白龍煤礦巷道支護(hù)及底鼓的成因分析與防治

白龍煤礦巷道支護(hù)及底鼓的成因分析與防治

霍州煤礦集團(tuán)白龍煤礦斷層是該井的主要結(jié)構(gòu)，平均76條。柱狀陷落(稱陷落柱)也是白龍礦廣泛出現(xiàn)的一種地質(zhì)現(xiàn)象,平均81個(gè)/km2。11#煤正在逐步開采,其底板揭露的主要巖層為泥巖,此巖層強(qiáng)度低,層、節(jié)理發(fā)育,滑面較多,易風(fēng)化片落,易膨脹,從而給巷道支護(hù)及修復(fù)加固帶來了很大難度。1地面采礦和道路保護(hù)的破壞1.1#煤底板磷礦白龍煤礦平峒火藥庫于2006年4月開始施工,巷道總工程量402m,由于受隱伏地質(zhì)構(gòu)造影響,在實(shí)際施工中通路斜坡段到位后便進(jìn)入了11#煤及11#煤底板中,11#煤及其底板為泥巖與砂巖交疊的復(fù)合層,圍巖硬度系數(shù)f<6,特別是11#煤底板中3層鋁土泥巖受潮、遇水膨脹嚴(yán)重。通路落平段及火藥庫內(nèi)200m在11#煤中掘進(jìn),巷道底板為11#煤底板,施工一個(gè)月后,底鼓達(dá)0.5~0.8m、兩幫變形回縮量為0.2~0.5m。1.2底板油巖問題白龍煤礦平峒525水平六部皮帶機(jī)頭180m段,沿11#煤施工,底板為泥巖與砂巖交疊的復(fù)合層,特別是11#煤底板中3層鋁土泥巖受潮、遇水膨脹嚴(yán)重,嚴(yán)重影響皮帶正常運(yùn)行。1.33巷道底板破壞白龍煤礦斜井370水平一部強(qiáng)力皮帶巷巷道總長度300m,有160m巷道底板為灰色泥巖,受潮、遇水膨脹嚴(yán)重,在巷道施工中底板采用混凝土澆筑,均厚度0.7m進(jìn)行對(duì)底板加固,施工一年后,底鼓達(dá)0.5~0.8m,混凝土底板嚴(yán)重開裂、兩幫變形回縮量為0.2~0.3m,嚴(yán)重影響了巷道斷面及皮帶的安全運(yùn)行。加固前變形量統(tǒng)計(jì)見表1。2巖道破壞機(jī)理分析2.1巷道圍巖破乳機(jī)理在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的條件下,井下巷道、硐室位于泥巖、砂質(zhì)泥巖、鋁土泥巖中,巖性軟弱破碎、碎脹泥化、強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差,有明顯的擠壓碎脹及吸水膨脹現(xiàn)象。在強(qiáng)大的上覆巖層壓力作用下,巷道圍巖沿軟弱面向巷道內(nèi)擠壓,發(fā)生碎脹變形,產(chǎn)生碎脹壓力,從而使巷道圍巖裂隙增大,吸水巖層與空氣中的水分相接觸,不斷膨脹。當(dāng)巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)不足以抵抗圍巖壓力時(shí),巷道即發(fā)生變形破壞。2.2底板破壞鼓起巷道的底鼓有兩方面的原因,一是作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的各種荷載較大,通過頂傳遞到墻、再作用在巷道底板巖層上,從而造成底板荷載集中度較大,使其在底板承載能力不足的情況下產(chǎn)生塑性變形,導(dǎo)致底板破壞鼓起。底板發(fā)生底鼓,必然影響幫的穩(wěn)定,出現(xiàn)內(nèi)擠、傾斜、失穩(wěn),且兩幫內(nèi)擠失穩(wěn)也擴(kuò)大了底板巖層梁的跨度,加速了底板巖層的底鼓。其二是由膨脹應(yīng)力引起的。