辛置礦310軌道巷變形機理研究

鄭斌斌

(霍州煤電集團公司 技術中心,山西　霍州　031400)

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·試驗研究·

辛置礦310軌道巷變形機理研究

鄭斌斌

(霍州煤電集團公司 技術中心,山西霍州031400)

摘要霍州煤電集團公司辛置礦310軌道巷屬于軟巖巷道，使用中巷道收縮變形較大。采用相似模擬試驗和礦物成分分析方法，得出了影響巷道收縮變形的因素，并提出相應的改進措施，以提高圍巖的穩定性，減少巷道變形量，為巷道支護設計提供理論依據。

關鍵詞巷道變形；相似材料；相似模擬；礦物成分

霍州煤電集團公司辛置礦設計生產能力250萬t/年，井田面積46 km2，共有6個可采煤層;其中2#、10#、11#煤層穩定可采。正在開采的南采區包括310一采區和310二采區，開采煤層為2#煤。310軌道巷為南采區主要輔助運輸巷道，斷面為半圓拱，凈寬4 600 mm，凈高4 100 mm，采用錨桿、錨索、金屬網聯合方式支護，雖已進行了多次翻修，但3個月之后，巷道收縮變形嚴重，兩幫回縮800～900 mm,頂板下沉800～900 mm，底鼓較為嚴重,達到1 000～1 500 mm. 眾所周知，巷道掘進后收縮變形最直接的影響是巷道使用斷面達不到設計斷面的要求，使得巷道內設備布置困難，影響巷道的正常使用；巷道通風斷面變小，風速增加，影響礦井正常通風；巷道頂板下沉、兩幫移近、底鼓，特別是頂板下沉會造成嚴重的安全隱患，如果下沉的頂板冒落會危及人身安全；嚴重的巷道收縮變形會造成人員行走困難，底鼓造成的軌道變形會影響井下礦車正常運行。

改善巷道支護效果的前提是確定巷道收縮變形機理，而確定巷道收縮變形機理最直接有效的方法是相似材料模擬實驗。通過建立具有可塑性的接近實際泥巖頂底板巷道空間物理模型，利用相似材料，模擬實際工程現場，進行頂板、底板、兩幫同時加載試驗，分析巷道全斷面收縮變形機理，提供保障巷道不發生收縮變形的控制手段和方法。

1巷道收縮變形相似材料模擬實驗

1.1相似材料模擬實驗內容

在實驗室利用相似材料，依據現場巷道圍巖巖層柱狀圖和巷道頂底板巖石力學性質，按照相似材料理論和相似準則制作與現場相似的模型，然后進行模擬加載，在模型加載過程中對巷道圍巖運動及圍巖應力分布進行連續觀測。根據模型實驗的實測結果，利用相似準則，反推該條件下現場巷道支護時的頂板運動和圍巖應力分布規律，以便獲得圍巖變形機理。

1.2相似材料選取

通過在310軌道巷鉆取巖芯，利用巖石三軸試驗機進行抗拉、抗壓和剪切實驗，得到頂板、兩幫和底板泥巖物理力學性質參數，見表1.

表1　巖石物理力學性質指標測定成果表

根據相似理論，在模型實驗中應采用相似材料來制作模型。相似材料的選擇、配比以及實驗模型的制作方法對材料的物理力學性質具有很大的影響，對模擬實驗的成功與否起著決定性作用。在模型實驗研究中，選擇合理的模型材料及配比具有重要意義。根據本次相似模擬的實際需要及模擬巖層的力學性質，選擇石英砂作為骨料，石灰、石膏作為膠結物，根據各種材料不同的配比做成標準試件，并測出其視密度、抗拉強度、抗壓強度。具體各巖層強度對應的材料配比見表2.根據相似準則，相似材料主要以配比號為537的材料為主，同時考慮頂板和底板層狀性質，適當加入配比號555的相似材料薄層，以更真實反應巷道頂底板巖層。

