东保卫矿巨厚辉绿岩侵入区大巷围岩控制技术研究

李永恩 张 弘 王志刚 王田逢 田向阳

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083)

东保卫矿巨厚辉绿岩侵入区大巷围岩控制技术研究

李永恩 张 弘 王志刚 王田逢 田向阳

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083)

针对东保卫矿西翼三条大巷在穿过约750 m长的特厚辉绿岩侵入区时出现的巷道难以支护的问题，进行了钻孔窥视，并通过现场取样对辉绿岩进行力学测试，发现其具有遇水崩解、易风化的特点。结合数值模拟结果，可知大巷在辉绿岩软化后塑性区范围极大扩展是巷道难以维护的主要原因。根据岩性特点和数值模拟分析，针对原有架棚式被动支护不能有效防止辉绿岩风化并控制围岩破坏变形的缺点，提出锚杆-锚索-金属网配合分次喷浆的综合支护方案，通过现场深基点监测结果验证了新支护方案的有效性。

辉绿岩 力学测试 塑性区 分次喷浆 深基点监测

我国煤炭开采面临的地质条件复杂，其中火成岩侵入作为一种常见的地质现象也常常困扰着煤炭开采。许多专家学者都对巨厚火成岩侵入影响下的采场和巷道的矿压规律和灾害防治进行了研究，但这些研究多是集中在强度较高的火成岩对采场顶板的影响和火成岩侵入煤体后对巷道煤岩性质的影响。而火成岩的岩性复杂，有些火成岩具有膨胀性和遇水崩解的性质，在这种岩石中掘进的巷道维护问题也是需要关注的问题，本文就以东保卫矿西翼三条大巷在巨厚辉绿岩侵入区掘进为背景，研究巷道在火成岩侵入区域掘进中遇到的问题和工程对策，为类似工程条件下的巷道维护提供借鉴。

1 工程概况

龙煤矿业集团东保卫矿东西走向长9.16 km，南北倾向平均宽3.31 km，区内地质构造呈单斜构造，地层倾角变化不大，伴有一定数量的断层，局部遭受岩浆侵入的影响严重。西翼掘进的运输大巷、回风大巷、轨道大巷埋深均为650 m，掘进过程中，巷道需穿过约750 m长的特厚辉绿岩侵入区域。

最初在辉绿岩区域内巷道掘进后仍沿用如图1所示的25U型钢半圆拱+底梁的架棚支护方案，但不久后巷道就破坏严重，尤其片帮严重，并在局部地区出现了3～4 m的冒顶，巷道维护十分困难。

图1 东保卫矿原始支护方案

通过对轨道大巷火成岩侵入围岩破碎最严重区进行顶板钻孔窥视，窥视结果如图2所示。

图2 辉绿岩侵入区钻孔窥视结果

巷道顶板围岩2 m以下范围内围岩破碎尤其严重，围岩在0～1 m范围内共有6处破碎及裂隙，在1～2 m范围能共有8处破碎及裂隙，在2～3 m范围内有5处破碎，3 m以上范围内仅在4.3 m和4.5 m处有裂隙。2～4.5 m之间，破碎带之间的距离明显加大，破坏程度减小，4.5 m以上围岩保持相对完整。窥视结果及现场情况说明东保卫煤矿辉绿岩区域巷道沿用原有支护方案时，巷道存在安全隐患，由于三条大巷的设计服务年限均在40 a以上，对矿井的安全生产和后续接替产生了严重的影响，故需对支护方案进行重新设计。

2 原有支护方案失效原因

2.1 岩性分析及数值模拟

三条巷道在火成岩侵入区域内的围岩变形破坏和辉绿岩的岩性是密切相关的，经过现场采样对东保卫矿辉绿岩进行了岩石力学性质测试，得到遇水之前东保卫矿辉绿岩的各项岩石力学指标，见表1。

