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軟巖治理淺析論文
摘要：針對(duì)柳海礦區(qū)煤系地層軟巖強(qiáng)度低，變形快等特點(diǎn)，提出了軟巖巷道破壞的主要原因、規(guī)律和治理經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞：軟巖 治理 原因 規(guī)律 聯(lián)合支護(hù)
0 引言
隨著我國(guó)煤炭資源的日益減少，大中型礦井的開發(fā)逐漸向深層及海域發(fā)展，而隨著開采深度及廣度的增加，處于成巖松軟、強(qiáng)度低、易風(fēng)化、潮解遇水膨脹的軟巖巷道，在高應(yīng)力地壓的作用下，穩(wěn)定性變的極差，支護(hù)更加困難，給安全生產(chǎn)帶來了前所未有的嚴(yán)峻考驗(yàn)，使煤炭開采成本不斷增加，嚴(yán)重阻礙了我國(guó)煤礦工業(yè)的生產(chǎn)建設(shè)和發(fā)展，因此探索一套切實(shí)可行、解決軟巖治理難題的新途徑，對(duì)我國(guó)軟巖礦區(qū)的生產(chǎn)建設(shè)是十分必要的。針對(duì)上述情況，根據(jù)我公司在柳海煤礦井巷支護(hù)和巷道修復(fù)的施工經(jīng)驗(yàn)，及取得的一些行之有效的治理方法，并結(jié)合礦壓監(jiān)測(cè)對(duì)巷道破壞的原因的認(rèn)識(shí)�，F(xiàn)將軟巖巷道破壞的主要原因和治理經(jīng)驗(yàn)介紹如下。
1 軟巖巷道破壞的主要因素及規(guī)律
1.1 地質(zhì)因素 柳海礦區(qū)煤系地層為第三紀(jì)地層，井下巷道主要穿過泥巖、泥灰?guī)r、含油泥巖、鈣質(zhì)泥巖及褐煤層等，其主要特征如下：
1.1.1 穩(wěn)定性差 軟巖強(qiáng)度低，自承力差，爆破后松動(dòng)范圍大，巷遭易片幫冒頂在較高的原巖應(yīng)力作用下，巷道來壓比一般巖層大得多。
1.1.2 變形速度快 巷道開挖后，巖體很快變形，變形速率大，礦壓顯現(xiàn)明顯，變形特征為拱頂或兩間窩縱向開裂，兩幫內(nèi)移，底板鼓起。
1.1.3 圍巖來壓周期長(zhǎng) 屬塑性巖體的軟巖，其塑性流動(dòng)區(qū)大于圍巖加固區(qū)，來自圍巖深部的壓力通過塑性體不斷地作用于巷道周邊，使圍巖來壓周期延長(zhǎng)。
1.1.4 地質(zhì)構(gòu)造及地震影響較大 在斷層破碎帶，圍巖松軟離散，巷道易發(fā)生片幫冒頂。周邊地區(qū)發(fā)生波及該礦區(qū)的地震時(shí)，圍巖來壓明顯，巷道破壞嚴(yán)重。
1.2 施工工藝因素 不同的施工工藝對(duì)圍巖的震動(dòng)和破壞程度不同。用掘進(jìn)機(jī)或人工掘進(jìn)，可減小圍巖松動(dòng)，而爆破會(huì)引起圍巖穩(wěn)定性破壞，松動(dòng)范圍大。
1.3 巖石性質(zhì)因素 由于地質(zhì)構(gòu)造的原因，該礦井巷道和峒室所穿過的巖層走向和傾向變化都較大，地質(zhì)條件復(fù)雜，屬下第三系地層，主要巖性為泥巖、泥灰?guī)r、含油泥巖、鈣質(zhì)泥巖，巖石結(jié)構(gòu)松軟，穩(wěn)定性差，來壓快，巷道底鼓嚴(yán)重，圍巖變形量大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，易風(fēng)化，遇水易泥化膨脹，易掘難支，是典型的“三軟”巖層。實(shí)測(cè)到含泥油泥巖松動(dòng)圈為1.8～2.2m，按圍巖松動(dòng)圈分類法屬V類軟巖。對(duì)該泥巖進(jìn)行加壓膨脹試驗(yàn)，其最大膨脹率為36.2％，抗壓、抗拉和抗剪強(qiáng)度分別16.81MPa,0.85MPa,8.34MPa。由于含油泥巖整體性差，巖層錯(cuò)動(dòng)十分嚴(yán)重，滑面多,摺曲、節(jié)理極為發(fā)育，因此巖層的粘聚力大大削弱，抗壓強(qiáng)度減小，經(jīng)分析巖層松軟是巷道破壞的主要原因。
