在清水营煤矿+786m水平井底车场施工中的软岩支护

论文摘要：清水营煤矿+786m水平井底车场巷道受软岩影响，巷道在开挖后短期内出现明显变形，造成巷道顶板下沉及底臌，严重影响巷道成形及使用。经专家研讨后认为先对变形巷道卸压，然后再采用锚注支护，经有限卸压二次支护后巷道支护强度达到预期效果。
论文关键词：软岩,卸压,变形余量,二次支护
　　1.工程概况
　　一直有一个困扰着清水营煤矿建设的难题，就是软岩支护。清水营煤矿自2004年4月开工建设至今，在巷道开挖一段时间后出现不同程度的巷道受压变形。巷道反复维修已严重影响到施工进度及经济效益，后期施工需有更加科学、经济的支护方案。
　　清水营煤矿+786m水平井底车场巷道绝大部分位于二煤底板，岩层为成岩地质年代较晚的侏罗纪泥岩、粉砂岩层，属于软岩，巷道受压、遇水、风化后巷道变形尤为突出（详见二煤顶底板柱状图1）。+786m水平井底车场巷道施工于2009年5月开始施工了巷道为医疗等候硐室及通道，医疗等候硐室及通道在施工完7～15天后，由于巷道受围岩压力影响，局部巷道发生不同程度挤压变形和底臌。巷道变形主要表现在：巷道拱部浆皮开裂、脱落，支护材料钢带受压弯曲；巷道底板遇水后膨胀将临时轨道掀倾斜。经过现场长期的观测巷道底板变形
　　图1趋势如图2所示（以车场北翼观测数据为例）。结合现场施工及由矿压观测曲线图可以看出，巷道在开挖7-10天后巷道围岩出现明显变形，当开挖15天后，巷道顶板变形急剧加大，甚至出现顶板脱层现象，因为1号观测点位于马头门2米处，靠近马头门钢筋混凝土现浇支护最近，受围岩应力影响最小，其他三个观测点在开挖15天后
　　图2
　　原支护已基本遭到破坏，实际情况证明原支护方式已不能满足支护要求。经矿技术人员及山东科技大学专家现场研究之后，提出了锚注加强支护方案，经施工证明支护方案取得了一定的效果。
　　2.软岩支护破坏机理分析：
　　2.1软岩支护机理
　　（1）稳定性指数
　　影响巷道稳定的因素很多，理论研究认为：巷道的稳定性可用围岩稳定性指数表示，指数越小巷道的稳定性越好。
　　(1)
　　式中S——围岩稳定性指数；R——岩石单向抗压强度，MPa。
　　从式(1)看出，影响影响巷道稳定的主要因素是H、R值。
　　（2）极限平衡理论
　　巷道开挖后之所以遭到破坏是支护应力小于围岩压力，即极限平衡深入巷道围岩深度和巷道周边位移影响巷道围岩稳定性各种因素的综合反映。是巷道围岩稳定和矿压显现的表现形式。极限平衡半径及周边位移表示为：
　　(2)
　　式中rH——自重应力，MPa；r——上覆岩层体积质量，kg；
　　H——巷道埋深，m；Pi——支护阻力，N；
　　R——极限平衡区半径，m；C——粘结力，N；
　　φ——内摩擦角，°；K1——影响系数；
　　K2——煤岩体力学参数修正系数。
　　(3)
　　式中a——巷道理论半径，mm；u——巷道周边位移，mm；
　　G——剪切弹性模量。
　　(4)
　　由式(2)、式(3)可确定极限平衡区深入巷道围岩的深度为：
　　(5)
　　式中Δ——极限平衡区深入围岩的深度，m。
　　2.2原因分析
　　经过对已完成施工的巷道的长期观察发现，巷道变形情况有以下两点：
　　⑴变形点多在巷道出水点，主要是巷道布置在二煤底板，二煤底板属粉砂岩层，遇水后易膨胀，围岩强度急剧降低，甚至遇水泥化。具有膨胀性围岩在遇水膨胀前后其自身颗粒为发生变化，但内部结构发生改变，颗粒之间连接结构被破坏，孔隙数量和孔距均有所增加，而颗粒之间的亲和力也相应减小，造成围岩强度下降，如3所示。图3
　　⑵变形严重点多在新掘巷道及交叉点处。在巷道开挖前，岩体处于三向应力平衡状态，开巷后，破坏了围岩原有的三向应力平衡状态，使应力重新分布。因为围岩受力状态的改变，岩石强度下降，如果集中应力值小于下降后的岩石强度，围岩将处于弹塑性状态，围岩可自稳，不存在巷道支护破坏问题。但由于集中应力值大于下降后的岩石强度，围岩将发生破坏，这种破坏将从周边开始逐渐向深部扩展，直至达到另一新的三向应力平衡状态为止，此时围岩中出现一个破裂带，这个破裂带成为围岩松动圈。同时交叉点巷道施工时互相之间爆破产生的扰动，对巷道围岩稳定也产生影响。新掘巷道围岩应力的重新分布平衡是一个较为缓慢的蠕变过程，当围岩自身强度不足以抵抗应力重新分布，从而造成巷道围岩发生位移变。而巷道在支护时巷道围岩应力分布尚未达到平衡就采取永久支护，必然支护承担一部分围岩应力，在缓慢的应力作用下巷道支护遭到破坏。所以说巷道的支护绝大部分取决于围岩的自稳，有了围岩好的自稳性支护是不会出现严重破坏的。
