埋人 0 ． 1 5 m X0 ． 3 m防腐 枕木 ，加大了碹体支架整体的可缩量 ，进一步释放 了围岩的有害能量 ，从而提高了砌碹体的稳定性 ； 在砌体后用砂子炉渣等缓冲物质充填围岩空隙 ，改 善了砌碹支护效果。 除条带碹外 ，u型钢支架 因其在接头处用螺栓 卡缆锁紧，一方面具有承载能力；另一方面外载荷 超过 u型钢接头的摩擦阻力时 ，有较大的可缩性 ， 因而能较好地解决流变岩体巷道的支护问题 。 2 ． 2弹塑性 变形膨胀 碎胀岩体巷道 的支 护 由于棚 式支架无法封 闭围岩 ，致使这类 围岩 因 风化 、潮解而膨胀碎胀 ，使支架损坏 ，造成巷道扭 曲，变形严重，甚至影响机车运行 ，人员行走的安 全，经常性地更换支架 ，维修巷道给矿井生产及成 本必带来很大影响。对膨胀性软岩巷道的支护 ，其 支护结构应有 “ 先柔后刚”的特性 ，一般需要二 次支护。锚喷 网联合支护是一种 比较理想 的 初始支护结构，它既是一种主动支护形式 ，支架和 围岩形成一个很好的整体，共同发生作用，发挥了 5 4 围岩自承的能力 ，同时喷浆能封闭围岩 ，防止围岩 风化 、潮解，使膨胀性围岩变形 、碎裂程度大大减 轻。例如，吉林省舒兰矿区为第三纪中新统含煤地 层 ，围岩均属松软岩层，以未胶结疏松含水砂岩为 主，其次为未胶结的粉砂岩遇水呈片状崩解 ，黏土 质页岩具有塑性膨胀的特点 ，吉林煤研所针对矿区 围岩特征和矿压显现规律 ，进行 了长期的现场观测 和研究，在舒兰矿区软岩地层中采用锚喷网支护巷 道取得很好效果 ，解决了巷道维护困难 、碹体破坏 严重、底鼓现象明显、返修率高的难题。 二次支护应在围岩地压得到释放 ，初始支护与 围岩组成的支护系统基本稳定之后进行。围岩变形 趋于稳定的时间，不仅取决于岩层本身的物理力学 性质，而且与初始支护的刚度密切相关 ，因此它的 变动范围往往很大。为了保证二次支护的效果 ，最 好是进行围岩位移速度和位移量的测量 ，并绘出相 应的变化曲线 ，待位移速度和位移量的峰值下降后 作为二次支护时间比较稳妥可靠。 2 ． 3 高地应力碎胀 岩体巷道 支护 在岩层中开挖巷道 ，将扰动岩石介质，破坏围 岩原有的三向应力平衡状态 ，使应力重新分布。这 一 过程中，岩石内应力和强度发生变化 ，产生岩石 应力、应变的转移或集中和强度的减小 ，围岩发生 变形破坏 ，并围绕开挖空间形成环状 ，即产生围岩 松动圈。在原始构造应力较大的围岩中开掘巷道 ， 受构造应力叠加影响 ，松动圈的发展更快 ，影响范 围更广。这就要求支护结构要有足够的可缩量和支 承强度 ，对围岩的封闭性要求却不高。淮南 、淮北 矿区采用 u型钢可缩性支架，收到了良好的效果。 当地压特别大时 ，也可采用联合支护及二次支护。 在金川矿 区采用锚喷 网 支护作 为初始 支护 ， 在 巷道 开 挖 时 ，采用 控 制 爆 破 ，减 轻 对 围岩 的 破 坏，保证巷道有较规则的断面形状 ，也较好地解决 了该矿区地应力大 ，岩体松散和内向挤压 ，围岩变 形量大的问题 。该矿区有的巷道处 于断层破碎带 ， 采用锚喷效果不好 ，虽曾经多次修复仍不能稳定 ， 此时先采用注浆固结围岩，然后用锚喷网或用料石 砌碹修复 ，支护取得了成功。 3加强巷道底板 管理 软岩巷道，特别是在具有膨胀性围岩中开掘巷 道，底鼓现象经常发生 。分析一些软岩巷道屡遭破 坏的原因，大多与底鼓现象有关。防止底鼓的措施 主要用砌块砌筑底拱 ，有时也采用锚杆加固。底拱 下转 7 6页 维普资讯 总第6 3期 煤 矿 开 采 2 0 0 5年第 2期 给工作面创造良好的开采条件 ； 4打开 九采 轨 道 下 山四号 联 络 巷 风 门上 的 风窗，对工作面两端头进行降压 ； 5 要求工作面加强放炮管理，不要重复放 炮 ，保持风 流稳定 ； 6 加强检测 手段 ，特别是 C O的绝对 量 ，做 出 C O浓 度与时 间关 系曲线 ，做 到早 期预测 预报 ； 7 在 溜 头 溜尾 处 各 安设 1台阻 化 泵 ，向采 空区内喷洒阻化剂 ，对采空区隔氧降温； 8 在 上 下 巷 道 关 门柱 处 各 打 设 一 道 沙 墙 ， 长 5 0 m、宽 3 m，用麻 袋 封装 ，形 成一 道 屏 障 ，隔 断 内外风 流 ，缩小氧化带 的宽度 。 通过采取 以上措施 ，有 效地控制 了高温点 的发 展 ，到4月 2 8日工作面上隅角及回风巷风流中 C O 无上升趋势 ，稳定在 1 01 0 左右 。 4经验及教训 9 3 1下 分 层 切 眼 与 上 分 层 停 采 线 之 间 留设 了 上接 5 4页 的安置时间视巷道支护方式而定 ，若采用砌碹作为 二次支护 ，则按先底拱 ，后 墙 ，最后砌 拱 的顺序施 工，一次完成；若用锚喷支护作初始支护，则可在 初始 支护 完成一段时 间 ，底板应 力得 以充分释 放之 后再砌筑底 拱 ，与二次 支护 同时完成 为好 。