复杂围岩环境下巷道底鼓治理方案研究-5.28.doc

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大佛寺矿软岩巷道底鼓机理及控制技术研究 陈跟马 张永涛 贺海鸿 张红卫 (陕西彬长大佛寺煤矿有限公司,陕西彬县,713500) 摘要:大佛寺煤矿40110工作面运输巷地板围岩松软破碎,巷道底鼓剧烈,给工作面安全生产带来严重影响。针对大佛寺煤矿运输巷底鼓治理难题,通过现场调查、地板岩性试验,结合矿井生产实际,分析了40110运输巷底鼓机理,得出地板围岩特性是造成巷道底鼓的主要因素;水理作用、支护体系不耦合、采动影响是巷道出现底鼓剧烈的诱导(加剧)因素。基于上述研究,提出了“泄压槽+底角锚杆+底板硬化”支护形式控制巷道地板围岩的稳定性。工程应用表明:巷道支护状况良好,巷道围岩保持了长期稳定,为矿井进一步研究无底煤开采提供参考依据。 关键词:松软破碎;围岩特性;底鼓治理;稳定性 1.引言: 底鼓一直是软岩巷道支护的一个棘手问题,影响巷道的正常使用,直至整个巷道报废。为控制软岩巷道底鼓,国内外学者对软岩巷道底鼓机理及控制技术开展了大量的研究工作,取得了一大批理论和技术应用成果。A.Afrouz[1]指出,引起巷道底鼓的因素主要有三种:底板为松软岩层;巷道围岩中存在较高的岩层应力和水理作用。康红普等[2-4]分析底鼓产生的原因在于失稳的底板岩层向巷道内压曲、偏应力作用下的扩容、岩石自身的遇水膨胀。Gesel M、曲永新等[5-6]认为底板泥岩遇水膨胀是巷道底鼓的本质。王卫军等[7-9]对回采巷道底臌机制进行系统总结,指出底臌主要来自底板破碎岩层的峰后变形,而顶板、两帮的变形对底臌亦产生重要影响。大佛寺煤矿40110综放工作面处于特殊围岩环境条件下,运输巷底臌剧烈、两帮破碎、顶板下沉,给工作面安全生产带来了困难。针对40110回采巷道支护难题,基于一体化综合控制思路,提出了“泄压槽+底角锚杆+底板硬化”支护形式控制巷道地板围岩的稳定性。现场观测结果表明,该支护方案对巷道围岩变形控制效果较好。 2.巷道地质与生产条件 大佛寺40110工作面是大佛寺矿井在401采区东翼沿煤层走向布置的第四个综放工作面,北临40108工作面(已回采),西为辅运大巷,其采掘关系如图1所示。该工作面对应地表位于彬县城关镇菜子塬,中部、中西部为宽缓的黄土台塬,东部和西部为沟壑地貌,地表最大标高1132.7 m,最底标高950.1m,煤层埋藏深度320.1~451.7m。工作面内煤层赋存稳定,厚度8.3~12.7 m,平均厚度10.5 m。,煤层普氏系数为2~3。煤层伪顶为泥岩,厚0.75 m;直接顶为泥岩,厚1.53m,抗压强度24.6Mpa,软化系数0.4,属于易冒落半坚硬不稳定型;老顶:下部为粉砂岩,厚度3.18 m;上部为中粒砂岩,厚度8.88 m,其抗压强度63.76 MPa,软化系数0.50,属于半坚硬较稳定型。伪底以炭质泥岩为主,厚度 1.43 m。直接底为铝土质泥岩,厚度4.07 m,其抗压强度29.4MPa,经试验分析得到,底板岩石高岭石含量高达13.22%,而Al2O3含量高达23.3%,软化系数0-0.15,属于不坚硬不稳定型。地板吕质泥岩暴露后,容易风化、软化及裂隙化,遇水极易发生膨胀,岩体泥化,比较破碎,对巷道支护极为不利。 图1 40110工作面采掘关系示意图 3.软岩巷道底鼓特征分析 (1)变形量大 软岩巷道底板自身特征决定了巷道收敛具有变形量大的特点。根据测量结果,40101运输巷底板鼓起量大,最大可达1.5 m以上,严重影响巷道的安全生产。该巷道500m~800m斜坡段,7d累计底鼓量最大达0.5m以上。 (2)变形持续时间长 软岩巷道底板鼓起具有显著的流变性,故其底鼓具有明显的时效性,对于软岩巷道底板而言,剧烈的初始变形后,大约要数天甚至数月时间才能进入稳定变形阶段,围岩收敛停止得需更长时间,况且是否能停止收敛变形还取决于支护体系。监测资料表明, 该巷道500m—800m段,开挖3个月后变形速率无明显降低,一般维持在3-8cm/d。而且由于这种流变产生的形变和围岩压力造成支护结构失效,围岩再次恶化并强烈变形,如此反复,也就是该巷道多卧底次返修仍未能有效阻止围岩变形和破坏的根本原因所在。 (3)挤压流动性底鼓 40110运输巷直接底富含遇水膨胀的高岭石矿物,其中该矿物质中Al2O3含量高达23.3%,浸水后往往会泥化、崩解、碎裂,甚至强度完全丧失,受巷道两侧岩柱传递的水平压力的挤压作用,使巷道两帮内移,引起底板软弱破碎岩体向巷道内整体流动,导致底板岩层从表面向深部发生离层,并在巷道的中部鼓起进而断裂,形成离层性压茬状底鼓,如图2所示: 图2 挤压流动性底鼓 软岩巷道底鼓影响因素分析 引起底鼓的因素很多,其中影响最大的是底板围岩性态和岩层应力,其次是水理作用,同时

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