（矿业工程专业论文）土城矿软岩巷道矿压显现规律及支护研究.pdf

摘要 软岩巷道支护一直是困扰煤矿安全生产的重大问题之。近年来，土城矿由 于丌采深度加深、丌采强度加大，矿井主要上山、区段石门均不同程度受采动影 响，采区巷道多处于软岩中，矿井每年巷道维修工程量大，软岩巷道维修工程量 所占比例很大。 有关软岩巷道的理论较多，但目前还没有全面、系统、合理的软岩巷道支护 理论。软岩巷道的变形破坏由多种原因造成，受软岩自身强度较低、采动压力、 地下水、支护方式、支护质量等综合性因素影响。 针对软岩巷道破坏原因，在进行巷道设计时，应采取综合性措施，如尽量将 巷道布置在稳定岩层中、避免将巷道布置在应力集中区内、加强对矿井水治理、 提高支护工程施工质量等。此外，重点要进行支护形式合理性和参数选择，以改 善软岩自身的不足。 土城矿软岩巷道传统支护方式有架棚、锚杆、锚网、锚网喷、锚网喷+ 架棚等， 这些支护形式在不同巷道支护效果不同，但总体支护效果并不理想，巷道普遍存在 返修率高。近年来又试验推广了锚网喷+ 注浆+ 架棚联合支护形式，在一定程度上解 决了土城矿的软岩支护问题。 本文通过对土城矿软岩巷道不同支护形式的围岩移动进行观测，对现场软岩 巷道的变形原因进行分析：对目前所采用的各种支护形式的支护效果进行了比 较。u 型钢棚支护能够控制破碎围岩，防止漏顶、冒顶和片帮，但这种支护为被 动支护，且与巷道周边接触不规则，受压不均，导致围岩变形速度较快，支护周 期短，支护成本较高：锚网喷+ 锚索支护其锚杆深入围岩内部，与围岩相互作用 形成组合拱支护体，具有接近原岩强度和较好的可缩性能，能对巷道进行全方位 支护，锚索深入围岩深部，形成深部组合拱支护体，但受采动影响时对软岩巷道 起不到有效的支护效果；锚注支护其浆液能将围岩裂隙进行封堵，提高围岩的完 整性和强度，提高了围岩的自身承载能力。采用锚网喷+ 锚索+ 注浆+ 可缩u 形钢 棚联合支护后，巷道变形速度较小、破坏程度较低，在受采动影响的情况下，能 够对软岩巷道起到应有的支护效果，为土城矿目前较为合理的支护形式。 关键词：软岩：巷道：支护 a b s t r a c t t h es u p p o r ti ns o f tr o c ke x c a 、，a t i o ni so n eo fg r e a tp r o b l e m st h a t a f f e c ts e c u r ep r o d u c t i o no fm i n e i nr e c e n ty e a r s w i t ht h ei n c r e a s eo f e x t r a c td e p t ha n ds t r e n g t hi nt uc h e n gm i n e ，t h em a i nu p h i l la n ds e g m e n t r o c kc r o s s c u th a sa f f e c t e db ye x p l o i t i n g ，m o s to fs e c t i o ne x c a v a t i o n sa r e l p c a t e di nt h es o f tr o c k i n v o l v i n gl o t so fe x c a v a t i o nm a i n t e n a n c ea n d r e p a i rp r o j e c t se v e r yy e a r ，a n dm o s to fw h i c ha r ef o rt h ee x c a v a t i o n si n t h es o f tr o c k t h e r ea r el o t so ft h e o r i e sa b o u tt h ee x c a v m i o n si nt h es o f tr o c k b u t a tp r e s e n t ，t h eo v e r a l l ，s y s t e m a t i ca n da p p r o p r i a t es u p p o r tt h e o r i e so fs o f t r o c ke x c a v a t i o n sh a v e n tp r e s e n t e d t h ed e f o