深部膨胀性软岩巷道修复技术研究.pdf

第 2 3 卷 第 3期 2 0 0 6年 9月 采矿与安全工程学报 J o u r n a l o f Mi n i n g S a f e t y En g i n e e r i n g Vo 1 ． 2 3 NO ． 3 S e p． 2 0 06 文章编号 1 6 7 3 3 3 6 3 2 0 0 6 0 3 0 3 1 6 0 4 深部膨胀性软岩巷道修复技术研究 郭志飚 1 ．中国矿业大学 力学与建筑工程学 院， 胡永光 ，任爱武 ，陈大鹏。 北 京 1 0 0 0 8 3 ；2 ．中国地质大学 工程技术学院 ， 北京 1 0 0 0 8 3 摘要 通过现场调查、 室内试验 以及理论分析 ， 对常村矿 2 1盘 区延深胶带下 山变坡点附近巷道 支护现状进行 了分析研究， 导致巷道破坏的根本原 因为围岩的高应力和强膨胀性， 直接原因是原 支护 形 式不合 理． 根 据现 场 工程地 质条件 、 岩 石特 性和 破 坏特 点 ， 确 定软 岩 变形 力 学机 制 为 工 ， Ⅱ 。 ， Ⅲ 复合型变形力学机制， 采用锚 网索桁架耦合支护技术进行修复． 实践结果表明 采用该 支护技 术是 有效 的． 关键 词 深部 开采 ；高应 力 ；膨胀 性软 岩 ；巷道修 复支护 中图分 类号 T D 3 5 3 文 献标识 码 A Ro a d wa y Re p a i r Te c hn o l o g y i n Swe l l So f t Ro c k wi t h Hi gh De pt h a n d Hi g h St r e s s GUO Z h i b i a o ，HU Yo n g g u a n g ，REN Ai WU ，CHEN Da p e n g 1 ．S c h o o l o f Me c h a n i c s a n d Ci v i l En g i n e e r i n g，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g ＆ Te c h n o l o g y， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ，Ch i n a ；2 ．S c h o o l o f En g i n e e r i n g a n d Te c h n o l o g y， Ch i n a Un i v e r s i t y o f Ge o s c i e n c e s ，Be i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，Ch i n a Ab s t r a c t Thr ou gh f i e l d i n v e s t i g a t i o n，i n d oo r t e s t a nd t he or y a n a l ys i s ，t he s u pp or t i ng c o nd i t i on n e a r t he gr a d e c ha n ge po i nt o f t h e d i p b e l t r o a d wa y i n t he e x t e ns i o n o f No ．2 1 d i s t r i c t i n Ch a ng c u n c o a l mi n e i S s t u d i e d ．Th e r e s u l t s h o ws t h a t t h e r e a s o n s f o r r o a d wa y d e s t r u c t i o n a r e h i g h s t r e s s，g r e a t s we l l i n g o f r o c k，a n d t h e us e o f wr o ng s up po r t i ng me t ho ds ． Ac c o r di ng t o f i e l d g e o l og i c a l c o nd i t i o n an d r o c k c h a r a c t e r a nd de s t r u c t i on f e a t