基于岩体膨胀性的巷道支护技术研究

基于岩体膨胀性的巷道支护技术研究

龙口矿业集团有限公司（以下简称龙矿集团）位于胶东半岛西北部。它是中国唯一的沿海关联公司。它拥有三个生产矿山，北枣煤矿、良勤煤矿和沃里煤矿，年生产能力约600万吨。该矿区煤系地层为新生代下第三系地层,泥岩、黏土岩占80%以上,属典型的三软岩层。矿区自投产以来,巷道支护与维护一直是矿区的首要困难。多年的巷道支护实践表明,在不同的工程地质条件下,采用相同的巷道支护表现出来的支护效果迥然不同。下面以北皂煤矿为例进行分析说明。1上组煤开拓工程的巷道支护情况北皂煤矿年设计能力90万t,于1983年底投产,分陆地和海域两部分进行开采。其中陆地部分分上、下组煤开采。上组煤开采煤2层,开采水平设在-175m水平;下组煤开采煤4层,其开采水平设在-250m水平。通过几十年来的巷道支护实践,在上组煤巷道支护中取得了较成功的经验(以锚喷为主,U型钢喷、工字钢喷及料石圆碹等多种支护形式并存),保证了矿井的正常生产及接续。但是随着下组煤开拓深度不断增加,特别是达到-250m水平,揭露煤4底板8m以下岩层后,采用上组煤成功的巷道支护经验,已不能满足矿井正常生产的需要。从下组煤开拓延伸过程中统计看,在煤3底板岩层中掘的巷道,采用一般的料石圆碹支护,除局部喷过一次厚50mm的C20混凝土以外,没有进行大的返修,满足了矿井正常生产的需要。而在煤4底板8m以下的岩层中掘凿的巷道,虽然在施工时加大了支护强度,但是破坏仍然相当严重。在该层位中以采用料石圆碹或钢筋混凝土碹为主要支护形式,累计施工了827m巷道。对这部分巷道先后多次采用重新返料石圆碹或钢筋混凝土碹进行了返修。累计返修工程量1610m,返修率达195%。严重影响了矿井安全生产和正常接续,同时造成了人力、物力及财力的巨大浪费。分析其原因,主要是巷道所处工程地质条件的差异导致了巷道支护效果的不同。2岩中路防护分析：煤矿3个底板和煤矿4个底板下的岩中路防护分析2.1亲水性膨胀岩岩石学特性北皂煤矿煤系地层属于下第三纪泥质岩,根据中国科学院地质研究所关于泥质岩胶结程度的分级与膨胀岩的判别分类,属于弱胶结的亲水性膨胀岩层,其岩层(除煤层和油页岩外)胶结系数一般都在1～2范围内,岩石干燥后再吸水而膨胀崩解为软泥状,并失去岩石的强度。根据中国科学院地质研究所对北皂煤矿观2孔泥质岩膨胀性判别及观2孔柱状资料分析整理,得到煤3底板至煤4底板8m以上岩层,以及煤4底板8m以下岩层有关主要膨胀性参数的平均值(表1)。2.2岩块的天然含水率①岩层本身具有吸水膨胀性;②岩层只有在干湿交替作用下才发生吸水膨胀现象。从多次崩解试验看,保持天然含水率的岩块浸泡在水中不产生崩解现象,而使其失水(如烘干、晒干、风化等),打破岩块的天然含水率状态后再浸泡于水中,岩块很快就产生膨胀崩解,而且干燥饱和吸水率越大、胶结系数越小、蒙脱石含量越高、表面积越大的岩块,膨胀崩解越是迅速强烈。2.3膨胀崩解与围岩对于支护体的抗剪作用井下巷道围岩一经揭露,由于围岩本身岩性及所处环境不同造成围岩失水程度不同。当围岩失水打破了天然含水率状态,再遭受水的侵蚀时,围岩就会发生膨胀崩解。围岩风化带越厚,失水深度越大,围岩再吸水膨胀崩解就越厉害,作用于巷道支护体上的膨胀力随之就越强。