r m e dd e s t r u c t i o no fs o f t r o c ki sl e db ym a n yr e a s o n s s u c ha st h e1 0 wi n t e n s i t yi t s e l t h e e x p l o i t i n gp r e s s ，u n d e r g r o u n dw a t e r , s u p p o r ta n dt h eq u a l i t yo fs u p p o r t e t c a c c o r d i n gt ot h er e a s o n so fe x c a v a t i o n sd e s t r u c t i o n 血ei n t e g r a t e d m e a s u r e ss h o u l db ea d o p t e di nt h ep r o c e s so fe x c a v a t i o nd e s i g n a t i o n ，f o r e x a m p l e ，t h ee x c a v a t i o n sc a nb el o c a t e di nt h es t a b l er o c k ，a v o i d i n g l o c a t i n gt h ee x c a v a t i o n si nt h ep r e s sa r e a ，e n h a n c i n gt h ed i s p o s i n go f m i n ew a t e ra n dt h eq u a i l t yo fs u p p o r te n g i n e e r i n ge t c i na d d i t i o n ，t h e r a t i o n a l i t ya n dp a r a m e t e ro fs u p p o r tc h o o s i n gi st h em o s ti m p o r t a n tt o i m p r o v et h ed e f i c i e n c yo ft h es o f tr o c k t h ec o n v e n t i o n a ls o f tr o c ks u p p o r tw a y so ft uc h e n ga r es h e l fs h e d a n c h o ra r m ，a n c h o rs h e e t ，a n c h o rs h e e ts p r a y i n g ，a n c h o rs h e e ts p r a y i n g c o m b i n i n gw i t hs h e l fs h e de t c ，t h ee f f e c t so ft h e s ew a y sa r ed i f f e r e n ti n d i 虢r e n te x c a v a t i o n s ，a n dt h eg e n e r a ls u p p o r te r i e c ti s n tg o o de n o u g l l ， a n dt h er e p a i r i n gr a t ei sh i g h i nr e c e n ty e a r s ，ac o m b i n a t i o no fa n c h o r s h e e t ，p o u r i n gp u l pa n ds h e l fs h e dh a sb e e nu s e da c c o r d i n gt ot e s t s ，t h e s o f tr o c ks u p p o r tp r o b l e m so f t uc h e n gm i n eh a v eb e e ns o l v e d i nt h i sp a p e r ，t h em o v e m e n to fs u r r o u n d i n gr o c k w i t hd i f f e r e n t s u p p o r tw a yi ns o f cr o c ko ft uc h e n gm i n ei so b s