ur e s ，t he d e f or ma t i on m e c ha ni s m o f s o f t r o c k i s工A，1 1 B D a n d I l I B A，S O t h e c o u p l i n g s u p p o r t i n g t e c h n i q u e s h o u l d b e u s e d t o i mp r o v e t he s u ppo r t of t h e r o a d wa y． Ke y wo r d s h i g h d e p t h ；h i g h s t r e s s ；s we l l s o f t r o c k；r o a d wa y r e p a i r s u p p o r t i n g 软岩问题从 2 O世纪 6 O年代就作为世界性难 题被提了出来 ， 特别是煤矿软岩问题一直是困扰煤 矿生产和建设 的重大难题之一_ 1 ] ． 中国煤炭行业每 年巷道掘进量约 6 0 0 0 k m， 其 中 1 O 以上 的巷道 为软岩巷道． 由于多年 的开采 ， 浅部易开采 的煤炭 资源 日益减少， 不得不转 向开采深部煤炭资源． 随 着开采深度 的增 加 ， 软岩 矿井的数量也在不 断增 多． 目前， 全 国 3 O多个矿区存在着软岩巷道支护问 题， 特别是“ 九五” 期 间中国新开发的 1 O个能源建 设基地中有 8 个都相继出现了软岩巷道支护问题， 有些 矿井 处理 不 当 ， 建设 困难 ， 甚 至有 的停产停 建 。 每年约 6 0 0 k m软弱 围岩 中开掘的巷道 ， 随着开采 深度 的不断增加 ， 地质环境不断恶化、 地应力增大、 破碎岩体增多、 涌水量加大 、 地温升高 ， 导致作业环 境恶化 、 巷道维护困难 ， 地质灾害增多、 成本提高、 安全难于保证等一系列问题 ， 深部软岩支护问题 日 显 严重 ． 在深部软岩巷道 支护技术方 面， 针对其变形 收稿 日期 2 0 0 51 21 8 基 金项目国家 自然科学基金重 大项 目 5 0 4 9 0 2 7 0 ； 教育部科学技术研究重 大项 目 1 0 4 0 5 作者简介 郭志飚 1 9 7 6 一 ， 男 ， 吉林省农安县人 ， 博士， 从事软岩工程方面的研究． E - ma i l g u o z h i b i a o 1 2 6 ． c o rn T e l 1 3 7 1 8 8 0 3 7 9 0 维普资讯 第 3 期 郭志飚等 深部膨胀性软岩巷道修复技术研究 大 、 支护难 的特点 ， 国内外发展了深井巷道的专门 支 护技术 ， 包 括普通 锚 喷支护 、 柔性 钢 支架支 护 、 锚 喷网柔性钢支架联合支护等形式． 何满潮教授根 据“ 软岩大变形 理论” ， 提出了耦合支护技术 的原 理 ． 在 软岩 非线性 大变 形 设 计 理论 的基 础 上 ， 何 满 潮教授和孙 晓明博 士提 出了锚 网索耦 合支 护技 术__ 2 ． 陆家梁教授等提出联合支护技术， 认为巷道 支护必须采用先柔后 刚， 先抗后让 ， 柔让适度 ， 稳定 支护的原则 ， 并由此发展了锚网索钢架等联合支 护 技术 ． 对 于义 煤集 团常 村煤矿 ， 由于煤 系地层 属 中生 代地层， 岩性较软 、 强度较低 ， 同时 ， 由于开采深度 的加 大 ， 造成 软 岩巷 道 维 护 困难 ， 巷 道及 硐 室 支 护 的难 度和破 坏程 度不 断增 加 ， 原 有 的支护形 式 由于 仍然采用浅部支护理论进行支护设计 ， 缺乏深部巷 道围岩岩性 、 物理力学性质 的准确判 断， 因此不能 从根本上控制围岩的变形[ 4 ] ， 返修率高． 对于高应 力膨胀型软岩巷道 ， 采用一般支护形式更是难以奏 效 ， 必须采取新 的支护形式． 1 工程概况及支护现状 常村 煤矿 2 1 延 深 盘 区埋 深 6 0 0 ～ 9 0 0 I T I ， 地压 大 ， 总体地质构造简单 ， 为一单斜构造． 盘区大的构 造 有东 翼 、 南 翼边 界 的 F 1 6和 F 1 6 1断 层 ， 均 为逆 断层 ， 产状为走 向 7 0 。 ～8 5 。 ， 倾 向 S E， 倾角 1 5 。 ～ 3 5 。 ， 落差 5 0 ～4 5 0 m． 其 它区域没 有揭露大 的断 层 ， 构 造较 为简单 ． 