通过协议明确界定学校、企业、学生（家长）三方各自的职责与义务。学校与企业要签订联合培养的合作协议，学生要与企业签订三年的学徒协议。

表1 东保卫矿岩石力学指标测定汇总表

由表1可知，东保卫矿辉绿岩在遇水之前强度较高，属于硬岩，但是其一旦遇水，强度变小，硬度会急剧变软，成为软岩甚至极软岩，甚至发生崩解，因此辉绿岩遇水软化后的岩石力学参数并未获得。这与现场实际观测情况相吻合，在巷道刚施工完成之后，围岩易于支护，围岩变形量较小，但经过一段时间之后，辉绿岩风化遇水，导致围岩变形明显增大，最终致使部分支护失效，甚至发生冒顶。

使用FLAC3D数值模拟软件计算东保卫大巷在辉绿岩软化前后的塑性区破坏范围，分析巷道支护失效的原因。

图3 东保卫矿大巷数值模拟模型

建立如图3所示的东保卫矿大巷计算模型，模型为62.5 m×5 m×56.05 m，大巷采用直墙半圆拱断面，巷宽4.2 m，墙高1.8 m，巷道内表面施加一层250 mm厚的支护体模拟U型钢支架提供支护，模型采用Mohr-Coulomb本构模型，固定X轴、Y轴边界水平位移与Z轴下边界垂直位移，上边界施加补偿载荷16.25 MPa模拟模型上方650 m岩层容重，据地应力随埋深分布规律关系式：

(1)

式中：H——巷道埋深，m；

k——侧压系数。

取H=650 m，k=1.3，则模型中X方向和Y方向施加的初始应力为21.125 MPa，Z方向施加的初始应力为16.25 MPa。

模型选取的参数如表2所示，辉绿岩软化参数根据岩体力学规定的软化系数进行折减。

表2 模型参数表

分别计算辉绿岩在原始状态下开挖巷道后和辉绿岩遇水风化变软后的塑性区范围，如图4和图5所示。

由图4和图5可以看出，由于辉绿岩在原岩应力作用下遇水之前塑性破坏范围较小。当辉绿岩遇水风化，岩性软化后，塑性区范围有了极大扩展，塑性区形态整体呈椭圆形，两帮破坏深度为2.5 m，顶板由于断面为半圆拱型，相对于底板破坏深度最小为3.1 m，最大为3.75 m。

图5 辉绿岩软化后塑性区范围

通过数值模拟结果与现场进行对应，可以发现巷道整体破坏形态与现场窥视结果相近，巷道围岩在遇水软化后的围岩塑性区范围有了极大的扩展，此时巷道变形破坏严重，由于U型钢被动支护抵抗变形能力较差，最终导致巷道支护失效。

2.2 原支护方案的缺陷和工程对策

通过现场调研和数值模拟结果发现，东保卫辉绿岩区域巷道由于特殊的岩石性质，若不能有效防止围岩风化遇水，就会导致支护较困难，矿压显现明显，巷道围岩破坏和变形具有持续性。若采取原有支护方案，U型钢金属支架不能有效隔绝空气与水，防止辉绿岩的风化，应在巷道掘进过后及时进行支护并进行薄层喷浆作业，防止辉绿岩的风化和最大程度的减少喷浆导致的辉绿岩遇水软化，在初次薄层喷浆后，由于巷道围岩应力释放，初喷层会发生开裂，当应力释放到一定程度释放后，应进行二次厚层喷浆，从而最大限度的减小辉绿岩的风化。

U型钢金属支架承载能力有限，对巷道围岩变形和破坏的控制作用很小，支架变形损毁后巷道维修极其困难，从而加剧辉绿岩的遇水风化速度，造成巷道变形愈加强烈。因此，对于东保卫辉绿岩区域巷道应改为以锚杆索为支护核心的主动支护方式，并且锚杆索的锚固形式应采用全长锚固，最大程度地封闭钻孔，防止辉绿岩被侵蚀和风化。