膨脹應(yīng)力來自兩個(gè)方面:一是長期被高壓壓實(shí)的巖石失去這個(gè)壓力后,在應(yīng)力重新分布的過程中,一些巖石會(huì)出現(xiàn)彈塑性膨脹;二是一些含有蒙脫石等強(qiáng)膨脹性黏土礦物的巖層,風(fēng)化吸水后劇烈膨脹,使得巷道的底板不穩(wěn)定,從而出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。2.3巷道底板破壞因素底板巖層在偏應(yīng)力作用下發(fā)生擴(kuò)容后,導(dǎo)致巖層體積增加,引起軟巖孔隙率、含水量等參數(shù)的變化,使得水更容易進(jìn)入巖體內(nèi)部,引起更大程度的臌脹和軟化。由于底板巖層內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)不同,所以因擴(kuò)容引起的軟巖臌脹和軟化程度的改變各不相同。同時(shí),因擴(kuò)容引起了底板巖層強(qiáng)度的進(jìn)一步劣化,勢(shì)必導(dǎo)致底板破壞范圍的的擴(kuò)大,從而使巷道兩幫移近量增加,致使底板彎曲位移增大。底板巖層遇水后發(fā)生臌脹和軟化,嚴(yán)重?fù)p傷了軟巖的強(qiáng)度,使其在較小的偏應(yīng)力下就會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)容,此外,底板巖層強(qiáng)度的降低會(huì)使其更易失穩(wěn)、破壞,導(dǎo)致底板失穩(wěn)數(shù)與兩幫移近量增加。軟巖擴(kuò)容與臌脹及軟化相互作用使底板巖層強(qiáng)度受到更大程度的劣化,體積增加,破壞范圍不斷擴(kuò)展及兩幫移近量逐漸增大。該過程循環(huán)幾次,底板就會(huì)劇烈臌起。3支護(hù)方案的確定修復(fù)加固方案是根據(jù)地質(zhì)資料、圍巖松動(dòng)圈大小、破壞情況及破壞原因制定的。通過對(duì)白龍煤礦底臌巷道、硐室破壞情況的調(diào)查,以及對(duì)其破壞原因及機(jī)理分析可知,白龍礦井下巷道的破壞是由多種因素綜合使用的結(jié)果。因此,防止巷道破壞也應(yīng)采取多方面的措施,使巷道的變形和破壞控制在允許的范圍內(nèi)。通過分析比較和多次討論,最后確定了一套切實(shí)可行的方案,即軟巖巷道、硐室頂部采用錨索、錨桿聯(lián)合支護(hù)、兩幫采用高強(qiáng)錨桿,錨桿規(guī)格為Φ20×2000mm,間排距為0.8×0.8m,巷道采用噴射混凝土封閉加固方案,厚度為120mm,底板臥底后采用十字錨梁支護(hù),錨桿間排距為0.9×1.0m,錨桿采用Φ14.6×1600mm普通端錨,錨桿間全斷面采用Φ12鋼筋梯子間連為一整體,擴(kuò)大了支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效承載范圍,又提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性能和承載能力。底板錨桿支護(hù)后鋪設(shè)三七灰土或石粉灰10~20cm并搗實(shí),從而起到隔離巷道空氣和吸收底板水分作用。4應(yīng)用效果4.1巷道圍巖變形井下火藥庫及變形底臌巷道采用聯(lián)合錨桿一體支護(hù)后,使得已松動(dòng)破碎的圍巖又成為一個(gè)整體,其承載能力大大加強(qiáng),并保證了錨桿的錨固力,形成了更有效的組合拱。因此,井下火藥庫、皮帶巷等巷道加固施工后,至今已有11個(gè)多月,變形量很小,圍巖已趨于穩(wěn)定。加固后變形量統(tǒng)計(jì)見表2。4.2提高了圍巖的自承載力和穩(wěn)定性通過將錨索.錨桿及鋼筋梯子間組合成整體支護(hù)體系,將松散、破碎的圍巖成為一個(gè)整體,提高了圍巖巖體強(qiáng)度、內(nèi)摩