趙紅超 張東升，2 劉洪林，2 呂金星 溫穎遠(yuǎn)

（1.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市，830000；2.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221008）

油頁巖作為一種非常規(guī)能源，已成為繼煤炭、石油、天然氣之后的重點(diǎn)戰(zhàn)略能源。目前國內(nèi)外研究主要集中在油頁巖成巖機(jī)理和化學(xué)性質(zhì)方面，缺少對油頁巖巷道圍巖穩(wěn)定機(jī)理和控制技術(shù)的相關(guān)研究。為此，本文以甘肅窯街煤電集團(tuán)海石灣礦油頁巖巷道為研究對象，分析了油頁巖巷道變形破壞的基本特征，在此基礎(chǔ)上研究油頁巖巷道圍巖強(qiáng)度弱化機(jī)理，通過采用與之相應(yīng)的圍巖控制技術(shù)，有效地控制了巷道圍巖穩(wěn)定。

1 工程概況

海石灣井田位于蘭州市紅古區(qū)海石灣鎮(zhèn)，礦井同時開采煤和油頁巖。試驗(yàn)巷道選取6113工作面運(yùn)輸巷，埋深800m，沿頂掘進(jìn)，煤層傾角在8°～14°，平均傾角10°，普氏硬度系數(shù)3.46～5.03，水文地質(zhì)條件簡單，無瓦斯與二氧化碳突出危險，煤塵具有爆炸性，不易自燃。6113工作面運(yùn)輸巷道層位布置見圖1，運(yùn)輸巷道頂?shù)装鍘r性特征見表1。

6113工作面運(yùn)輸巷原有支護(hù)方式是頂板、兩幫均采用規(guī)格為?20mm×2000mm 的普通螺紋鋼錨桿，間排距800mm×800mm、配合120mm×120mm×8mm 的鋼托盤；采用規(guī)格?17.8×7300 mm 錨索，排距1600mm，五花布置；頂幫均鋪設(shè)金屬編織網(wǎng)，鋼帶采用?16mm 鋼筋梯子梁。

表1 6113工作面運(yùn)輸巷頂?shù)装鍘r性特征

圖1 6113工作面運(yùn)輸巷層位布置圖

2 油頁巖巷道變形破壞基本特征

2.1 巷道圍巖變形破壞特征

（1）深部巷道地應(yīng)力水平高，一旦巷道開挖，圍巖即出現(xiàn)破壞。巷道圍巖處在巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰值強(qiáng)度變化的下降段，部分圍巖中形成大量的剪切滑移線，裂隙開裂，產(chǎn)生所謂的局部化變形，該部分在殘余強(qiáng)度影響下，圍巖屬于非線性應(yīng)力狀態(tài)。

（2）巷道變形出現(xiàn)明顯的非對稱性變形破壞，巷道收縮變形后出現(xiàn)不規(guī)則形態(tài)，其中巷道下幫變形劇烈，出現(xiàn)圍巖被壓碎壓酥的現(xiàn)象。巷道肩角處變形嚴(yán)重，具有典型的擠壓型變形破壞特征，出現(xiàn)危石。

（3）巷道遇水后變形速度加快，巖石泥化現(xiàn)象十分明顯，巷道圍巖處于長期流動不穩(wěn)定狀態(tài)，整個使用周期內(nèi)始終處于變形之中。

2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形破壞特征

大量現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，在巷道開掘完成后到巷道報廢翻修整個過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較為顯著的變形破壞特征。

（1）錨桿破壞嚴(yán)重，現(xiàn)場實(shí)時觀測發(fā)現(xiàn)錨桿以剪切破壞為主，少數(shù)錨桿為拉伸破壞，錨桿托盤出現(xiàn)明顯的外翻和扭曲變形，錨桿拉拔力試驗(yàn)結(jié)果顯示大部分錨桿出現(xiàn)松動，錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)失效。

（2）錨索存在拉斷的現(xiàn)象，部分托盤多處壓裂，裂紋以錨索孔為中心向四周呈 “龜裂”式擴(kuò)展。

（3）鋼筋梯子梁嚴(yán)重扭曲，甚至斷裂。頂板和兩幫金屬編織網(wǎng)出現(xiàn)較大范圍的撕裂現(xiàn)象，失去護(hù)表作用。

3 油頁巖巷道變形失穩(wěn)機(jī)理

為研究海石灣煤礦油頁巖巷道圍巖的穩(wěn)定機(jī)理，以相關(guān)部門提供的地質(zhì)資料及工作實(shí)踐為依據(jù)，分別從地質(zhì)構(gòu)造、圍巖性能、支護(hù)時機(jī)、現(xiàn)場施工等方面對巷道圍巖變形失穩(wěn)的主要原因進(jìn)行分析。

