李永恩 張 弘 王志剛 王田逢 田向陽(yáng)

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

東保衛(wèi)礦巨厚輝綠巖侵入?yún)^(qū)大巷圍巖控制技術(shù)研究

李永恩 張 弘 王志剛 王田逢 田向陽(yáng)

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

針對(duì)東保衛(wèi)礦西翼三條大巷在穿過約750 m長(zhǎng)的特厚輝綠巖侵入?yún)^(qū)時(shí)出現(xiàn)的巷道難以支護(hù)的問題，進(jìn)行了鉆孔窺視，并通過現(xiàn)場(chǎng)取樣對(duì)輝綠巖進(jìn)行力學(xué)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其具有遇水崩解、易風(fēng)化的特點(diǎn)。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，可知大巷在輝綠巖軟化后塑性區(qū)范圍極大擴(kuò)展是巷道難以維護(hù)的主要原因。根據(jù)巖性特點(diǎn)和數(shù)值模擬分析，針對(duì)原有架棚式被動(dòng)支護(hù)不能有效防止輝綠巖風(fēng)化并控制圍巖破壞變形的缺點(diǎn)，提出錨桿-錨索-金屬網(wǎng)配合分次噴漿的綜合支護(hù)方案，通過現(xiàn)場(chǎng)深基點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了新支護(hù)方案的有效性。

輝綠巖 力學(xué)測(cè)試 塑性區(qū) 分次噴漿 深基點(diǎn)監(jiān)測(cè)

我國(guó)煤炭開采面臨的地質(zhì)條件復(fù)雜，其中火成巖侵入作為一種常見的地質(zhì)現(xiàn)象也常常困擾著煤炭開采。許多專家學(xué)者都對(duì)巨厚火成巖侵入影響下的采場(chǎng)和巷道的礦壓規(guī)律和災(zāi)害防治進(jìn)行了研究，但這些研究多是集中在強(qiáng)度較高的火成巖對(duì)采場(chǎng)頂板的影響和火成巖侵入煤體后對(duì)巷道煤巖性質(zhì)的影響。而火成巖的巖性復(fù)雜，有些火成巖具有膨脹性和遇水崩解的性質(zhì)，在這種巖石中掘進(jìn)的巷道維護(hù)問題也是需要關(guān)注的問題，本文就以東保衛(wèi)礦西翼三條大巷在巨厚輝綠巖侵入?yún)^(qū)掘進(jìn)為背景，研究巷道在火成巖侵入?yún)^(qū)域掘進(jìn)中遇到的問題和工程對(duì)策，為類似工程條件下的巷道維護(hù)提供借鑒。

1 工程概況

龍煤礦業(yè)集團(tuán)東保衛(wèi)礦東西走向長(zhǎng)9.16 km，南北傾向平均寬3.31 km，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造呈單斜構(gòu)造，地層傾角變化不大，伴有一定數(shù)量的斷層，局部遭受巖漿侵入的影響嚴(yán)重。西翼掘進(jìn)的運(yùn)輸大巷、回風(fēng)大巷、軌道大巷埋深均為650 m，掘進(jìn)過程中，巷道需穿過約750 m長(zhǎng)的特厚輝綠巖侵入?yún)^(qū)域。

最初在輝綠巖區(qū)域內(nèi)巷道掘進(jìn)后仍沿用如圖1所示的25U型鋼半圓拱+底梁的架棚支護(hù)方案，但不久后巷道就破壞嚴(yán)重，尤其片幫嚴(yán)重，并在局部地區(qū)出現(xiàn)了3～4 m的冒頂，巷道維護(hù)十分困難。

圖1 東保衛(wèi)礦原始支護(hù)方案

通過對(duì)軌道大巷火成巖侵入圍巖破碎最嚴(yán)重區(qū)進(jìn)行頂板鉆孔窺視，窺視結(jié)果如圖2所示。

圖2 輝綠巖侵入?yún)^(qū)鉆孔窺視結(jié)果

巷道頂板圍巖2 m以下范圍內(nèi)圍巖破碎尤其嚴(yán)重，圍巖在0～1 m范圍內(nèi)共有6處破碎及裂隙，在1～2 m范圍能共有8處破碎及裂隙，在2～3 m范圍內(nèi)有5處破碎，3 m以上范圍內(nèi)僅在4.3 m和4.5 m處有裂隙。2～4.5 m之間，破碎帶之間的距離明顯加大，破壞程度減小，4.5 m以上圍巖保持相對(duì)完整。窺視結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)情況說明東保衛(wèi)煤礦輝綠巖區(qū)域巷道沿用原有支護(hù)方案時(shí)，巷道存在安全隱患，由于三條大巷的設(shè)計(jì)服務(wù)年限均在40 a以上，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)和后續(xù)接替產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，故需對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