表2　砂子、石灰、石膏相似材料配比表

1.3實驗裝備及觀測系統

模型實驗臺由3個系統構成：框架系統、加載系統和測試系統。框架系統規格為長×寬×高=1 200 mm×1 200 mm×300 mm.加載系統由模型架四周的油壓千斤頂實現加載，用以模擬模型受到的應力作用。在模型表面鋪設經緯網格，在經緯線的交點處插入標注物用以測量圍巖位移。實驗中使用由西安交通大學信息機電研究所研制的XJTUDP三維光學攝影測量系統。這種測量設備主要對模型表面位移進行圖像監測，以透視幾何理論為基礎，利用拍攝的圖片，采用前方交會方法計算三維空間中被測物幾何參數。

1.4模型設計與制作

根據實驗室條件和研究需要，選用臥式平面模型實驗臺，長度比αl=20，密度比αr=1.8，模型裝填尺寸長×寬×高=1 200 mm×1 200 mm×300 mm.模擬的巷道埋深取480 m，由金尼克理論計算得到巷道受12.0 MPa的垂直應力作用。通過相鄰巷道實測，由于存在壓力拱，巷道實際垂直應力為5.98 MPa，相當于模型施加100 N應力。為此，對模型逐步加壓到100 N，觀測變形和破壞情況。考慮到310軌道巷可能受到動壓影響，加壓到200 N的作用力來模擬動力作用，其余方向固定邊界。模擬重力和動力采用分步加載，每次加載100 N，共加載2次，加載由操作臺控制。巷道周圍設計位移監測點，共設置位移監測點59個，測點間距為10 cm，利用XJTUDP三維光學攝影測量系統實現位移監測。

巷道裝填完畢及位移測點布置見圖1、圖2，利用XJTUDP三維光學攝影測量系統對模型中的位移測點進行識別，見圖3.此時為模型的初始狀態，模型不受力，巷道圍巖無變形。模型加載后通過設備識別測點，并與初始狀態進行比對，分析巷道圍巖變形情況。

圖1　模型裝填及位移測點布置圖

圖2　初始狀態測點布置圖

圖3　初始狀態點識別示意圖

1.5實驗過程及結果分析

巷道初次加載至100 N時(相當于實際中巷道承受6 MPa的垂直應力)，巷道表面位移很小，見圖4，5，圍巖穩定。說明自重應力不是巷道變形的主要因素。當模型加載至200 N時(相當于實際中巷道承受12 MPa的垂直應力)，巷道變形明顯，見圖6，7，頂板下沉，底板鼓起，兩幫收斂，且兩幫收斂量大于頂底板移近量。頂底板變形量最大為24 mm(實際中為480 mm)，兩幫最大變形量為30 mm(實際中為600 mm).巷道為直墻半圓拱形，因此，巷道頂板受力均勻，頂板呈整體下沉；巷道底板中部底鼓量最大。對巷道變形進行了素描，巷道變形特征見圖8.

圖4　加載100 N時巷道圍巖破壞情況圖

圖5　加載100 N時巷道圍巖變形采集圖

圖6　加載200 N時巷道圍巖破壞情況圖

圖7　加載200 N時巷道圍巖變形采集圖

圖8　巷道變形素描圖

2巷道圍巖礦物成分分析

掘進和工作面回采造成大量涌水從310軌道巷通過，水的存在可能是造成巷道底鼓的主要原因。

當底板為含蒙脫石和伊利石層等膨脹巖石時會產生膨脹性底鼓。底板積水時，水不僅與暴露的底板巖體發生接觸，還會通過裂隙滲入到底板內部，加速底板圍巖的強度喪失和體積膨脹，這又導致裂隙的進一步擴大，形成惡性循環。

對310軌道巷頂底板泥巖，利用γ射線衍生儀進行礦物成分分析，分析結果見圖9.硬質礦物的XRD定性、定量分析結果如下(質量百分數)：

圖9　γ射線衍生儀分析結果圖

Quartz low石英33.2%；Kaolinite高嶺石39.3%；Hydrotalcite水滑石3.8%；Muscovite白云母8.3%；Natrojarosite鈉鐵礬、鈉鐵閃長細晶巖15.5%.