1.4 礦井設(shè)計(jì)因素
1.4.1 對(duì)礦壓預(yù)計(jì)偏小 由于原設(shè)計(jì)單位對(duì)該地區(qū)井田地壓情況認(rèn)識(shí)不足，由此設(shè)計(jì)的井巷承壓能力偏小，造成巷道密度及保護(hù)巖柱參數(shù)不合理。根據(jù)柳海礦井施工實(shí)踐表明，兩巷道的水平間距為巷道寬度的5.6倍時(shí)，礦壓顯現(xiàn)明顯。兩巷道間巖柱尺寸在8～16m時(shí)，因開鑿巷道而產(chǎn)生的應(yīng)力集中對(duì)兩巷道相互干擾最大，巷道密度大及過小的保護(hù)巖柱尺寸也是巷道圍巖變形破壞的主要原因之一。
1.4.2 設(shè)計(jì)支護(hù)方式不合理 井底車場(chǎng)繞道原設(shè)計(jì)采用用鋼筋混凝上支護(hù)。混凝土厚500mm，水泥標(biāo)號(hào)300#，鋼筋為雙層布置。因鋼筋混凝土支護(hù)讓壓性能差，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到支護(hù)體強(qiáng)度極限時(shí)巷道支護(hù)即發(fā)生破壞。主井馬頭門先是采用29U型鋼可縮性支架和鋼筋混凝土背板支護(hù)，因不適應(yīng)圍巖變形特點(diǎn)，故發(fā)生變形后導(dǎo)致支架變形、混凝土背板破壞，壁后充填被擠出。聯(lián)絡(luò)巷等巷道采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，但800×800mm的間、排距較大，也未能維護(hù)好圍巖。其它錨噴巷道，因錨桿間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)規(guī)定，而且噴層較薄，出現(xiàn)噴層破裂剝落，錨桿外露的現(xiàn)象，致使巷道被破壞。
1.5 人為因素 2月份該礦運(yùn)輸大巷2#交叉點(diǎn)至3#交叉點(diǎn)單軌段，由于管理不善致使施工用水供水管破裂漏水，沒有及時(shí)處理，積水浸泡巷道數(shù)日，造成巷道圍巖吸水膨脹，應(yīng)力聚變，致使巷道支護(hù)平衡狀態(tài)破壞，短短20多個(gè)小時(shí)內(nèi)，底板鼓起600mm~1350mm，兩幫內(nèi)斂100mm~300mm不等，運(yùn)輸中斷。
1.6 軟巖巷道破壞規(guī)律 根據(jù)柳海煤礦實(shí)踐觀測(cè)證明，軟巖巷道受平行或上方采掘影響破壞程度較為明顯，基本不受下部采掘影響。開拓巷道初次暴露時(shí)，頂幫來壓較快，底板來壓不明顯。支護(hù)成型巷道，幫部壓力顯現(xiàn)比較明顯，破壞部位先幫后底。
2 軟巖巷道的治理
2004年柳海礦業(yè)公司與中國(guó)礦大專家組共同推出了新的支護(hù)形式———錨網(wǎng)噴+錨索+礦用工字鋼桁架聯(lián)合支護(hù)的新構(gòu)想：首先“讓”圍巖有限制的變形，釋放壓力，避開應(yīng)力高峰，待圍巖變形趨于穩(wěn)定后，再進(jìn)行支設(shè)桁架“抗”壓。經(jīng)過一年多的實(shí)驗(yàn)證明，這種支護(hù)形式基本滿足了柳海煤礦軟巖支護(hù)的需要，出現(xiàn)了前所未有的好局面。