　　3.软岩支护方案实施
　　目标是使支护结构与围岩匹配而达到巷道稳定。主要是避开了强应力场，提高围岩支撑能力。技术措施有：降低外部荷载、优选岩层位置、合理确定支护参数、优化施工工艺、改善工程布置及尺寸。软岩巷道治理要化解各种不利因素，使复杂的软岩问题优化为简单的施工方法处理。在分析并总结了医疗等候硐室加强支护施工后认为：由于巷道布置在软弱岩层中，围岩具有遇水后易膨胀、泥化等特性，在后期的巷道施工中首先要解决水的问题，其次就是释放围岩膨胀带来的压力，是巷道围岩的压力重新达到一个新的平衡，确保围岩的稳定性。

而在二次支护施工时要加强注浆工艺的流程管理，严格按照喷砼封巷道围岩→按设计顺序钻注浆孔→安装注浆锚杆→接球形阀及注浆管→开注浆泵注浆（注意观察压力表变化）→达到注浆终压或一定注浆量时停止注浆→30分钟后卸下球形阀→上托盘并拧紧螺母。特别采取间隔注浆，防止临近注浆时水泥浆液未凝固而跑浆。同时现使用的注浆锚杆还不够完善，注浆时的钻孔封堵效果不佳，应将锚杆外露段加工成倒楔形的，现用锚杆为平直钢管，密封圈前后滑到，达不到封堵效果。
　　
　　图4巷道注浆顺序示意
　　所以，在+786m水平井底车场巷道后期的施工中吸取了上述几点经验，并在车场巷道后期施工中取得了较好的效果。（右图为锚注加固断面示意图1—拱部注浆锚杆；
　　2—底角注浆锚杆；3—喷射混凝土）
　　首先在巷道施工时加强掘进迎头的排水工作，尽可能不把巷道顶板以上的含水导下来。其次是加强施工质量的监管，现图5
　　场由监理及安监员双岗监督。第三是对围岩及时封闭，减少围岩在空气中裸露时间，采取两掘一喷的工艺，及时封闭防止围岩受风化后强度降低。第四是给围岩一定时间的卸压，即采用二次支护。二次支护主要是巷道开挖后立即锚网喷+钢带支护到位，并给巷道围岩一定时间巷道受压变形空间（掘进时预留200mm变形余量），变形量一般控制在80-100mm之间，这样既达到围岩应力的释放，又确保巷道的成形，变形量达到规定的量后立即采取二次支护。支护工艺为先施工注浆锚杆，在巷道周围通过水泥浆充填裂隙形成一个混凝土交接圈，以达到加固巷道围岩强度，再打高强锚杆并挂网再次喷浆成巷。
　　4.研究成果评价
　　4.1支护成果分析
　　分析对比医疗等候硐室及通道与+786m水平车场巷道的支护效果，两者产生较大差距。同样两巷道采用二次锚注支护，但在支护完成后的效果有明显的不同。首先表现在感官的不同，医疗等候硐室及通道完成施工将近一年时间，巷道任然出现大块浆皮开裂脱落，局部巷道压力显现非常明显，设在巷道内的老师风门受压变形已无法正常开关，巷道两帮发生帮臌，特别是交叉点巷帮受压开裂。而采用卸压后锚注支护的巷道在完成一个半月后，巷道未发现一处浆皮开裂和脱落，巷道整体喷浆效果良好。其次是矿压观测数据的说明，设在医疗等候硐室及通道的矿压观测点数据表明巷道尺寸明显变化，年累计变化量达10-20mm，而车场巷道通过现场观测未发现有明显变化。
　　4.2技术结论
　　+786m水平井底车场在采用卸压后二次支护方案后，巷道质量取得了较好的成果。具体表现在以下几点：首先通过预留一定的卸压空间，使巷道围岩压力得到了释放。其次是通过锚注支护加强了巷道周围围岩的强度，使巷道周围形成一个加固圈，确保巷道围岩的稳定性。第三就是二次喷浆成巷确保巷道成形效果。第四是有限卸压后二次支护有效的防范了巷道的变形，减小了日后巷道投入使用后的反复维修，确保巷道使用功能。
参考文献
1 王明远.神华宁夏煤业集团清水营煤矿+786m水平井底车场巷道支护加固研究方案[J].山东科技大学.