深井條件下礦山掘進(jìn)巷道變形分析及控制技術(shù)研究

王祖鱗

（安徽理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

杜貝舉等[1]為解決深井高應(yīng)力軟弱掘進(jìn)巷道大變形破壞的支護(hù)難題，采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研實(shí)測(cè)、礦物力學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的方法對(duì)巷道破壞特征與變形機(jī)理進(jìn)行研究。康紅普等[2]針對(duì)礦山千米深井、軟巖、強(qiáng)采動(dòng)巷道圍巖大變形難題，結(jié)合相關(guān)工程背景，分析了巷道變形、支護(hù)構(gòu)件失效原因。

本文以某礦140502運(yùn)輸平巷為研究背景，在原有的支護(hù)方式上提出對(duì)巷道進(jìn)行注漿加固以及采用錨桿索對(duì)巷道圍巖進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，并運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)對(duì)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后的巷道進(jìn)行巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)定，以及頂板離層儀監(jiān)測(cè)，得到巷道圍巖松動(dòng)圈范圍，頂板離層量較小，巷道圍巖變形得到有效的控制，使140502運(yùn)輸平巷能夠安全使用，對(duì)千米深井圍巖支護(hù)具有一定借鑒意義。

1 工程地質(zhì)條件

140502 工作面位于-967m水平1405采區(qū)，是1405采區(qū)的第一個(gè)工作面。該工作面南起西翼開(kāi)拓巷道，北至5號(hào)礦防砂礦柱線，東臨DF23斷層，西臨25勘探線。工作面采用傾向長(zhǎng)壁布置。風(fēng)巷設(shè)計(jì)傾向長(zhǎng)1750m，其中可采傾向長(zhǎng)1357m，預(yù)計(jì)風(fēng)巷5號(hào)礦開(kāi)采底板標(biāo)高為-980m～-690m；機(jī)巷設(shè)計(jì)傾向長(zhǎng)1721m，其中可采傾向長(zhǎng)1358m，預(yù)計(jì)機(jī)巷5號(hào)礦開(kāi)采底板標(biāo)高為-986m～-692m；工作面內(nèi)5號(hào)礦層以黑色為主，少量褐黑色，玻璃光澤，以粉末狀、碎塊狀為主，性脆易碎，斷口一般為參差狀、平坦?fàn)睢８鶕?jù)鄰近勘探鉆孔資料分析，面內(nèi)5號(hào)煤礦層全層厚度5.45m～7.09m，平均厚度6.53m。

根據(jù)地質(zhì)條件的分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的觀察與勘測(cè)，采用原支護(hù)方式時(shí)巷道變形較為嚴(yán)重，為進(jìn)一步保證安全生產(chǎn)，需采用相關(guān)措施來(lái)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)

地質(zhì)雷達(dá)是目前國(guó)內(nèi)外普遍推崇的一種比較先進(jìn)的物探設(shè)備，它是基于所探介質(zhì)的電性差異對(duì)所探物體內(nèi)部不可見(jiàn)目標(biāo)體或不同介質(zhì)分界面進(jìn)行精確判別并定位的電磁技術(shù)。雷達(dá)發(fā)射的電磁波經(jīng)過(guò)松動(dòng)圈與非破壞區(qū)的分界面時(shí)必然發(fā)生強(qiáng)烈反射，且在其中呈雜亂無(wú)章?tīng)顟B(tài)傳播，于是從收集處理的雷達(dá)探測(cè)剖面圖上即可確定圍巖松動(dòng)范圍，得到松動(dòng)圈厚度值，因此地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)圍巖松動(dòng)圈的厚度在理論上是科學(xué)可行的。

采用地質(zhì)雷達(dá)結(jié)合后期軟件分析，能夠有效的探明所測(cè)試礦山掘進(jìn)巷道的圍巖松動(dòng)圈范圍，從而達(dá)到對(duì)巷道圍巖變形的深入分析。

2.1 巷道測(cè)試位置

兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的地質(zhì)雷達(dá)測(cè)點(diǎn)井下相對(duì)位置如圖1所示。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)人工托舉將雷達(dá)天線緊貼至掘進(jìn)工作面，斷面具體現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案如圖2所示，依次從底板到幫部，經(jīng)過(guò)頂板再到另一側(cè)幫部，從而達(dá)到掃描斷面一周，測(cè)量過(guò)程中需保證儀器的平穩(wěn)移動(dòng)，以提高地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)精度。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案