砌筑底 拱 时应使底 拱两端压入墙 下 ，与墙联 为一个整 体。 此外 ，对于松软岩层 锚喷巷 道的支护 ，应 重视 围岩 的测量 监控工作 ，通 过测量顶板 下沉量 和底鼓 量 、位移速 度等 ，有助 于评 价 围岩 的稳定程度 ，论 证各支护设计参数的合理性及效果，同时也是修改 设计 和确 定二次支 护时间的依据 。 4结束语 目前 ，除流变岩体 中可用条带碹或 u型钢可 缩性支架，高地应力碎胀岩体也可用 u型可缩性 5 m煤柱 ，此煤 柱 为 自然 发火 留下 了隐患 。如 果下 分层的切眼布置在上分层采空区下 ，也许不会在上 分层停采线出现高温点。 要坚持正规回采 ，避免在采空区留下任何不必 要的煤柱 ，特别是要避免将走向长壁工作面沿走向 在其中部另开切眼 ，形成 2个工作面回采的不规范 做法。否则 ，在开采过程 中会向另一工作面采空区 大量漏风 ，开采后会在采 空 区留下孤 岛煤柱 ，此处 往往是煤 炭 自燃 的发源地 。 5结束语 以上 采取 的措施成 本低 ，见效快 ，为特殊地 质 条件下 的工作 面 防灭火 积累 了一套成 功的经验 ，既 保证 了此 工作面 的正常 回采 ，圆满地 完成 了当年 的 生产任务，又保证了采煤工作面的正常接续 ，不管 是产生 的 经济 效 益 ，还 是 安 全效 益都 是 非 常 显 著 的。 [ 责任 编辑 崔 德仁 ] 支架外 ，其他各类地压所引起的巷道围岩膨胀 、位 移 、变形均可采用 以锚喷为主体的联合支护，配合 二次支 护方式 来 处 理 ，这 是 在 松 软 破碎 岩层 中巷道 支护的有效形 式 。只要在 支护设 计时 注意支 架形式 及支护参数 的选 择 ，在施 工中注意施 工质量 及适 时地 跟上 二 次 支 护 ，松 软 破碎 岩 层 中巷 道 支护 问题 ，不仅 可 以解 决 ，而 且可 以进 一 步 优 化 ，使支护体系更经济合理。 [ 参考文献] [ 1 ]中国矿业学 院 ．开巷工程[ M]．北 京煤炭工 业} H 版社 ， l 9 8 6． [ 2 ]易恭酞 ．不稳定地层中巷道支架类型的选择 [ A]．周文安 ． 现代采矿技术国际学术讨论会论文集 [ C ]．I I J 东 山东矿业 学 院 ，1 9 8 8，3 7 - 4 0 ． [ 3 ]党冒志，围岩松动圈理论在优化巷道支护设计中的应用[ J ] ．煤炭 技术 ． 2 0 0 4，2 3 1 3 3 3 4 ． [ 责 任编 辑 邹正 立 ] 上接 6 2页 钻屑法孔 壁破坍失稳现 象进行 了解析 分析 ，计 算得 到孔壁破坍失稳的临界载荷，并且研究 了孔壁失稳 与煤体冲击矿压之间的关系。结果表明 ，孔壁破坍 失稳的临界 载荷与煤体的材料参数 E，A， ， 有关 ，与孔径无关。说明孔壁破坍失稳现象与煤体 压缩型 冲击 矿压具有相 似性 ，完全可 以进行类 比分 析 ，作为现场有效实施钻屑法预测煤巷冲击矿压的 参 考 。 76 [ 参考文献] 【 1 ] P a n Yi s h a n ，Z h a n g Me n g t a o ，Xu B i n g y e ． F h e ana l y s i s o f r o c k b u t i n c o a l m i n e[ J ] ．C h i n e s e J o u mM o f C o a l S c i e n c e E n g l i s h E d i l i o n ，1 9 9 6， 1 3 4- 5 1 ． [ 2 ]潘一山， 徐秉业．考虑损伤的圆形洞室岩爆分析 [ J ] ．岩 力 学 与 C 程 学报 ，1 9 9 9，l 8 2 1 5 2 ． 1 5 6 ． [ 3]L i Z h o n g h u a ，P a n Yi s h a n ．S t a b i l i t y An a l y s i s o f P i l l a r a s L i mi t P o i n t I n s t abi l i t y [ A3 ．P r o c e e d i n g s o f t h e s e c o n d i n t e ma t i o n al s y mp o s i u m o n mi n in g t e c h n o l o g y [ c3 ．S c i e n c e P r e s s 2 0 01 ，1 8 0 - 1 8 4 ． [ 责任编辑 毛德兵 】 维普资讯