e r v e d a n dt h ed e f o r m e d r e a s o n so fs o f tr o c ka r ea n a l y z e d ；t h es u p p o r te f f e c t sa r ec o m p a r e dw i t h t h a to fp r e s e n ts u p p o r tw a y s u t y p es t e e ls h e ds u p p o r tc a nc o n t r o l b r e a k i n gs u r r o u n d i n gr o c k ，p r e v e n tr o o fl e a k a g e ，c a v i n ga n dw a l lc a v i n g ， b u tt h i s s u p p o r ti sp a s s i v es u p p o r t ，a n dc o n t a c tw i t hr o u n di r r e g u l a r l y , p r e s s e du n b a l a n c e ，l c a d i n g t ot h ed e f o r m e do fs u r r o u n d i n gr o c k a c c e l e r a t i n g , s u p p o r tp e r i o dj ss h o r ta n dt h ec o s ti sh i g l l ；t h ea n c h o ra r m s o fa n c h o rs h e e ts p r a y i n ga n da n c h o rw i r ei n t e r a c tw i t hs u r r o u n d i n gr o c k a n df o r mj o i n t e da r c h e ss u p p o r t ，t h e yc a na p p r o a c ht h ei n t e n s i t yo f o r i g i n a lr o c ka n dh a v eb e r e ry i e l dp e r f o r m a n c e ，s u p p o r te x c a v a t i o ni na 1 1 d i r e c t i o n t h ea n c h o rw i r e si nt h ed e e ps u r r o u n d i n gr o c kf o r md e e p i o i n t e da r c h e ss u p p o r t , b u tt h es u p p o r ti sn o te f f e c t i v ei nt h es i t u a t i o no f e x p l o i t i n gi n f l u e n c e ；f o ra n c h o rp o u r i n gs u p p o r t ，t h ep u l pc a nc a pt h e c r a c ko fs u r r o u n d i n gr o c k ，i m p r o v ei t s i n t e g r i t y , i n t e n s i t ya n d i t s e l f s u p p o r t i n gc a p a c i t y a d o p t i n gt h ec o m b i n a t i o ns u p p o r to fa n c h o rs h e e t s p r a y i n g ，a n c h o rw i r e ，p o u t i n ga n dy i e l du - t y p es t e e l ，d e c r e a s i n gt h e d e f o r m e ds p e e do fe x c a v a t i o n ，t h eb r e a k i n gd e g r e ei ss m a l l ，a n di tc a l l s u p p o r ts o f tr o c ke x c a v a t i o ne f f e c t i v e