2 1 延深胶带下 山 全长为 9 2 0 m 为担负本盘 区运 煤任 务 ， 同时 兼 做 进 风 巷． 该 下 山 布 置 于 2 - 3 煤层底 板 岩层 中 主要为砂 质 泥岩 、 泥岩 、 煤矸 互叠 层和 炭质 泥岩 ， 煤 层 直 接 底 为 厚 3 ～ 8 r r l 炭 质 泥 岩 ， 上 部分 厚 1 ． 5 ～3 ． 5 r r l 的泥 岩 、 炭质 泥岩 、 薄 煤 层组成的煤矸互叠层 ， 直接底为炭质泥 岩， 一般直 接底 之下 为细 砂 岩及 泥 岩 老 底 ， 较 坚硬 ， 性 质较 稳 定 ， 一般厚 2 0 r r l ， 底部 为砾岩 ， 厚 2 ． 4 ～5 ． 2 r r 1 ． 2 1 延深胶带下山变坡点附近 约 8 0 m 岩层主要为砂 质泥岩、 泥岩及炭质泥岩等松软、 破碎、 遇水极易膨 胀变 形 的软岩 ， 为下 山 中 的支 护最 为 困难 地段 ． 该下 山变 坡点 附近 巷道设 计 断面 为半 圆拱形 ， 净宽 4 ． 0 r r 1 ． 支 护采用锚 喷、 u型钢可缩支架联合 支护． 其 中锚杆采用直径 4 3 mm， 长 1 ． 6 r r l 的管缝 锚杆， 锚杆间距 0 ． 6 r r l ， 排距 0 ． 7 5 r r 1 ． 菱形金属网． 喷层厚 1 0 0 mm， 支 架棚距 0 ． 6 r r 1 ． 受 多种 原 因影 响 ， 该 下 山变 坡点 附近巷 道 自掘 出后一 直处 于长 期 流 变状 态 ， 变形 极 为 严 重 ， 主 要 表现为巷道两帮最大移近量达 0 ． 5 r r l ， 同时底鼓量 最 大达 0 ． 4 r r l ， 从 而严 重影 响安 全 生 产． 为 此 ， 先后 进行多次扩修 ， 其 中最近一次在 2 0 0 2年 1 2月． 扩 修采用锚喷 、 工字钢可缩支架联合支护． 其中， 锚杆 为直径 4 3 mm， 长 1 ． 9 r r l 的管缝锚杆 ， 间距 0 ． 6 r r l ， 排距 0 ． 7 5 r r 1 ． 铺菱形金属网． 喷层厚 1 0 0 mm． 工字 钢 可缩 支 架 棚 距 为 0 ． 5 r r 1 ． 扩 修 巷 道 净 宽 4 ． 4 r r l ， 锚 喷净 宽 4 ． 2 r r 1 ． 尽管该段巷道几经扩修 ， 但 目前仍未有效地控 制其变形 ， 变形仍有继续扩大的趋势． 为此 ， 急需再 次扩修， 以确保该巷所担负 的本盘区的运煤、 通风 等任务能正常运行． 2 巷道变形破坏原 因分析 通过对基础资料 的详细分析研究以及现场工 程 地质 条件 及破坏 状况 的调查 后认 为 ， 造 成该下 山 变坡点附近 约 8 0 m 巷道一度变形严重 、 几经扩 修仍不能满足生产要求 的被动局面的原 因主要有 以下几 方 面 1 高 地应 力 2 1 延 深 盘区埋 深 6 0 0 ～9 0 0 I T I ， 自重 应 力为 1 5 ～ 2 2 ． 5 MP a ； 依据矿区水平应力一般大于竖直应 力的特点 ， 水平应力约为 2 5 MP a ， 开挖后的集中应 力约为初始地应力的 1 ． 3 倍左右， 使巷道的支护更 加 困难． 2 强膨 胀 从基 础资 料可 知 ， 该 处附 近岩层 主要 为砂质 泥 岩 、 泥岩及炭质泥岩等松软、 破碎、 遇水极易膨胀变 形 的软 岩 ， 膨 胀 型 矿 物 相 对 含 量 最 高 达 7 0 ． 同 时， 从附近巷道虽经再三扩修但仍不能有效控制的 工程现状也可推定 ， 该区段巷道所处围岩为膨胀性 软 岩． 膨 胀性 软岩 的成分 与泥 质有 关 ， 而 泥质 的主要 成分是黏土矿物． 黏土矿物主要有 3大类， 即高岭 石 Ka o l i n i t e ， 蒙脱石 Mo n t mo r i l o n i t e 和伊利石 I l l i t e ． 黏土矿物的存在及含量在很大程度上决定 了巷道 围岩的性质． 软岩膨胀性矿物通常具有吸水 性 、 软化性 、 可溶性和膨胀性等水理特征， 对煤矿软 岩巷道支护工程而言 ， 软岩的膨胀性和吸水性是研 究 的关键 ． 软岩 之所 以能 产 生 显 著塑 性 变 形 ， 是 因 为软 岩 中的泥 质成 分 黏 土 矿 物 和 结 构 面控 制 了 软岩的工程力学特性． 