復雜地質條件對深部巷道變形影響及對策研究

摘要：隨著煤炭工業的發展，礦井開采正經歷著一個由淺到深、由簡單到復雜的標準，深部礦井逐漸增多，深部圍巖處于軟巖狀態，施工條件復雜化，巷道及硐室支護的難度和破壞程度不斷增加，巷道的變形如兩幫收縮、底鼓、冒頂等力學現象越來越強烈。本文通過對深部巷道礦壓特點、變形規律、巷道破壞機理、圍巖影響因素以及巷道支護技術的理論研究，闡述了煤礦深部開采過程中巷道變形量大、底鼓量大、沖擊地壓發生頻率和強度增大，煤礦深部開采中礦壓的變化規律和控制措施的研究也就成了礦壓領域的一個重要部分。

關鍵詞：圍巖；軟巖；條件復雜；巷道支護

一、引言

隨著煤礦開采深度的不斷增加，受深部地壓影響的影響，軟巖問題越來越嚴重。深部圍巖處于軟巖狀態，施工條件復雜化，巷道及硐室支護的難度和破壞程度不斷增加，巷道的變形如兩幫收縮、底鼓、冒頂等力學現象越來越強烈。對深部巷道的變形的有效控制成為急待解決的技術難題。

二、影響巷道受壓變形的主要因素

（一）地質條件分析

鶴壁煤田處于太行山東麓，井田地貌類型屬太行山前緩丘陵地貌的一部分，地勢西高東低，海拔高在140-280米之間，丘陵和溝谷大致呈南北向，礦區西部奧陶系灰巖廣泛出露。石炭系地層在山前零星出露，本井田為第三、第四系地層所覆蓋。

二1煤直接頂板，主要為黑色及深灰色砂質泥巖或泥巖，巖性緊密，含豐富的植物化石，有時為中細粒砂巖，厚0-18.33米，平均厚3.99米。二1煤老頂為S10層砂巖，多為灰發褐色長石石英中粒砂巖，含大量暗色礦物，層理面多富集炭質及大白云母片，鈣質膠結，厚1.30-31.80米，平均8.68米。二1煤層底板為黑色泥巖或砂質泥巖，有時為細粒砂巖，厚0-16.30米，平均2.82米，老底為S9砂巖，巖性為深灰色或褐色中粒長石石英砂巖，含黑色礦物及黑色泥巖包裹體，鈣泥質膠結，厚0.55-12.18米，平均厚3.73米。

（二）斷層的影響

構造形式受華夏及新華夏構造體系控制，構造線展布方向主要為NNE向和NE向。礦區內構造以斷層和褶皺為主，尤以斷層更為發育，均為正斷層，斷層走向以NE、NNE為主，有少量NNE和NW向的，礦區內大于50米的斷層約有60條，其中NE向30條，NNE向21條，NEE向的8條，出NEE向斷層結構面力學性質為張扭性，其它均為壓扭性。褶皺以NE向和NW向為主，軸向NE有12條，NW有7條，礦區內主要構造線的展布有明顯的方向性和等距性。

三水平井底車場及三條下山位于321向斜軸部，煤巖層受壓過大，巖石破碎，因受321向斜軸的影響，在三條下山階段內出現斷層較多，三條下山揭露的斷層為F21-2，H=25米，∠84°，F21-，3，H=14米，∠65°，F21-，4，H=3.0米，∠55°，F3002-11，H=1.4米，∠50°，F30-1，H=3.5米，∠60°，F3305，H=3.5米，∠65°，巷道遇見斷層，巖石斷裂后，沿斷層兩盤巖石破碎，層位不穩定，層位受力不均，影響巷道質量。巖層發生扭曲斷裂，造成巷道變形。

（三）巖性影響

巷道頂板圍巖為泥巖，砂質泥巖及砂巖組成復合頂板，巖層破碎，層間內聚力弱，極易產生離層和裂隙，在其自重及上覆巖層作用下，頂板沿弱面切斷，導致冒頂發生。頂板圍巖中的泥巖層滑面層發育，巖層間的固結力差，極易沿滑面脫層。受采動影響，上覆巖層應力重新分布，致使已支護巷道斷裂。