l yi nt h es i t u a t i o no fe x p l o i t i n g i n f l u e n c e ，s oi ti saf e a s i b l es u p p o r ta tp r e s e n tf o rt uc h e n gm i n e k e yw o r d s ：s o f tr o c k ；e x c a v a t i o n ；s u p p o r t 第一章概述 1 1 软岩的定义 软岩巷道支护问题一直是困扰煤矿安全生产的主要问题之一，在我国软岩支 护巨大的返修量不仅造成每年数以亿元计的经济损失，而且严重制约矿井安全生 产。 根据中国原煤炭部软岩专家组和煤矿软岩工程技术研究推广中心的讨论，软 岩应分为地质软岩和工程软岩两个概念，二者既有区别又有联系，并建议在软岩 工程中应用工程软岩的涵义i l 】。地质软岩是指单轴抗压强度小于2 5 m p a 的松散、 破碎、软弱及风化膨胀性一类岩体的总称。该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和 含泥质岩石等强度较低的岩石，是天然形成的复杂的地质体质。国际岩石力学学 会将软岩定义为单轴抗压强度( 6 。) = o 5 2 5 m p a 的一类岩石i ”，其分类的依据 基本上是单强度指标。工程软岩是指在工程扰动力作用下，能产生显著塑性变形 的工程岩体 s l ，该定义不仅重视软岩的强度特性，而且强调软岩所承受的工程扰 动力荷载的影响，强调从软岩的强度和工程扰动力荷载的对立统一关系中分析、 把握软岩的相对性实质，包含岩块、工程扰动力、结构面及其空间组合特征等。 工程扰动力是指作用在工程岩体上的力的总和，它可以是重力、构造残余应 力、水的作用力和工程扰动力以及膨胀应力等；显著塑性变形是指以塑性变形为 主体的变形量超过工程设计允许变形值，并影响到工程的正常使用，显著塑性变 形包括：弹一塑性变形、粘一弹一塑性变形，连续性变形和非连续性变形等。此 定义揭示了软岩的相对性实质，即取决于工程力与岩体强度的相互关系。当工程 力一定时，岩体的强度大于工程力水平时，大多表现出硬岩的力学程特性，强度 低于工程力水平时，则可能表现出软岩的力学程特性；而对同种岩石，在较低工 程力的作用下，则表现为硬岩的变形特性；在较高工程力的作用下，则可能表现 为软岩的变形特性。 按工程软岩的定义，根据产生塑性变形的机理不同，将软岩分为四类，即膨 胀性软岩( 或称低强度软岩) 、高应力软岩、节理化软岩和复合型软岩。在此基 础上，还可对各类软岩进行分级。在工程分类方面，根据研究目的不同，还提出 了软岩矿井的分类、软岩变形力学机理的分类、软岩软化程度分类和软岩的软化 途径分类等。 1 2 土城矿软岩巷道支护存在的问题 近年来，土城矿由于开采深度不断增加、开采强度加大，矿井主要上山、区 段石门均不同程度受采动影响，加上中煤组巷道处于软弱岩层中，矿井每年巷道 维修量直保持在3 0 0 0 4 0 0 0 m 之间，每年主要巷道维护费用达2 0 0 0 万元以上， 而维修的巷道大部分是软岩巷道。 被修复的巷道表现出以下特征：一是围岩变形速度快，变形量大：二是围岩 变形持续时间长，甚至持久变形；三是四周来压，底鼓严重；四是采区主要巷道 均布置在煤系地层中，随巷道断面加大和埋藏深度增大，采动影响加剧，变形显 著增大：五是支护方式及支护阻力对围岩变形影响也较大。六是受矿井涌水影响 导致巷道变形较大。 软岩巷道支护问题已成为制约土城矿安全生产的一个主要问题。由于对围岩 活动规律认识不够，以前巷修时采用传统的砌碹、架棚支护、锚喷支护、锚网喷 + 架u 型棚联合支护等形式维修。传统支护方式在开采浅部区段时，由于开采深 度不大、矿井涌水量小，巷道矿压显现不明显。随着开采深度的加大，开采强度的 增大，矿压显现十分明显，加上受采动应力影响，巷道变形破坏速度较快，维修周 期短，支护困难。2 0 0 0 年以来，1 5 轨道上山从1 5 3 至1 5 4 区段一直在重复维修， 从2 0 0 3 年起土城矿仅对1 4 运输上山1 5 0 m 巷道的维修就用了一年多时间。2 0 0 3 年全矿维修巷道3 8 2 1 m ，2 0 0 4 年全矿维修巷道4 0 6 0 m ，2 0 0 5 年全矿维修巷道5 1 0 0 m ， 2 0 0 6 年全矿主要巷道失修量仍还有5 0 2 5 m ，严重影响矿井安全生产和经济效益。 