2.1 掘進(jìn) 由于軟巖的遇水易泥化膨脹的特性，鉆眼采用干式鉆眼法，以控制圍巖的膨脹變形，消除膨脹壓力，也可以有效的防止底鼓的發(fā)生；爆破法掘進(jìn)巷道，在圍巖中產(chǎn)生爆破震動(dòng)，甚至形成炮震裂縫，周邊圍巖常因凹凸不平而加劇應(yīng)力集中，從而加速了圍巖的松動(dòng)破壞，造成過大的圍巖壓力，尤其對(duì)地質(zhì)條件較差的圍巖影響更為嚴(yán)重。因此，在爆破施工中采用淺眼光爆技術(shù)，打淺眼，少裝藥，放小炮，毫秒爆破，減小震動(dòng)波對(duì)圍巖的擾動(dòng)，使巷道軟巖具有一定的自穩(wěn)時(shí)間，并能迅速轉(zhuǎn)入支護(hù)工作。對(duì)于松散破碎較嚴(yán)重的巖層，如不能采用全斷面放炮掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)采用只放掏心炮然后用風(fēng)鎬擴(kuò)刷的掘進(jìn)方法，加強(qiáng)巷道的成型管理和頂板管理，防止圍巖因冒落、片幫而失穩(wěn)，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。
2.2 錨網(wǎng)噴 巷道掘刷成型后，盡快噴漿封閉圍巖，巷道圍巖曝露時(shí)間越長(zhǎng)，圍巖松動(dòng)愈往深處發(fā)展，圍巖應(yīng)力就越大，易風(fēng)化的圍巖更是如此。及時(shí)封閉不僅能保持圍巖的原巖狀態(tài)，而且能防止圍巖表面被水軟化，對(duì)易風(fēng)化的巖層還能起到防止風(fēng)化的作用。及時(shí)錨網(wǎng)噴支護(hù)。錨網(wǎng)噴結(jié)構(gòu)直接接觸圍巖，及時(shí)錨網(wǎng)噴可以在巷道發(fā)生破壞前限制圍巖的變形與位移，改變其應(yīng)力狀態(tài)，提高巖體的強(qiáng)度，使圍巖不進(jìn)入松動(dòng)狀態(tài)，充分發(fā)揮巖體“自己支護(hù)自己”的能力，使其較快向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化。原巖應(yīng)力狀態(tài)經(jīng)歷了從“平衡”到“不平衡”到“新平衡”的變化過程，錨網(wǎng)噴積極參與了這個(gè)應(yīng)力變化的全過程，使圍巖在新的應(yīng)力平衡條件下處于穩(wěn)定狀態(tài)。
2.3 施打錨索 錨索采用長(zhǎng)度8米的鋼絞線錨索，因?yàn)殄^索較長(zhǎng)，可以錨固在巷道松動(dòng)圈以外較穩(wěn)定的巖層中，錨固力比錨桿更大，使原來由錨桿支護(hù)形成的“承載圈”更大，增強(qiáng)了圍巖的自身穩(wěn)定性，起到了懸吊作用，及對(duì)錨網(wǎng)噴支護(hù)和圍巖的補(bǔ)強(qiáng)加固作用。
2.4 支設(shè)桁架 桁架為11#礦用工字鋼加工而成的雙層桁架，此桁架為有底拱的全封閉鋼性支架，架間采用90#或75#角鋼拉桿三角形聯(lián)結(jié)。桁架的支設(shè)位置為滯后迎頭15—20米，一般桁架至巷道頂、幫之間預(yù)留300～500mm的變形空間，使巷道圍巖進(jìn)一步釋放壓力，待巷道圍巖應(yīng)力的高峰期過后，巷道頂、幫部有局部位置接觸桁架時(shí)，立即噴射混凝土，使巷道與桁架完全接觸，然后設(shè)礦壓觀測(cè)點(diǎn)，并盡可能連續(xù)觀測(cè)圍巖的位移和變形，待圍巖趨于穩(wěn)定后，合理選擇支護(hù)時(shí)間，復(fù)噴或澆注混凝土至覆蓋桁架，與錨網(wǎng)噴、錨索、雙桁架共同形成了巷道的支護(hù)機(jī)構(gòu)。
3 結(jié)語
“錨網(wǎng)噴+錨索+礦用工字鋼桁架”聯(lián)合支護(hù)是在“新奧法”施工基本思想和指導(dǎo)原則的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)其他礦區(qū)的軟巖工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和柳海煤礦特殊的地質(zhì)條件推出的一項(xiàng)切實(shí)可行的支護(hù)方案。事實(shí)證明：這種以“抗”為主，“讓”“抗”結(jié)合的支護(hù)方法，在柳海礦井的建設(shè)中已基本達(dá)到了預(yù)期效果。
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