2 原有支護(hù)方案失效原因

2.1 巖性分析及數(shù)值模擬

三條巷道在火成巖侵入?yún)^(qū)域內(nèi)的圍巖變形破壞和輝綠巖的巖性是密切相關(guān)的，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)采樣對(duì)東保衛(wèi)礦輝綠巖進(jìn)行了巖石力學(xué)性質(zhì)測(cè)試，得到遇水之前東保衛(wèi)礦輝綠巖的各項(xiàng)巖石力學(xué)指標(biāo)，見表1。

通過協(xié)議明確界定學(xué)校、企業(yè)、學(xué)生（家長(zhǎng)）三方各自的職責(zé)與義務(wù)。學(xué)校與企業(yè)要簽訂聯(lián)合培養(yǎng)的合作協(xié)議，學(xué)生要與企業(yè)簽訂三年的學(xué)徒協(xié)議。

表1 東保衛(wèi)礦巖石力學(xué)指標(biāo)測(cè)定匯總表

由表1可知，東保衛(wèi)礦輝綠巖在遇水之前強(qiáng)度較高，屬于硬巖，但是其一旦遇水，強(qiáng)度變小，硬度會(huì)急劇變軟，成為軟巖甚至極軟巖，甚至發(fā)生崩解，因此輝綠巖遇水軟化后的巖石力學(xué)參數(shù)并未獲得。這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)情況相吻合，在巷道剛施工完成之后，圍巖易于支護(hù)，圍巖變形量較小，但經(jīng)過一段時(shí)間之后，輝綠巖風(fēng)化遇水，導(dǎo)致圍巖變形明顯增大，最終致使部分支護(hù)失效，甚至發(fā)生冒頂。

使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件計(jì)算東保衛(wèi)大巷在輝綠巖軟化前后的塑性區(qū)破壞范圍，分析巷道支護(hù)失效的原因。

圖3 東保衛(wèi)礦大巷數(shù)值模擬模型

建立如圖3所示的東保衛(wèi)礦大巷計(jì)算模型，模型為62.5 m×5 m×56.05 m，大巷采用直墻半圓拱斷面，巷寬4.2 m，墻高1.8 m，巷道內(nèi)表面施加一層250 mm厚的支護(hù)體模擬U型鋼支架提供支護(hù)，模型采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，固定X軸、Y軸邊界水平位移與Z軸下邊界垂直位移，上邊界施加補(bǔ)償載荷16.25 MPa模擬模型上方650 m巖層容重，據(jù)地應(yīng)力隨埋深分布規(guī)律關(guān)系式：

(1)

式中：H——巷道埋深，m；

k——側(cè)壓系數(shù)。

取H=650 m，k=1.3，則模型中X方向和Y方向施加的初始應(yīng)力為21.125 MPa，Z方向施加的初始應(yīng)力為16.25 MPa。

模型選取的參數(shù)如表2所示，輝綠巖軟化參數(shù)根據(jù)巖體力學(xué)規(guī)定的軟化系數(shù)進(jìn)行折減。

表2 模型參數(shù)表

分別計(jì)算輝綠巖在原始狀態(tài)下開挖巷道后和輝綠巖遇水風(fēng)化變軟后的塑性區(qū)范圍，如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可以看出，由于輝綠巖在原巖應(yīng)力作用下遇水之前塑性破壞范圍較小。當(dāng)輝綠巖遇水風(fēng)化，巖性軟化后，塑性區(qū)范圍有了極大擴(kuò)展，塑性區(qū)形態(tài)整體呈橢圓形，兩幫破壞深度為2.5 m，頂板由于斷面為半圓拱型，相對(duì)于底板破壞深度最小為3.1 m，最大為3.75 m。

圖5 輝綠巖軟化后塑性區(qū)范圍

通過數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)應(yīng)，可以發(fā)現(xiàn)巷道整體破壞形態(tài)與現(xiàn)場(chǎng)窺視結(jié)果相近，巷道圍巖在遇水軟化后的圍巖塑性區(qū)范圍有了極大的擴(kuò)展，此時(shí)巷道變形破壞嚴(yán)重，由于U型鋼被動(dòng)支護(hù)抵抗變形能力較差，最終導(dǎo)致巷道支護(hù)失效。