土城矿通过对软岩巷道支护形式的不断改进，巷道维修周期稍有延长，但顶板 下沉、两帮位移与底鼓等矿压显现仍十分明显，维修后巷道仍严重变形，前几年 重新修复的巷道均未能保持良好状况，对矿井的运输、通风、行人等带来一系列 的问题，制约矿井发展。因此，有必要总结土城矿软岩巷道的围岩活动规律，研 究软岩巷道的变形破坏机理，选择合理的支护形式，并以指导对软岩巷道旋工和 维护，促进矿井生产发展，实现矿井安全高产高效。 1 3 软岩支护研究现状 近年来，国内外针对软岩问题开展了大量的研究工作，逐渐形成了一些有影 响的理论和技术，如新奥法理论、松动圈理论、大弧板理论、联合支护理论等 2 1 1 3 4 | 5 6 7 1 s 1 【9 j 。 新型的支护形式，如巷道支架壁后充填、网壳锚喷支护、软岩巷道支护新型支 架、化学加固煤岩技术的应用等。这些理论与技术解决了部分软岩支护问题。如 徐州矿业集团、淮北矿业集团、铁法煤业( 集团) 、国投新集能源股份有限公司 等单位在研究极软岩巷矿压显现及支护技术方面都取得了较好效果 【1 0 】【1 2 1 13 1 i4 1 。 土城矿软岩支护尚处于起步阶段，为此，必须在理论的指导下，进行必要的 现场实测，并进行相应研究。针对不同的支护形式进行对比，总结出矿井软岩巷 道矿压显现的一般规律，指导合理的支护选择。 第二章土城矿软岩的基本地质条件及开采情况 2 1 地质条件 土城矿位于贵州省盘县洒基镇，矿井走向长1 2 k i n ，倾斜长2 3 k m ，井田面积 约2 9 k i n 2 ，矿井设计能力2 4 0 万t a 。经技术改造后2 0 0 5 年矿井生产原煤2 6 1 8 2 万吨。2 0 0 5 年矿井核定生产能力3 0 0 0 k t a 。土城矿井田含煤地层为二迭系上统龙 潭煤组( p 2 l ) ，全层厚2 8 0 - - 3 1 0 m ，由粉砂岩、细砂岩及泥岩组成，含煤4 0 5 0 层，煤层多以近距离中厚煤层群为主，主要可采煤层3 、5 、6 、9 、1 2 、1 5 、 1 6 、1 7 、1 8 号煤，分布在煤系地层上部及中部。上煤组可采煤层( 3 、5 、6 、9 号煤层) 顶板多为粉砂岩、细砂岩，岩性坚硬、节理发育、易于管理。中煤组( 1 2 、 1 3 、1 5 、1 6 、1 7 、1 8 号煤层) 煤层顶底板大部分为粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩等软 岩，其硬度系数f = 2 3 ，节理发育，遇水极易变软膨胀。目前矿井开采第3 5 区 段，与地面的垂高为3 0 0 - - 5 0 0 m ( 见岩层柱状图图2 1 ) 。 根据土城矿多年来开采实际情况，采区主要巷道均处于软弱岩层中。 层号 柱状层厚岩性描述 细砂岩暗灰色致裔坚硬，薄层状。下部为粉砂岩与 细砂岩互层，泥质胶结。 1 、o1 印 2 2 7 1 2 号煤：灰黑包亮型，松轼易碎。 细砂岩：浅灰色，致密，坚硬，中部夹0 2 的薄煤层。 3 8 9 上，下部与粉砂岩相互层。 4 ： 0 7 5 1 l 号煤：黑色半亮型里块状，夹险轼易碎。 5 吣二 细砂岩、粉砂岩；上部有白色，厚层状细砂岩，层理不明 显，中部夹有灰白色期砂岩，中厚层状，底部在层浅色 i 0 ：7 9 细砂岩。 6 过。w 1 7 71 3 - 2 号煤：黑色半亮型呈块状，夹| = i 较有软允层易碎。 7 m m 细砂岩、泥质盼j 移渚；上部有白色泥质粉砂岩，厚磋状， 6 7 9 层理不明显，中部夹有灰白色细砂岩，中厚层状，夹在一 层炭质岩。 8 v 2 0 51 5 号煤：黑色半亮型呈块状，坚醍有软允最易碎。 4 3 泥质粉e k 岩；灰白色，无层理断口滑面为方解大石。 毵9 1 51 6 号煤：黑色半亮型呈块状，坚瓯有软分居易碎。 一 2 4 7 泥质粉砂岩；灰白色，无层哩断口滑面为方解大石。 、 “ 1 21 7 1 号煤：黑包半亮型呈块状，含两层夹石干i 易碎。 细砂岩：浅灰色，致密，坚硬， 蓑 荔 一 4 3 5 上，f 部与粉砂岩相：耳层。 兰蕊 1 1 1 7 2 号煤：灰黑包半亮型呈块状，坚魄有软分曷易碎。 1 1 4 粉砂岩与细砂岩互层，灰白色，无层理，断口面为力解石。 0 9 1 8 1 号煤：黑包半亮型呈块状，较硬。 