地質構造在巖體中存在各種結構面，她們把巖體切割成不同形狀和大小的巖塊，形成了脫離體。開巷后，脫離體有了臨空面，這時巖塊自重就要在弱面面上引起下滑力，當下滑力超過側向擠壓力所造成的摩擦阻力時， 就要冒落。

巖塊冒落的難易程度、規模大小及其形狀主要取決于結構面的軟弱程度，分布密度以及結構面與結構面之間，結構面與巷道軸線之間，結構面與巷道臨空區之間的空間組合關系。

三、主要巷道失修狀況及失修原因分析

（一）三水平主皮帶

三水平主皮帶最初失修段為3004煤倉繞道3002巖中巷口段，巷道壓力較大，U型棚變形嚴重，隨著3106工作面04年8月份結束，三水平猴車道的掘進，此段變形加劇，同時向兩端發展，特別是3006煤倉至3004煤倉、3002以上穿煤段變形較大。

（二）三水平行人下山

其失修段主要集中在行人下山中車場以上，主要表現在頂板冒落、斷面縮小。中車場以下主要表現為頂板沉、底鼓嚴重斷面縮小。

（三）三水平獨立回風下山

其失修段主要集中在獨立回風四車場至上平臺，主要表現為頂板下沉、底鼓嚴重、兩幫縮小巖石脫落。

四、失修原因主要有以下幾方面

（一）受不間斷采動的影響

三條下山兩側的工作面：30021面1998年2月回采結束，31041面2000年3月回采結束，3106面2004年9月回采結束，3004（外）面2000年11月回采結束，3002（南）正在回采。

三條下山上半部煤柱兩側均為采空區，煤柱下方受煤柱載荷作用的底板巖層內的應力很高，兩側采空的煤柱底板巖層應力避單測采空區的煤柱下的應力要高1.8倍多，根據有關理論分析，其應力分布有煤柱兩側向中部逐漸增大，由于三條下山兩側工作面的回采結束間的不間斷性，造成煤柱下方的巖層應力長時間不能穩定，出現已維修過的巷道在動壓的影響下又出現重復失修。

另外三水平猴車道在煤柱中沿煤層頂板掘進也會發生巖體內應力的重新分布，即巷道圍巖內出現應力集中，當應力超過巖體強度，則巖體的物性狀態就要改變，巷道周邊就會發生塑性變形，并從周邊向巖體深處擴到某一范圍，從而造成煤柱內的巷道失修。

（二）受地質構造應力作用的影響

目前開拓巷道向礦井的深部延深，巷道受壓變形、受地質影響有以下幾個方面

1、巷道埋深在790米左右，地壓隨著埋深增大。

2、巷道層位布置也是一個方面，巷道設計在二1煤層下15米左右，施工巷道巖性為砂質泥巖、砂巖、巖石致密、性脆、巷道頂板不易支護，容易垮落。

3、地質構造，三水平井底車場及三條下山，位于321向斜軸部，巖石受壓過大，巖石破碎，出現斷層較多，巷道遇到斷層、巖層斷裂后，沿斷層的兩盤，巖石破碎、層位不穩定，層位受力不均，影響巷道質量。巖層發生扭曲造成巷道受壓變形。

4、采動影響，隨著采區向下延深，三水平井底車場及三條下山留有保護煤柱，巷道兩側都已回采，壓力都集在中間，是巷道受壓過大造成巷道變形，斷面縮小，支架損壞。

有研究表明在巖體中掘進的巷道，其巖層水平應力實際上是自重應力引起的水平應力與水平構造應力之和，而且大大超過自重應力（兩側），構造應力主要集中在地質構造變動比較劇烈的地區，如褶曲帶、曲率半徑較下的地點，巖層發生扭轉的地點（向斜軸）、斷層附近，特別是斷層端部和兩斷層交匯的地點，以及巖層厚薄發生劇變的地點。因為拉應力構造通常有利于構造應力的釋放，所以構造應力主要集中在壓應力和剪切應力構造帶，如向斜軸部。