綜上所述，輔導(dǎo)員在思想政治教育中的話語權(quán)是指輔導(dǎo)員開展大學(xué)生思想政治教育工作所具有的思想政治引領(lǐng)、觀點(diǎn)表達(dá)、建議陳述等的資格和能力。它既是一項(xiàng)不容侵犯的權(quán)利，也是一項(xiàng)不容撼動的權(quán)力。

3.1 特殊地質(zhì)構(gòu)造帶影響

選取的試驗(yàn)巷道正好位于背斜褶曲的底部，褶曲附近的地應(yīng)力分布又與其他地層條件有明顯的不同，具體表現(xiàn)在地質(zhì)構(gòu)造形成初期受相反方向的擠壓與側(cè)向的滑動，導(dǎo)致地應(yīng)力增大，原本積聚在圍巖內(nèi)部較高的地應(yīng)力作用是導(dǎo)致巷道較大變形的根本原因。

由于巷道并沒有嚴(yán)格按照背斜軸線方向布置，使得巷道開挖后各個部位的應(yīng)力分布出現(xiàn)差異，恰好位于褶曲背斜的中部。以水平構(gòu)造應(yīng)力為主的最大主應(yīng)力的方向與巷道軸向存在一定的角度是導(dǎo)致巷道圍巖出現(xiàn)非對稱性變形破壞的直接原因。在實(shí)際支護(hù)過程中應(yīng)該加以考慮并重點(diǎn)分析。這也是造成巷道出現(xiàn)非對稱變形的根本原因。

3.2 圍巖自身力學(xué)性質(zhì)差

對窯街海石灣礦油頁巖采用X 射線衍射光譜和紅外光譜測試，按照標(biāo)準(zhǔn)分析法進(jìn)行對比分析，得到6113工作面油頁巖圍巖組分測試結(jié)果見表2。

表2 6113工作面油頁巖圍巖組分測試結(jié)果 %

分析結(jié)果表明，油頁巖成巖礦物主體成分為高嶺石、石英，伊利石和伊蒙混層礦物次之。高嶺石干燥時有吸水性，遇潮后有可塑性。這些易軟化、膨脹類黏土礦物的存在，遇水后產(chǎn)生的吸水膨脹變形隨著時間變化一直持續(xù)，極大地弱化了油頁巖的力學(xué)性質(zhì)，是造成油頁巖性質(zhì)弱化的根本原因，也是導(dǎo)致油頁巖巷道在開挖完成初期即出現(xiàn)顯著變形的主要誘因。

3.3 水理作用弱化強(qiáng)度

水理作用會直接影響到巖石的自身力學(xué)性質(zhì)，對于軟巖的作用更加明顯。由于水分子的侵入削弱了顆粒之間的聯(lián)系，隨著水化時間的增加，巖石自身強(qiáng)度降低。表3為6113工作面運(yùn)輸巷道頂?shù)装鍘r層水化試驗(yàn)中單軸抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果。

表3 6113工作面運(yùn)輸巷道頂?shù)装鍘r（石）層水化實(shí)驗(yàn)結(jié)果 MPa

試驗(yàn)結(jié)果表明，6113工作面運(yùn)輸巷道頂?shù)装鍘r層浸水前后單軸抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)大幅度降低。其中，底板油頁巖浸水前6h強(qiáng)度降幅最為明顯，達(dá)到38%，18h后總降幅達(dá)到79.5%。水化作用造成的油頁巖巷道圍巖單軸抗壓強(qiáng)度降低是導(dǎo)致油頁巖性質(zhì)弱化的又一原因，若無法有效地避免包括頂板淋水、鉆孔析水等影響，油頁巖巷道的穩(wěn)定性必然受到影響。

3.4 風(fēng)化作用影響顯著

3.5 支護(hù)時機(jī)選擇不合理

在巷道支護(hù)設(shè)計(jì)中，合理的支護(hù)時間和支護(hù)順序?qū)ο锏绹鷰r的破碎區(qū)和塑性區(qū)分布有著重大的影響。為此，基于6113工作面運(yùn)輸巷實(shí)際地質(zhì)條件和頂?shù)装鍘r層力學(xué)性能測試結(jié)果，采用數(shù)值計(jì)算的方法分析不同支護(hù)時機(jī)對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。

