大斷面軟巖硐室圍巖變形機理與控制技術研究

任鈺鵬

（山西蘭花集團東峰煤礦有限公司，山西 晉城 048000）

1 礦井概況

山西東峰礦變電所硐室位于3#煤層底板內(nèi)，硐室斷面形狀為矩形，硐室寬度為5.2m，高度為3.0m。硐室頂板與底板均為泥巖，兩幫為細砂巖。根據(jù)礦井提供的地質(zhì)資料，泥巖抗壓強度在19.4～25.8MPa范圍內(nèi)，抗拉強度在2.8～5.4MPa范圍內(nèi)，細沙巖的抗壓強度在21.8～35.1MPa范圍內(nèi)，抗拉強度在5.2～7.4MPa范圍內(nèi)，巖層整體強度一般。

2 圍巖變形機理分析

2.1 硐室圍巖力學特性分析

巷道圍巖的力學特性是其穩(wěn)定的決定性因素，因此對東峰礦變電硐室圍巖進行力學特性研究，有助于對圍巖破壞機理的分析，同時對后續(xù)巷道支護方案設計可提供基礎性數(shù)據(jù)。

東峰礦變電硐室圍巖主要為泥巖與細砂巖，其中硐室頂板與底板巖性均為泥巖，兩幫為細砂巖。為得到硐室圍巖的力學特性，對其進行了物理力學測試，測試結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，硐室頂?shù)装宓哪鄮r強度明顯小于兩幫。由于泥巖的強度較低，受到礦山壓力作用后極易發(fā)生破壞。進一步對泥巖成分進行分析發(fā)現(xiàn)，泥巖主要由伊利石、高嶺石等黏土性礦物組成，這類成分在遇到水后易出現(xiàn)膨脹變形，且極易受到水、風等侵蝕，因此圍巖穩(wěn)定性較差。

表1 硐室圍巖物理力學參數(shù)表

2.2 圍巖變形破壞特征

變電硐室原支護方式為錨桿+錨索+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護。在該支護方式下，對硐室的圍巖變形特征進行了監(jiān)測，監(jiān)測時間為20d，監(jiān)測結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出，硐室在原有支護方式下圍巖的變形主要集中在頂?shù)装澹渲许敯宓南鲁亮孔畲筮_到92.5mm，變形量明顯大于底板與兩幫。并且根據(jù)現(xiàn)場的宏觀礦壓觀測發(fā)現(xiàn)，頂板巖層偶爾會在局部出現(xiàn)冒落現(xiàn)象，加之硐室斷面的增大，頂板懸露面積也在不斷的增大。因此硐室頂板巖層整體的穩(wěn)定性較差，受到礦山壓力顯現(xiàn)的影響易發(fā)生破壞。

圖1 硐室圍巖變形量

2.3 圍巖破壞深度分析

為確定硐室圍巖的破壞深度大小，采用鉆孔窺視儀對圍巖內(nèi)的節(jié)理裂隙發(fā)育情況進行了探測。由于底板鉆孔受淋水影響嚴重，因此本次鉆孔窺視僅對硐室頂板與兩幫進行了窺視，鉆孔窺視結(jié)果如圖2、圖3所示。由鉆孔窺視結(jié)果可知，硐室頂板巖層內(nèi)發(fā)育有較多的節(jié)理裂隙，多集中在頂板2～3m范圍內(nèi)，大于3m后巖層整體性較好；硐室兩幫淺部圍巖破碎程度較高，破碎深度在1～1.5m范圍內(nèi)，而位于更深處的圍巖完整性較好，節(jié)理裂隙發(fā)育較少。綜合上述分析可知，硐室圍巖的破壞區(qū)域主要集中在淺部區(qū)域。

2.4 圍巖破壞機理分析

對上述硐室的圍巖力學特性、變形特征以及破壞深度三方面的分析進行總結(jié)，得出東峰礦變電硐室圍巖變形破壞主要集中在頂、底板，對其變形原因進行分析可知：

（1）巖層強度低，遇水后發(fā)生軟化。硐室頂?shù)装鍘r層主要為泥巖，巖層自身強度較低，并且?guī)r層成分主要為伊利石、高嶺石等黏土性礦物，受到硐室淋水的影響，巖層遇水易發(fā)生膨脹、軟化等現(xiàn)象，加之受到礦山壓力等影響作用，巖層容易發(fā)生破壞。