其中：高嶺石(Kaolinite)細粒、色白、化學性質穩定、吸水能力強、吸水后膨脹、硬度2～2.5、比重2.60～2.63、具有可塑性。

3影響巷道收縮變形的因素

從以上相似模擬實驗和礦物成分分析結果可以看出，影響巷道收縮變形的因素主要有如下3種：

1) 圍巖狀態。

圍巖性質和結構狀態對巷道收縮變形起著決定性作用，310軌道巷頂板和底板均為泥巖，其中巷道頂板巖石的抗壓強度為22.32 MPa，抗拉強度為2.75 MPa, 堅固系數f為2.2.巷道底板巖石的抗壓強度僅為15.74 MPa，抗拉強度為2.75 MPa,堅固系數僅為1.6，屬于松軟巖層，堅固性不到普通砂巖的50%.當巷道受到應力時，因為圍巖強度較低，勢必造成頂板下沉、底板鼓起和兩幫收斂。

2) 采動影響。

310軌道巷兩側均受到采動壓力的影響，這種應力作用是不可避免的。從相似模擬實驗的過程可以看出，加載100 N(巷道實際垂直自重應力)時巷道變形較小，而模擬動壓加載至200 N時巷道收縮變形嚴重。

3) 水理作用。

從礦物成分分析結果可以看出，圍巖中高嶺石含量達到39.3%，遇水膨脹，造成巷道圍巖收縮變形，而310軌道巷沒有設計水溝，巷道底板長期存在大量積水，這也是巷道底鼓較為嚴重的主要原因。

4改進措施

1) 310軌道巷圍巖屬于松軟巖層，巷道易發生大變形，建議采用注漿的方式加固巷道圍巖，改變圍巖的力學性質，提高圍巖的穩定性，減少巷道頂板下沉和兩幫移進。

2) 加大停采線距310軌道巷的距離，或采用爆破、水壓致裂的方式在停采線處切頂，減少工作面回采引起的巖層移動導致的應力重分布對310軌道巷的破壞，減少巷道變形量。

3) 由于圍巖中高嶺石含量較大，遇水膨脹，而310軌道巷沒有設計水溝，巷道底板長期存在大量積水，導致巷道底鼓嚴重，應采用挖水溝的方式把水集中到水溝處，減少水對巷道底板的作用范圍，減少巷道底鼓量。

4) 調整采掘銜接關系。工作面布置由沿310軌道巷巷口向巷道末端方向布置，改為沿310軌道巷末端向巷口方向布置，減少310軌道巷巷口至巷道中部位置受到的采動影響時間，減少該部位巷道變形時間，進而減少巷道變形量，把受采動影響時間長部位的布置調整至310軌道巷末端位置。新的采掘銜接安排可以在310軌道巷末端附近的工作面采完后關閉310軌道巷相關部位，這樣即使310軌道巷末端部位巷道受采動影響而發生大變形也沒有必要返修巷道。

參考文獻

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Research on Deformation Mechanism of 310 Track Roadway in Xinzhi Coal Mine

ZHENG Binbin

AbstractIt belongs to soft rock roadway of 310 track roadway in Xinzhi coal mine, and the shrinkage deformation is larger in service. Using the similar simulation test and mineral composition analysis method, obtains the factors of affecting the roadway contraction deformation. Puts forward the corresponding improving measures to improve the stability of surrounding rock, reduce the deformation of roadway. It provides the theoretical basis for roadway supporting design.

Key wordsRoadway deformation; Similar material; Similar simulation; Mineral composition

中圖分類號：TD315

文獻標識碼：A

文章編號：1672-0652(2016)02-0027-04

作者簡介：鄭斌斌(1987—)，男，山西長治人， 2010年畢業于山西大學，助理工程師，主要從事煤礦技術創新及管理工作(E-mail)648011806@qq.com

收稿日期：2015-12-28