2.2 探測(cè)結(jié)果與分析

根據(jù)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試方案，沿巷道斷面掃描一周，后期運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)專業(yè)分析軟件，選取具有代表性的18個(gè)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)果分析，底板處的松動(dòng)圈平均為6.7m。靠140502工作面?zhèn)认锏缼筒康乃蓜?dòng)圈平均為9.7m。140502工作面另一側(cè)巷道幫部松動(dòng)圈平均為9.8m；頂板處的松動(dòng)圈平均為6.0m。測(cè)點(diǎn)2，底板處的松動(dòng)圈平均為4.2m。幫部的松動(dòng)圈大平均為5.6m。另一側(cè)巷道幫部的松動(dòng)圈平均為5.6m。頂板處的松動(dòng)圈大平均為5.0m。

根據(jù)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的綜合分析，巷道底板松動(dòng)圈范圍為5m，頂板松動(dòng)圈范圍為5.5m。

3 礦山掘進(jìn)巷道支護(hù)技術(shù)優(yōu)化

在原有的巷道支護(hù)技術(shù)條件下，對(duì)巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，針對(duì)原有巷道支護(hù)困難，支護(hù)效果差，采用對(duì)巷道四周采用錨桿索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。在補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)方案中，錨桿選用左旋無(wú)縱筋高強(qiáng)錨桿，直徑22mm，長(zhǎng)度2.5m，間排距800×800（mm×mm），共15根。錨索選用高強(qiáng)低松弛鋼絞線，直徑21.8mm，長(zhǎng)度9.2m，間排距1200×1600（mm×mm），共7根。幫部錨索直徑21.8mm，長(zhǎng)度6.2m。間排距1200×1600（mm×mm），每排4根。其布置方式如圖3所示。

圖3 礦山掘進(jìn)巷道支護(hù)布置方式

4 頂板離層量

在140502運(yùn)輸平巷掘進(jìn)端后方選取兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用頂板離層儀對(duì)巷道頂板變形量進(jìn)行測(cè)定。隨著測(cè)點(diǎn)距離掘進(jìn)端距離的增加，巷道頂板離層量也逐漸增大，當(dāng)距離掘進(jìn)端距離大于60m時(shí)巷道頂板離層量趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。如圖4所示，測(cè)點(diǎn)1的巷道頂板總的離層量為98mm，淺部離層量為81mm，深部離層量為17mm；如圖5所示，測(cè)點(diǎn)2的巷道頂板總的離層量為160mm，淺部離層量為144mm，深部離層量為16mm。巷道頂板的離層量趨于穩(wěn)定，頂板處于可控狀態(tài)。

圖4 測(cè)點(diǎn)1離層量

圖5 測(cè)點(diǎn)2離層量

在巷道剛剛完成掘進(jìn)后，巷道頂板的離層量較大。如圖6所示，測(cè)點(diǎn)1的頂板最大離層量為10mm/d，在第10~60天，巷道頂板的離層量逐步趨于穩(wěn)定，第60天后，測(cè)點(diǎn)1的頂板基本穩(wěn)定。如圖7所示，測(cè)點(diǎn)2的頂板離層量為6mm/d，在第10~120天，巷道頂板的離層量逐步趨于穩(wěn)定，第120天后，測(cè)點(diǎn)2的頂板基本穩(wěn)定。

圖6 測(cè)點(diǎn)1頂板離層量

圖7 測(cè)點(diǎn)2頂板離層量

5 結(jié)論

（1）針對(duì)千米深井圍巖變形嚴(yán)重，在原有的支護(hù)方案上提出新型支護(hù)方案,并通過(guò)后期監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，起到了較好的支護(hù)結(jié)果。

（2）采用地質(zhì)雷達(dá)得到在巷道穩(wěn)定階段,巷道底板松動(dòng)圈范圍為5m，頂板松動(dòng)圈范圍為5.5m。

（3）通過(guò)頂板離層儀監(jiān)測(cè)，頂板離層量隨著距離的增大而增大，最后趨于穩(wěn)定，頂板離層量隨著時(shí)間增加減小，最后趨于穩(wěn)定。