细砂岩：深灰色，薄层状，致密，坚硬，含钙质， 5 4 卜部与层浅灰色的粉砂岩互层，中问有断层破碎带。 o 8 71 8 1 号煤：黑色半亮鹜呈块状，有臆细砂岩的夹矸。 粉砂岩：深灰色，中厚层状，致密，坚硬，砂岩尉齿状 勤 = 2 0 上，下部与粉砂岩相互层。 i 0 81 8 - 2 9 - 煤：黑色半翘呈块状，坚硬。 细砂岩：浅灰色，致密，坚硬，底音隋_ 层浅芡包盼 沙岩。 f 1 4 5 致密，坚硬，易，中厚层状。 2 4 o 8 52 0 号煤：黑色半亮型薄层比含铙嗜绦纹。 图2 _ 1 炳场蝴柱状图 2 2 开采情况简述 土城矿采用走向长壁后退式采煤法，采区巷道布置为斜并集中迸回风、各区 段布置集中运输和集中回风石门，在采掘过程中，受采动影响十分明显，巷道变 形破坏严重，采区主要巷道受采动情况见图2 2 ( a ) 、( b ) 、( c ) 。 ( a ) 石门保护煤柱留设示意图 1 、 、 、 、 ， 二l 、 、 _ 彦 。 、遗 心 1 4 1 2 9 采空区l “轨道石门 1 4 1 2 l o 采牵区 卜一煤拄区麻力迭加分布线 2 一1 4 1 2 9 采面煤柱i 基应力分布线 3 - - 1 4 1 2 1 0 采面煤梓l k 麻力分布线 ( b ) 石门本煤层煤柱受力迭加曲线 图2 - 2 采动集中压力分布图 l p 卜形 氚躺镛 二 j 细曝厕 p 埘 ；| 1 4 4 轨道盯门 弋m ， - - j 方法、专业知识、新技术、新工艺以及创新能力都 有了长足的进步，今后这些知识对我的专业工作都将会有很大的帮助和提高，我 将用这些知识回报学校的培养、回报企业。 其次，感谢公司及矿领导给予的学习机会和工作上的支持，让我有了再教 育的机会，并能完成了这段时间的学习。 在论文的写作过程中，得到导师叶明亮教授、邓济民高级工程师的精心指导， 在现场资料收集、数据整理方面得到了土城矿技术科、各采区技术室的大力支持， 得到了土城矿副区长李臣武、副总工程师吴家来、盘江煤电公司生产部副主任伍 超的大力帮助，在此一并表示衷心感谢。出于时间仓促，对理论学习有所放松， 文中难免有许多不妥之处，敬请大家批评指正。 4 8 主要参考文献 l 、何满朝等，软岩工程地质力学研究进展 j ，工程地质学报2 0 0 0 年第一 期。 2 、钱鸣高、刘听成，矿山压力及其控制 m ，北京：煤炭工业出版社，1 9 8 4 年。 3 、陈炎光、陆仕良，中国煤矿巷道围岩控制 m ，北京：中国矿业大学出版 社，1 9 9 4 年。 4 、任德惠，井工开采矿山压力与控制 m ，重庆：重庆大学出版社，1 9 9 0 年。 5 、段克信，松软围岩煤层开采 m ，北京：煤炭工业出版社，t 9 9 5 年。 6 、董方庭等，巷道围岩松动圈支护理论及应用技术 砌，北京：煤炭工业出 版社，2 0 0 1 年。 7 、叶明亮等，软岩井巷矿压显现规律 j ，矿山压力与顶板管理，2 0 0 4 ，2 1 ( 2 ) ：3 1 3 6 8 、姜福兴等矿山压力与岩层控制 m ，煤炭工业出版社，2 0 0 4 年。 9 、高磊，矿山岩石力学 m ，西安冶金建筑学院编印，1 9 8 7 年。 1 0 、高明中、孙家斌等，极难维护回采巷道封闭式支护试验研究 j ，煤炭 科学技术2 0 0 3 ，3 l ( 9 ) 儿、陈廷学、钟传义，锚注支护技术在祁东煤矿软岩巷道修复中的应用 j ， 煤炭科学技术2 0 0 3 ，3 1 ( 1 1 ) 1 2 、王悦恒，高应力煤柱区强流变软岩巷道支护研究 j ，矿山压力与顶板 管理，2 0 0 4 ，2 1 ( 4 ) ：6 7 6 9 1 3 、章义学软岩巷道二次支护技术的应用 j ，煤炭科学技术，2 0 0 4 ，3 2 ( 1 2 ) ：1 6 1 8 1 4 、张春等，底梁弧板技术在涌水性膨胀型软岩工程中应用 j ，煤炭科学 技术2 0 0 3 年第3 1 卷第6 期。 1 5 、耿献文，矿山压力测控技术 m ，徐州：中国矿业大学出版社，2 0 0 2 年 1 月。 1 6 、叶明亮、马加松，采场顶板岩层移动观测及支护状态研究 j ，煤炭科 学技术，1 9 9 9 ，( 9 ) ：3 8 4 2 1 7 、卢爱红等软岩巷道的时间效应模拟 j ，矿山压力与顶板管理，2 0 0 4 ，2 1 ( 3 ) ：l 7 1 8 、徐芝纶弹性力学简明教程m 】，北京：高等教育出版社，1 9 8 5 年3 月。 1 9 、李