計(jì)算結(jié)果表明：6113工作面運(yùn)輸巷圍巖塑性區(qū)半徑與兩幫滯后支護(hù)的時間成正比關(guān)系，但當(dāng)兩幫滯后支護(hù)時間超過一定范圍時，巷道圍巖塑性區(qū)半徑變化將不明顯。若巷道開挖后及時對巷道兩幫進(jìn)行支護(hù)，可以有效地控制巷道圍巖塑性區(qū)的范圍，當(dāng)滯后時間超過一定范圍后，巷道圍巖塑性區(qū)出現(xiàn)一個峰值，此時進(jìn)行支護(hù)已無法有效控制圍巖塑性區(qū)范圍的進(jìn)一步擴(kuò)展。6113 工作面運(yùn)輸巷在掘進(jìn)過程中兩幫滯后頂板支護(hù)的最大距離超過30 m，此時巷道出現(xiàn)明顯變形，后期再采用補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)已經(jīng)不能實(shí)現(xiàn)巷道圍巖的穩(wěn)定。由此可知，不合理的支護(hù)時機(jī)選擇是造成6113工作面運(yùn)輸巷變形失穩(wěn)的另一個主要原因。

綜上所述，特殊地質(zhì)構(gòu)造的影響、圍巖自身力學(xué)性質(zhì)差、水理、風(fēng)化作用影響明顯以及不合理的支護(hù)時機(jī)選擇的共同作用，造成了海石灣礦6113工作面運(yùn)輸巷嚴(yán)重的變形失穩(wěn)，在巷道圍巖控制技術(shù)確定時需適時考慮上述因素的影響。

4 巷道圍巖控制技術(shù)及參數(shù)設(shè)計(jì)

結(jié)合油頁巖巷道變形破壞基本特征，在綜合分析深部油頁巖巷道圍巖變形破壞機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了高強(qiáng)預(yù)緊、適度讓壓、封閉裂隙、切斷水源的圍巖控制思路。

4.1 巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

巷道掘進(jìn)寬度4600 mm，高度3600 mm，斷面積16.56m2，支護(hù)方案與參數(shù)見圖2。為減少矩形斷面在巷道肩角處出現(xiàn)的應(yīng)力集中，將設(shè)計(jì)斷面做圓弧化處理。

圖2 巷道支護(hù)參數(shù)布置圖

巷道頂板、巷幫均采用規(guī)格?22 mm×2400 mm HRB335預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿，頂板錨桿間排距為700mm×700mm，幫錨桿間排距為750mm×700 mm，配合150mm×150mm×10mm 的碟形錳板托盤和高強(qiáng)螺母。采用?18.9mm×8300mm 的小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，預(yù)緊力120～140kN，間排距為2000mm×700mm。頂板和兩幫均鋪設(shè)?6.5mm 鋼筋焊接網(wǎng)，網(wǎng)孔尺寸為100 mm×100 mm，搭接長度100mm，逐扣連接。鋼帶選用?14 mm 鋼筋焊接梯子梁。設(shè)計(jì)要求頂板錨桿預(yù)緊力矩不低于300N·m，兩幫錨桿不低于200N·m。巷道開挖后保證頂板支護(hù)緊隨掘進(jìn)頭，兩幫支護(hù)滯后頂板支護(hù)的時間不超過4h，滯后20m左右全斷面噴射混凝土。

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用效果

采用此設(shè)計(jì)支護(hù)方案后，6113 工作面運(yùn)輸巷礦壓監(jiān)測結(jié)果表明：巷道開掘后14d內(nèi)變形速度較大，20d以后基本進(jìn)入變形穩(wěn)定期，并一直持續(xù)到30d后未出現(xiàn)加速變形跡象，最終變形量控制在300mm 以內(nèi)。

5 結(jié)論

（1）海石灣礦油頁巖巷道圍巖變形破壞表現(xiàn)出明顯的非線性和非對稱性特征，巷道開挖后短期內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)整體失效。

（2）水理、風(fēng)化作用以及不合理的支護(hù)時機(jī)選擇是造成海石灣礦油頁巖巷道圍巖性質(zhì)弱化的根本原因，特殊地質(zhì)構(gòu)造帶的存在加劇了油頁巖巷道變形破壞的進(jìn)程。

（3）基于高強(qiáng)預(yù)緊、適度讓壓、封閉裂隙、切斷水源的圍巖穩(wěn)定控制思想，采用高強(qiáng)預(yù)緊讓壓錨桿+錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)技術(shù)手段可以有效控制油頁巖巷道圍巖變形破壞。

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