当膨胀崩解产生的膨胀力与其他应力之和小于或等于巷道支护体强度时,支护体处于相对稳定状态;当膨胀崩解产生的膨胀力与其他应力之和大于巷道支护体强度时,造成支护体产生挤压性破坏,导致支护体严重变形,直至完全破坏。2.4煤3底板至煤4底板层位的膨胀性从表1还可以看出,煤3底板至煤4底板8m以上段岩层,其岩块的干燥饱和吸水率平均为64.03%。虽然属强膨胀性,但接近强膨胀性划分范围的下限。蒙脱石含量平均为17.26%,比表面积平均为181.12m2/g,与膨胀性密切相关的这些参数相对较小,即使巷道围岩失水打破了其天然含水率状态,因围岩本身膨胀性相对较差,所以围岩膨胀作用在巷道支护体上的膨胀力相对较小,巷道支护效果较好。而煤4底板8m以下岩层以泥岩为主,其空隙相对致密不发育,透水性能差,巷道围岩被揭露后,岩层因风化耐久性较差,巷道围岩风化失水,深部岩层又不能及时补给水量,造成围岩天然含水率状态被破坏,围岩抗外界水作用能力相对较差。另外,该层位的胶结系数平均1.27,只有煤3底板到煤4底板8m以上层位胶结系数(1.77)的0.72倍,比煤3底板岩层平均胶结系数小得多,胶结程度相对较差。所以,该层位易遭受外界水的作用产生膨胀崩解。从表1中可以看出,煤4底板8m以下岩层岩块干燥饱和吸水率平均为122.28%,其膨胀性是煤3底板到煤4底板8m上层位的1.91倍;比表面积平均为351.83m2/g,是煤3底板到煤4底板8m上层位的1.94倍;蒙脱石含量平均为35.41%,是煤3底板到煤4底板8m上层位的2.1倍,按膨胀性划分标准为剧膨胀岩层。尤其对于弱胶结泥质岩来说,有效蒙脱石含量的多少对其膨胀性的大小具有重要的控制作用,蒙脱石含量的微小增加,其膨胀性都有明显的变化。由此决定了在煤4底板8m以下岩层中掘凿的巷道围岩在经过干湿交替后,围岩膨胀性较强。随着岩石膨胀作用的发生,导致岩石强度的急剧衰减。当膨胀产生的膨胀力与其他应力之和大于巷道支护体强度时,支护体破坏,巷道支护效果显现极差。以上理论分析与下组煤开拓延伸过程中实际揭露的实际情况是吻合的。下组煤人行斜井(16°)下山,材料斜井(18°)下山分别揭露煤3底板120m,采用料石圆碹支护皆已施工120个月,除人行斜井下头20m穿越17m落差的F2-3断层处被返修外,其他未进行返修。而在煤4底板8m以下岩层中掘凿的巷道,如下组煤-250m井底车场通过线250m,料石圆碹支护,施工后2～6个月被压垮;下组煤-250m西大巷170m,料石圆碹支护施工后1～4个月被压垮;材料井下车场及绕道钢筋混凝土浇注50m、料石圆碹支护100m,施工后5～13个月被压垮;下组煤翻笼绕道210m采用马蹄形桁架锚喷封闭支护,几乎随施工随被压垮,后又经套封闭U型钢棚及料石圆碹,结果又被压垮,现已封闭废弃。总之,在煤3底板巷道施工中,岩层湿润,局部岩层甚至还有淋水现象,掘进时打眼困难,施工地点泥水多,作业条件差,但是巷道围岩的工程地质条件较好,施工后巷道支护效果较好;而在煤4底板8m以下岩层中施工巷道时,施工地点比较干燥,作业条件较好,但是巷道围岩的工程地质条件较差,施工后巷道破坏严重,支护效果极差。3柔性主动支护和可缩性较大的刚性支护相结合支护形式的选择(1)设计时尽量考虑在煤4底板8m以上岩层中布置巷道,避开煤4底板8m以下岩层。无法避免时,应采用柔性