構造應力的基本特點是以水平應力為主，具有明顯的區域性和方向性，即在地質構造帶特別是斷層附近垂直于最大應力方向的巷道礦壓顯現比較強烈，與最大主應力方向一致和斜交的巷道礦壓相對要小些。

三礦的三條下山上半部接近向斜軸而且斷層較多，下半部沿向斜軸即垂直于最大主應力方向掘進，從以上分析可以看出三條下山受構造應力影響，巷道兩幫圍巖呈垂直片狀開裂，巷道頂板下沉開裂，巷道底板強烈鼓起，隨著水平應力逐漸的釋放壓力顯現趨于緩和。

五、巷道掘進支護質量

（一）巷道底部處于敞開不支護狀態

煤礦巷道通常斷面采用梯形或直墻拱頂等形狀，由于底板不能形成穩定的拱形結構使得地鼓量加大，若巷道底部常年受水影響，使地鼓加大。

（二）巷道掘進時朝洼及背幫頂差

由于掘進采用爆破法掘進，不可避免的因超挖或局部冒頂在支護結構背后形成不同尺寸空洞，這些空洞若不及時進行有效地充填會使支護體承受集中載荷或偏心載荷，從而使支架的支撐能力不能充分發揮，巷道受到圍巖的傾向壓力時拱頂會向上彎曲，支架呈現尖桃形破壞，如果支架腿部受到集中載荷，特別是可縮結構件上受集中載荷會使可縮性聯接件損壞，棚腿彎曲而破壞，支架頂部受到集中載荷，支架拱頂很易壓平而嚴重損壞。

架空后間存在使巷道圍巖松動圈范圍擴大和圍巖穩定性降低，掘進過程中形成的松動圈范圍一般較小，由爆破沖擊波形成的破碎帶深度通常不超過1米，但如果有架后空間在與架不能及時向圍巖提供支撐力，則松動圈范圍將進一步擴大，在松動圈逐漸形成過程中，地應力峰值會不斷向巖體深部轉移，其結果是松動圈內巖體只保留很小的殘余強度及自穩能力，在圍巖應力場的作用下，松動圈內的巖體將不斷向巷道空間內移動，是巷道收斂量增大。

六、巷道受壓變形采取的措施

（一）選擇合理的巷道方向

如果在礦井設計時就能確定構造應力方向，則多數巷道和硐室的方向應與主應力方向平行或者小角度斜角通過，降低應力的影響。

（二）巷道斷面形狀和支護的選擇

選擇適應水平應力為主的應力長的巷道斷面形狀和支護是控制圍巖變形的有效措施，從力學角度出發，最好選用寬度明顯大于高度的拱形斷面，如拱頂矮墻加底拱，以及近似橢圓脆性破壞區縮小，此外巷道周邊輪廓的不平整往往引起局部巖體的應力集中和破壞，采用光面爆破后可使應力集中系數降低63﹪左右，巷道穩定性得到明顯提高。

（三）開采順序和護巷方式的選擇

在開采鄰近每層或斷層附近的煤層時，不應當殘留煤柱下部煤層或巖體內的巷道位于卸壓區內?；夭上锏蓝紤褂脽o煤柱護巷，采區上（下）山和大巷等主要巷道一般都應布置在比較穩定的巖層內，并盡量采用上部煤層預采或跨采的方式，使主要巷道長期處于應力區內。

三水平巷道及下山均在向斜軸部掘進地應力較大，當巷道為弱軟巖層，特別是位于斷裂帶、分化帶附近時，底鼓往往十分強烈，受采動影響的巷道比不受采動影響的巷道底鼓破壞劇烈，深部開采的巷道比淺部巷道的底鼓嚴重的多，殘余煤柱下的巷道和受采動的影響的巷道底鼓嚴重，水平應力大于垂直應力時更易引起底鼓，底板巖層的破壞范圍向深部擴展。

七、結束語

深部巷道地壓大、地溫高、地質條件復雜，顯現出構造應力顯現劇烈、巖體強度降低和圍巖塑性破碎區域增大等特征。因此，必須從巷道布置、巷道選型、支護方式、支護工藝和支護參數等方面進行優化設計和綜合治理，確保巷道穩定，減小巷道維護，增加效益。