软岩巷道围岩稳定控制技术研究

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  摘要:针对软岩巷道围岩稳定控制问题,本次研究以公司下属观文煤矿为例,首先对软岩巷道的基本特点以及围岩物理成分测试结果进行分析,在此基础上,对软岩巷道围岩稳定控制技术进行全面研究,为保障煤矿的安全生产作业奠定基础。研究表明:受到长期矿压的影响,软岩巷道会出现一定的变形,其拱顶位置处的下沉和两帮凸出现象较为严重,通过进行全面的力学测试发现,巷道围岩的岩样强度相对较低,为了保障其稳定性,需要引入刚柔耦合动态加固技术,应用该种技术可以对围岩的力学性能进行完善,保障围岩的完整性,同时,还可以有效提高围岩的承载力,进而使其稳定性得到全面提升。
  关键词:软岩巷道;围岩控制;物理成分测试;稳定控制;刚柔耦合动态加固技术
  前言
  目前,我国正在开发的煤矿数量相对较多,通过统计分析发现,我国煤矿巷道类型中30%左右属于软岩巷道,该种类型巷道的返修率相对较高,说明在使用一段时间以后,该种类型巷道的稳定性会出现变化,为了保障其安全性,需要采取合理的措施提高其稳定性[1]。目前,国内外众多学者提出了软岩巷道围岩的稳定性措施,但是,由于该种类型巷道所处的环境相对较为复杂,因此大量技术的应用效果并不佳。针对此问题,本次研究将以观文煤矿为例,在对其进行特点分析以及物理成分分析的基础上,提出一种稳定控制措施,为保障煤矿的安全生产作业奠定基础。
  1 软岩巷道特点及围岩物理成分测试
  (1)特点分析
  对于观文煤矿而言,其巷道长期受到矿压的影响,经过现场的测试以及观察后发现,其主要具有三大特点:①受到矿压的影响,围岩已经出现了变形问题,部分位置处的围岩破坏严重,呈现出了拱顶下沉和两帮凸出的基本特点;②在煤矿巷道内,围岩的变形速度相对较快,且这种变形的持续时间相对较长,在进行巷道掘进的过程中,变形速度相对较慢位置处的变形量为5-10mm/d,变形速度相对较快位置处的变形量为50-100mm/d,这种变形问题可以持续3个月左右,总的变形量维持在300-1000mm之间;③在巷道变形较为严重的前提下,支持结构会产生严重的破坏问题,锚杆锚索可能被拉断,虽然在进行修复作业以后,围岩的变形问题可以得到有效的放缓,但是维持的时间相对较短。
  (2)物理成分测试
  针对矿井围岩的稳定性问题,现场采集了三块样品,使用X射线衍射仪对其进行了成分测试,通过进行全面的测试发现,对于1号样品和3号样品而言,其成分基本接近,主要以高岭石和伊利石为主,同时,还含有少量的白云石,对于2号样品而言,其成分主要以高岭石为主,同时含有少量的方解石。为了对岩石的力学性质进行了解,进行了全面的室内试验,通过实验发现,对于围岩中的泥岩而言,其抗压强度维持在12.6MPa左右,其最大的数值达到了21.1MPa,最小数值为7.60MPa,对于围岩中的砂岩而言,其抗压强度维持在16.06MPa左右,其最大的数值大于20MPa,最小数值小于10MPa,由此可见,该矿围岩的强度相对较低,在所有的软岩巷道中,其岩石的强度处于相对较低的水平。通过对岩石进行观察可以发现,在泥岩与砂岩之间存在泥质胶结,在泥岩受到破坏的前提下,裂缝的发展速度相对较快,且在受到破坏以后,将会呈现出片状形式,属于较为典型的团状无层理的基本结构,对于砂岩而言,受到破坏的过程中,裂缝的发育相对较好,岩石将会破碎成小块,且呈现出不规则的结构。通过以上综合分析可以发现,对于该矿而言,软岩巷道的成岩时间相对较近,胶结性相对较差,受到环境的影响以后,岩石的反应相对较为剧烈。
  2 软岩巷道围岩稳定控制技术研究
  通过对该矿的矿压以及岩石的基本性质的全面分析可以发现,该巷道内围岩失稳的基本原理为:在进行巷道开挖特别是采用炮掘施工的过程中,由于其应力的分布并不均匀且受到炮震影响,因此,岩石将会出现松动圈,这就导致围岩的初次失稳,在失稳问题出现以后,围岩内岩石的强度以及粘结力都会出现一定的改变,其强度严重衰弱。如果巷道内的支撑结构不合理,受到岩石强度变化的影响,各种类型力学参数都会发生改变,力学参数的改变又会反作用于岩石的强度,进而使得巷道内松动范围扩大,这样会产生一种恶性的循环,因此,围岩失稳问题的持续时间相对较长[2]。在围岩失稳问题持续一定的时间以后,巷道的变形量将会增加,受到软岩自身性质的影响,巷道内将会出现完全失稳现象[3]。该种失稳问题出现的机理,应引入刚柔耦合动态加固的技术,该种技术的基本原理为:在巷道形成的初期阶段,使用金属网以及锚索等部件,在巷道内形成支护结构,进而使得围岩的力学性能可以得到一定程度的完善,最大程度的保障围岩的完整性,同时,还可以使得围岩自身的承载力得到一定程度的发挥;在中期阶段,预留一定量的变形量,允许围岩出现少量的变形,使得围岩的高应力位置处可以逐渐向深部位置处转移,这种措施可以称为让压,避免大量的压力集中在局部位置处,防止围岩出现严重的变形;在后期阶段,由于围岩的变形具有一定的时效性特征,如果只是采用让压措施,在后期阶段也会导致围岩破碎,此时围岩自身的承载力将会完全丧失,因此,在后期阶段,需要引入高强度的钢筋混凝土材料,在围岩内形成壳体结构,最终提供一种高阻力设施,以此阻止围岩继续变形,使用该种类型的技术,可以使得围岩长期处于稳定状态。在引入刚柔耦合动态加固技术的过程中,首先需要對巷道内的断面进行扩刷处理,处理以后张挂金属网以及锚杆、锚索,并喷射混凝土砂浆封面,此时就可以完成初期阶段的工作,在中期,在对反底拱进行开挖处理以后,对底板安设锚杆和格栅拱网,安装完成以后敷设混凝土,在后期阶段,首先对拱顶和两侧的格栅拱架进行安装,然后使用混凝土进行浇筑,最终使得围岩可以长期处于稳定的状态。通过在观文煤矿进行现场局部试验发现,该种类型技术可以有效防止围岩出现严重变形问题。
  3 结论
  对于软岩巷道而言,受到自身性质的影响,在经过长期矿压作用以后,其围岩将会出现严重的变形问题,且这种问题的持续时间相对较长,破坏较为严重,会对煤矿的安全生产作业产生重要影响,通过分析发现,刚柔耦合动态加固技术可以从巷道开发的前中后期三个阶段出发,分别采取不同类型的措施,进而保障围岩的稳定性。
  参考文献
  [1]宗义江,韩立军,张后全,等.深井上下覆开采软岩巷道围岩稳定机理与控制技术研究[J].煤矿安全,40(03):12-15.
  [2]孙文亮,吕卫东.高地应力软岩巷道围岩稳定性控制研究[J].煤炭科技,2009(02):3-5.
  [3]杨军,于世波,陶志刚,等.第三系软岩巷道变形破坏特性及耦合控制对策研究[J].采矿与安全工程学报,2014(03):373-378+384.
  作者简介:易成彬(1966-),男,四川新都人,采矿工程师,主要从事采矿技术管理工作。
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