不同工程软岩由于黏土矿物 成分 和含 量不 同 ， 具 有不 同的结构 构造 、 物化性 质 、 水 理性质 ， 并且 最终 表现 为具 有不 同 的力 学特性 ． 通 过对 附近巷 道岩 样 的物 化特 征 分 析及 X射 维普资讯 采矿与安全工程学报 第 2 3卷 线衍射试验分析， 可知其地质特点是巷道围岩是以 泥质 岩类 为主体 的低 强度 工程 岩体 ， 且该类 岩 体具 有极 易膨 胀变 形 的工程特 性 ， 这也 正是本 巷道 屡修 屡 坏 的根 本原 因． 3 原支 护形 式为不 耦合 支护 从上述 翻修前后 的支护形式及参数可看 出存 在 以下 问题 a ．在该巷道工程处于松软 、 破碎的砂质泥岩 、 泥 岩及 炭质 泥岩层 位 中 ， 因此 在该 岩层 中采用 管缝 锚杆难以发挥锚杆的主动锚固性能； b ．由于巷 道 所 处 岩层 遇 水 极 易 膨胀 ， 采 用管 缝式锚杆， 促使岩层水及巷道施工用水与岩层相互 作用 ， 造成支护更加困难 ； C ．原支护 未 考 虑 软 岩 巷 道 变 形 特 性 ， 未 考 虑 锚杆 、 架棚、 喷射混凝土各支护间的先后时序和耦 合作用， 从而导致巷道围岩变形不断． 3 软岩变形力学机制与支护对策 根据现场工程地质调查及资料分析 ， 可确定该 下 山变坡点附近巷道 围岩为高应力膨胀型软岩． 该 类 软岩是 软岩 巷道支 护 中最难 控制 的一类 ． 根据理论分析和大量工程实践 ， 可将软岩巷道 变形力学机制分为 3大类， 即物化膨胀类工型 ， 应力扩容类 Ⅱ型 和结构变形 I l l 型 类 ， 各类中又 依据引起变形 的严重程度不同分为 A， B， C， D 4个 等级 ， 共 l 3 种基本类型_ 】 ． 以何满潮教授为首的课 题组 在长 期 的软岩 巷道治 理工 程实 践 中发现 软岩 巷道 的变 形力 学机 制 通 常 是 3种 以上 变形 力 学 机 制的复合型． 软岩巷道难支护的根本原因是其具有 复 杂 的变 形力 学机 制． 成 功进行 软岩 巷道 支护 的关键 是 1 正确地确定软岩变形力学机制 ； 2 有效地将复合型变形力学机制转化为单一 型 ； 3 合理地运用复合型变形力学机制的转化技 术 ． 在这 一原 则 的指导下 ， 经 过现 场工 程地质 初步 调查分析 ， 确定了该下山变坡点附近巷道含有大量 吸水膨 胀 的泥质 主要 成分 为黏 土矿物 岩层 ， 且埋 深 大 ， 同时受 巷道 所在 岩层结 构控 制． 因此 ， 可将研 究巷道围岩的变形力学机制确定为 工 ， Ⅱ 。 ， Ⅲ 复合型变形力学机制 ， 即 含黏土矿物 的分子吸水 膨 胀机 制和 重力 、 工程 偏应力 机制 以及 软弱 夹层走 向型 的复合 型变形 力学 机制 ． 根据现场支护条件及现有支护技术 ， 各变形力 学 机制 对应 的转化 技 术为 工 型 翻修 、 柔层 释放 变形能 及喷 层封 闭； Ⅱ 。 型 锚 网索耦合支护技术 ； Ⅲ 型 锚 杆 布置三 维优 化技 术． 该 软 岩巷道 I Ⅱn o Ⅲ 复合 型转 化 为单 一 型 的转化 过程 如 图 1 所示 工 Ⅱ 。Ⅲ Ⅱ 。Ⅲ 锚 杆布置 三维优化技术 Ⅱ叻 ⅡB 图 1 2 1延深胶带下山软岩巷道支护对 策 F i g ． 1 S o f t r o c k t u n n e l s u p p o r t i n g c o u n t e r me a s u r e i n 2 1 p a n e l e x t e n s i o n b e l t r i s e 4 巷道修复支护设计方案 1 支护方 式 根据 上 述 对此 下 山变坡 点 附 近巷 道 变形 力 学 机制及转换对策 的综合分 析 ， 对该巷道进 行翻修 时 ， 根据具体工程地质条件和支护效果 ， 利用非线 性大变形的设计理论口 ] ， 确定采用预留刚隙柔层支 护技 术． 2 预留刚隙柔层支护的力学原理 预留刚隙柔层支 护_ 】 ] ， 从 力学概念上 讲， 是 在支护体内设置刚性层和柔性层 ， 在刚性层和柔性 层之间预 留一定量的间隙， 使其能大幅度地吸收软 岩 的大 变形 ． 在柔性喷层和钢架之间预留一定量 的空隙， 在 刚隙柔层的控制下， 围岩有限制地充分变形 ， 从 而 形 成较 均匀 的外 部塑 性 工 作 状 态 区和 内部 弹性 工 作状态区， 以达到把高应力能量转化为变形 、 高应 力转移到围岩内部的 目的， 待柔性喷层与钢架接触 时， 再喷射混凝土永久支护． 