2.2 原支護(hù)方案的缺陷和工程對(duì)策

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，東保衛(wèi)輝綠巖區(qū)域巷道由于特殊的巖石性質(zhì)，若不能有效防止圍巖風(fēng)化遇水，就會(huì)導(dǎo)致支護(hù)較困難，礦壓顯現(xiàn)明顯，巷道圍巖破壞和變形具有持續(xù)性。若采取原有支護(hù)方案，U型鋼金屬支架不能有效隔絕空氣與水，防止輝綠巖的風(fēng)化，應(yīng)在巷道掘進(jìn)過后及時(shí)進(jìn)行支護(hù)并進(jìn)行薄層噴漿作業(yè)，防止輝綠巖的風(fēng)化和最大程度的減少噴漿導(dǎo)致的輝綠巖遇水軟化，在初次薄層噴漿后，由于巷道圍巖應(yīng)力釋放，初噴層會(huì)發(fā)生開裂，當(dāng)應(yīng)力釋放到一定程度釋放后，應(yīng)進(jìn)行二次厚層噴漿，從而最大限度的減小輝綠巖的風(fēng)化。

U型鋼金屬支架承載能力有限，對(duì)巷道圍巖變形和破壞的控制作用很小，支架變形損毀后巷道維修極其困難，從而加劇輝綠巖的遇水風(fēng)化速度，造成巷道變形愈加強(qiáng)烈。因此，對(duì)于東保衛(wèi)輝綠巖區(qū)域巷道應(yīng)改為以錨桿索為支護(hù)核心的主動(dòng)支護(hù)方式，并且錨桿索的錨固形式應(yīng)采用全長(zhǎng)錨固，最大程度地封閉鉆孔，防止輝綠巖被侵蝕和風(fēng)化。

在東保衛(wèi)煤礦輝綠巖區(qū)域進(jìn)行的不同直徑錨索拉拔試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可知，直徑為?15.24 mm的錨索由于直徑小，樹脂藥卷攪拌效果差，很容易被拉出，錨固性能一般不可靠，因此建議使用?17.8 mm的錨索。

表3 不同直徑錨索現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)

3 東保衛(wèi)礦大巷圍巖控制技術(shù)

綜合以上考慮，提出錨桿-錨索-金屬網(wǎng)配合分次噴漿的圍巖控制技術(shù)，具體參數(shù)如下：

圖6 巷道開挖后一次支護(hù)斷面圖

采用?20 mm×2200 mm左旋螺紋鋼錨桿、?17.8 mm×6000 mm錨索、金屬網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，錨桿間排距800 mm×800 mm，錨索在頂部居中對(duì)稱布置2根，間排距1600 mm×1600 mm，并及時(shí)進(jìn)行一次噴漿，噴層厚度30 mm，之后配合圍巖變形監(jiān)測(cè)工作，確定二次噴漿時(shí)間，二次噴漿厚度100 mm，巷道一次支護(hù)斷面和頂板支護(hù)布置方案分別如圖6和圖7所示。

圖7 頂板(半圓拱區(qū)域)支護(hù)布置展開圖

4 深基點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)

巷道在支護(hù)后布置深基點(diǎn)多點(diǎn)位移計(jì)，回風(fēng)大巷某點(diǎn)深基點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出，巷道左幫總位移量為241 mm，約120 d后，左幫變形趨于穩(wěn)定。巷道右?guī)涂偽灰屏繛?50 mm左右，160 d后開始趨于穩(wěn)定。巷道頂板總位移量為133 mm，位移產(chǎn)生量基本平均分布，70 d左右開始趨于穩(wěn)定。由此可見，采用新的支護(hù)方案之后，由于及時(shí)噴漿防止圍巖風(fēng)化，巷道圍巖的變形整體較小，左幫變形要大于右?guī)妥冃?，頂板變形小于兩幫變形，并且頂板要早于兩幫趨于穩(wěn)定。這說明錨索發(fā)揮了作用，巷道頂板的變形明顯減小，在監(jiān)測(cè)期間巷道沒有發(fā)生過冒頂，新的支護(hù)方案能夠較好地控制圍巖的變形，防止冒頂?shù)陌l(fā)生，保證了巷道的安全，與架棚支護(hù)相比，經(jīng)濟(jì)上也更為合理。

圖8 回風(fēng)大巷深基點(diǎn)位移曲線圖

5 結(jié)論

(1)東保衛(wèi)礦火成巖是由輝綠巖構(gòu)成，輝綠巖遇水膨脹、硬度變軟，巖石強(qiáng)度降低，并且易風(fēng)化成粉末狀，是造成西翼三條大巷維護(hù)困難的根本原因。

(2)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，輝綠巖區(qū)域大巷在圍巖未風(fēng)化前由于地應(yīng)力作用產(chǎn)生的破壞范圍較小，在輝綠巖軟化后，巷道塑性區(qū)出現(xiàn)了極大的擴(kuò)展，塑性區(qū)形態(tài)整體呈橢圓形，兩幫破壞深度為2.5 m，頂板破壞范圍為3.1 m，底板破壞深度可達(dá)3.75 m，與現(xiàn)場(chǎng)窺視結(jié)果較一致。