（2）硐室斷面大，圍巖壞境發(fā)生變化。由于變電所屬于大斷面硐室，硐室的寬度明顯大于高度，一般硐室的寬度增大后，會增大頂板巖層的懸露長度，假設頂板巖層所受到的載荷不變，當懸露長度增加后，頂板巖層所形成的梁體會出現(xiàn)較大的撓度變形。同時底板巖層受到兩幫圍巖的擠壓作用，易出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。

（3）原有支護方式的不足。變電所硐室原有支護方案中并未對底板進行加固，底板的變形無法得到有效控制，因此硐室底板的變形量要大于兩幫。

圖2 頂板鉆孔圖

圖3 幫部鉆孔圖

3 硐室圍巖支護技術研究

3.1 掛網(wǎng)噴射混凝土

由于巷道頂、底板巖層為遇水易膨脹變形的泥巖，為減少這類巖層與水的接觸，采用掛網(wǎng)噴射混凝土的方法進行支護。首先在硐室頂板、兩幫和底板均鋪設由直徑為8mm的鋼筋焊接的鋼筋網(wǎng)，鋪設完畢后對硐室全斷面噴射混凝土，混凝土層厚度為150mm?；炷聊毯髸纬杀Ｗo層，可減少水、風等對巷道圍巖的侵蝕作用。

3.2 圍巖注漿加固

為提高巷道圍巖整體的強度，采用注漿的方法對其進行加固。注漿巖層主要針對硐室的頂?shù)装?，分別在頂板和底板鉆取注漿孔，鉆孔直徑為30mm，其中頂板鉆孔深度為4m，底板鉆孔深度為2.5m，鉆孔的間排距設計為2.0m，采用帶孔鋼管進行注漿。注漿材料選擇為水泥與水玻璃的混合材料，材料水灰比選擇為0.8:1。注漿過程中注漿泵的壓力應保持在3.5～5MPa范圍內(nèi)，保證漿液能夠在巖層中充分擴散。鉆孔的注漿順序為先對外側(cè)鉆孔進行注漿，后對中央鉆孔注漿，并且采用隔排注漿的方法，防止出現(xiàn)漿液串孔情況的出現(xiàn)。

3.3 底板錨索支護

由于原支護方式中并沒有對底板進行支護，硐室底板受到兩幫的擠壓作用易發(fā)生底鼓情況，因此本文提出加入底板錨索補強支護。錨索采用直徑為17.8mm、長度為7400mm鋼絞線錨索，錨索與豎直方向夾角為15°，錨索的間排距均設計為2400mm。加入底板錨索之后的支護斷面如圖4所示。

圖4 巷道支護斷面圖

3.4 應用效果分析

在確定硐室圍巖的加固和支護方案后，在硐室現(xiàn)場進行了試驗。到目前為止，硐室圍巖并未出現(xiàn)明顯的變形破壞情況，硐室整體較為穩(wěn)定，表明本文設計方案對硐室圍巖的穩(wěn)定具有較好的提升作用。

4 結(jié)論

本文以山西東峰礦變電所硐室地質(zhì)條件為基礎，對大斷面軟巖硐室圍巖的變形機理及控制技術進行了研究，研究結(jié)論具體為：

（1）硐室的圍巖變形主要集中在頂、底板，硐室圍巖巖層強度低，受水影響較大，且硐室斷面大，原有支護方式存在不足，因此硐室變形量較大。

（2）根據(jù)圍巖變形機理，針對性地提出了掛網(wǎng)噴射混凝土、注漿加固以及底板錨索補強支護的技術方案，并對具體的支護參數(shù)進行了設計。根據(jù)現(xiàn)場應用效果，硐室并未出現(xiàn)明顯的破壞，因此本文研究結(jié)果能夠有效提升硐室穩(wěn)定性。