3 支护设计方案 该巷道 翻修支护形式采用锚 网索喷耦合桁 架加强支护方式． a ．巷道扩修 断面形状为直墙半 圆拱形 ， 墙高 1 0 0 0 mm， 拱 高 2 1 O 0 mm． b ．锚杆采用 直径 2 0 mm 高强度螺 纹钢锚 杆 ， 长度 L一2 2 0 0 mm， 锚 杆 间排 距 为 8 O O mm 8 O O mm， 三花布置． 顶帮锚杆均采用树脂锚固剂端 头锚 固． c ．采用 6 ． 5 mm 钢 筋 网 ， 钢 筋 网通过 焊 接 而 成 ， 网片间采用反钩联接． d ．扩修巷道进行锚网支护 的同时 ， 紧跟迎头 打锚索进行加强支护． 间距 为 2 0 0 0 mm， 排 距为 2 4 0 0 mm． 锚索 长度 以锚 入 顶 板 稳 定 岩层 基 岩 内 1 5 0 0 mm为原则． 锚 索紧跟 迎头安装 时， 张拉 维普资讯 第 3期 郭 志飚等 深部膨胀性软岩巷道修复技术研究 预紧力 为 1 0 0 k N． e ．紧跟锚 网索 支护 进行 初喷 ， 喷厚 5 0 mm． 所 用混凝 土强 度等 级 为 C 2 0 ． f ．初喷射结束后 ， 挖底并架设单桁架． 桁架由 工 字钢加 工而 成 ， 棚 问 为 8 0 0 mm． g ．桁架加强支护后 ， 通过围岩位移等支 护 日 常监测 ， 待巷道围岩变形趋于稳定时进行复喷， 保 证 喷层 与钢 架接触 ． h ．通过监测 ， 变形稳定后， 喷射混凝土 ， 作为 永 久 支护 ， 喷射 混凝 土要能 覆盖 钢架 ． 鉴于巷道 围岩 为松软破碎 、 易吸水膨胀 的软 岩， 且有底鼓 ， 对巷道底板必须封底支护 ， 即对底板 进行浇筑混凝土支护 ， 并加反底拱， 底拱与桁架之 间用 平衡 消力 接 口连 接． 施工过程为 按设计直墙半圆拱毛断面扩刷巷 道成型一 临时支 护一 锚 网喷 支护 ， 初 喷厚 度 6 0 mm一按设计间排距打锚索一 挖底一架设桁架一 复喷至与钢架接触一永久支护喷至覆盖桁架． 5 结 论 随着浅部煤炭资源的日益减少 ， 我 国煤矿的开 采深度逐年增加 ， 目前正 以 8 ～1 2 m／ a的速度 增 加， 东部矿井 的速度更是达到 1 0 ～2 5 m／ a ． 随着开 采深度 的不断增加， 深部软岩巷道支护的问题也越 来越突出， 类似常村矿 的深部高应力膨胀性软岩在 全国其它矿区大范围存在． 其它矿区可以借鉴这种 设计思路 ， 解决深部软岩巷道支护难题． 本文是根 据非线性大变形理论 ， 结合现场工程实际和室内实 验结果 ， 确定软岩巷道 的变形力学机 制， 进行过程 设计和参数设计， 主要取得如下 的几点结论 1 提出了巷道变形破坏 的根本原因是高应力 强膨胀的复合型软岩 ， 直接原因是原支护形式不合 理 ． 2 确定 了巷 道围岩 的变形力学 机制为 I ， Ⅱe o ， Ⅲ 复合 型变 形力 学机 制． 3 根据 预 留钢 隙 柔层 原 理 ， 提 出 了采 用 锚 网 索 喷耦合 桁 架加 强支 护方 式进行 巷 道返修 ， 并进 行参数设计和过程设计． 参考 文献 [ 1 ] 何满潮 ， 景海河 ， 孙晓 明．软 岩工程力 学l- M] ．北京 科学 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ] 孙晓 明．煤 矿软岩巷 道耦合 支护 理论研 究及其设 计 系统开发[ D] ．北 京 中 国矿业 大学力学 与建筑 工程 学 院， 2 0 0 2 ． [ 3 ] 何满潮 ， 高尔新．软岩巷道耦合支护力学 原理 及其应 用 [ J ] ． 水 文地质工程地质 ， 1 9 9 8 ， 2 5 2 l _ 4 ． [ 4 ] 何 满 潮 ， 袁 和 生．中 国煤 矿 锚杆 支护 理 论 与 实 践 l- M] ．北京 科学 出版社 ， 2 0 0 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l o g y ， 2 0 0 5 ， 3 4 2 1 6 6 1 6 9 ． [ 9 ] 郑颖 人．地下工程锚喷支 护设计 指南[ M] ．北 京 中 国铁 道出版社 ，1 9 9 8 ． 维普资讯