(3)結(jié)合圍巖巖性特點(diǎn)和原有方案不足，提出錨桿-錨索-金屬網(wǎng)配合分次噴漿的支護(hù)方案，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)深基點(diǎn)觀測(cè)，驗(yàn)證了新支護(hù)方案的有效性。

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(責(zé)任編輯 陶 賽)

國(guó)資委：央企上半年化解煤炭過剩產(chǎn)能659萬(wàn)t

國(guó)資委總會(huì)計(jì)師沈瑩在國(guó)新辦例行發(fā)布會(huì)上透露，上半年央企累計(jì)化解鋼鐵過剩產(chǎn)能595萬(wàn)t，已提前完成全年任務(wù)；化解煤炭過剩產(chǎn)能659萬(wàn)t，重組煤炭產(chǎn)能1300萬(wàn)t。

據(jù)了解，目前多家央企都制定了相關(guān)計(jì)劃和具體方案，多個(gè)省市都在按照公布的去產(chǎn)能目標(biāo)積極推進(jìn)。國(guó)資委下一步將在涉及煤炭、鋼鐵等產(chǎn)能過剩嚴(yán)重的行業(yè)進(jìn)行試點(diǎn)，建立優(yōu)勝劣汰市場(chǎng)化退出機(jī)制，對(duì)不符合國(guó)家能耗、環(huán)保、質(zhì)量、安全等標(biāo)準(zhǔn)要求和長(zhǎng)期虧損的產(chǎn)能過剩企業(yè)，進(jìn)行關(guān)停并轉(zhuǎn)或剝離重組。

央企無(wú)疑是本輪化解過剩產(chǎn)能工作的主力軍。據(jù)悉，涉及煤炭、鋼鐵類央企已經(jīng)設(shè)定時(shí)間表，相關(guān)改革和工作正在有序推進(jìn)。中國(guó)華能集團(tuán)表示，2018年底前，退出煤炭產(chǎn)能914萬(wàn)t/a，處置僵尸企業(yè)16戶、特困企業(yè)4戶，“十三五”期間關(guān)停退役647萬(wàn)kW煤電機(jī)組。保利集團(tuán)發(fā)布計(jì)劃，將用3年時(shí)間完成39家“僵尸企業(yè)”的重組整合退出，確保虧損額減少50%以上。在逐步退出落后產(chǎn)能的同時(shí)，神華集團(tuán)把全面轉(zhuǎn)型升級(jí)調(diào)結(jié)構(gòu)作為煤炭產(chǎn)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展的基本要求，推動(dòng)先進(jìn)產(chǎn)能規(guī)?；?、集群化，并推動(dòng)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能綠色化、清潔化。根據(jù)神華集團(tuán)制定的《化解煤炭過剩產(chǎn)能方案》，2016-2018年將減少產(chǎn)能近3000萬(wàn)t/a。

Researchonsurroundingrockcontroltechnologyofmainroadwayinextra-thickdiabaseintrusionareaofDongbaoweiMine

Li Yongen, Zhang Hong, Wang Zhigang, Wang Tianfeng, Tian Xiangyang

(School of Resources & Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

Aiming at the problem of three main roadways which were hard to maintain when passing through a 750 m long extra-thick diabase area, field drilling peep was carried out and mechanical test of in-situ diabase sample was conducted to found that the daibase had characteristics of water disintegration and easy weathering. Combined with numerical simulation results it was revealed that the plastic zone of roadway after diabase softening would have a great range of expansion, which was the main reason that roadway was difficult to maintain. Based on the lithological characteristics and numerical simulation analysis, pointing at the shortcoming of passive shelf-type support that could not effectively prevent diabase weathering and control the destruction of surrounding rock, proposing the comprehensive support scheme of bolt-anchor-metal mesh with the repeated spray, the effectiveness of new support scheme was verified by the results of deep base site monitoring.

diabase, mechanical test, plastic zone, repeated spray, deep base site monitoring

李永恩，張弘，王志剛等. 東保衛(wèi)礦巨厚輝綠巖侵入?yún)^(qū)大巷圍巖控制技術(shù)研究 [J]. 中國(guó)煤炭，2017,43(8)：80-84. Li Yongen, Zhang Hong, Wang Zhigang， et al. Research on surrounding rock control technology of main roadway in extra-thick diabase intrusion area of Dongbaowei Mine [J]. China Coal，2017,43(8)：80-84.

TD353

A

李永恩(1987-)，男，河南焦作人，博士研究生，主要從事巷道圍巖控制理論與支護(hù)技術(shù)方面的研究。