在东保卫煤矿辉绿岩区域进行的不同直径锚索拉拔试验结果见表3。由表3可知，直径为ø15.24 mm的锚索由于直径小，树脂药卷搅拌效果差，很容易被拉出，锚固性能一般不可靠，因此建议使用ø17.8 mm的锚索。

表3 不同直径锚索现场拉拔试验

3 东保卫矿大巷围岩控制技术

综合以上考虑，提出锚杆-锚索-金属网配合分次喷浆的围岩控制技术，具体参数如下：

图6 巷道开挖后一次支护断面图

采用ø20 mm×2200 mm左旋螺纹钢锚杆、ø17.8 mm×6000 mm锚索、金属网进行支护，锚杆间排距800 mm×800 mm，锚索在顶部居中对称布置2根，间排距1600 mm×1600 mm，并及时进行一次喷浆，喷层厚度30 mm，之后配合围岩变形监测工作，确定二次喷浆时间，二次喷浆厚度100 mm，巷道一次支护断面和顶板支护布置方案分别如图6和图7所示。

图7 顶板(半圆拱区域)支护布置展开图

4 深基点位移监测

巷道在支护后布置深基点多点位移计，回风大巷某点深基点观测结果如图8所示。由图8可以看出，巷道左帮总位移量为241 mm，约120 d后，左帮变形趋于稳定。巷道右帮总位移量为150 mm左右，160 d后开始趋于稳定。巷道顶板总位移量为133 mm，位移产生量基本平均分布，70 d左右开始趋于稳定。由此可见，采用新的支护方案之后，由于及时喷浆防止围岩风化，巷道围岩的变形整体较小，左帮变形要大于右帮变形，顶板变形小于两帮变形，并且顶板要早于两帮趋于稳定。这说明锚索发挥了作用，巷道顶板的变形明显减小，在监测期间巷道没有发生过冒顶，新的支护方案能够较好地控制围岩的变形，防止冒顶的发生，保证了巷道的安全，与架棚支护相比，经济上也更为合理。

图8 回风大巷深基点位移曲线图

5 结论

(1)东保卫矿火成岩是由辉绿岩构成，辉绿岩遇水膨胀、硬度变软，岩石强度降低，并且易风化成粉末状，是造成西翼三条大巷维护困难的根本原因。

(2)根据数值模拟结果，辉绿岩区域大巷在围岩未风化前由于地应力作用产生的破坏范围较小，在辉绿岩软化后，巷道塑性区出现了极大的扩展，塑性区形态整体呈椭圆形，两帮破坏深度为2.5 m，顶板破坏范围为3.1 m，底板破坏深度可达3.75 m，与现场窥视结果较一致。

(3)结合围岩岩性特点和原有方案不足，提出锚杆-锚索-金属网配合分次喷浆的支护方案，经现场深基点观测，验证了新支护方案的有效性。

[1] 尉永邦，孟波. 火成岩侵入全煤巷道破碎围岩稳定性控制技术研究 [J]. 中国煤炭，2012(11)

[2] 刘红卫，樊少武. 华北石炭二叠纪煤系地层火成岩侵入及形成机制 [J]. 煤炭科学技术，2008(10)

[3] 吴海波，董守华，黄亚平等. 基于地震属性的煤层火成岩侵入预测 [J]. 地球物理学进展，2015(3)

[4] 王亮，程远平，聂政等. 巨厚火成岩对煤层瓦斯赋存及突出灾害的影响 [J]. 中国矿业大学学报，2008(1)

[5] 王义然，牟宗龙，阮国强. 深井火成岩侵入工作面冲击矿压防治 [J]. 煤矿开采，2010(6)

[6] 谭吉世，纪洪广，姚志贤. 巨厚岩浆岩下开采覆岩移动规律及采场压力变异性分析 [J].煤炭技术，2007(3)

[7] 闫浩，张吉雄，张强等. 巨厚火成岩下采动覆岩应力场-裂隙场耦合演化机制 [J]. 煤炭学报，2016(9)

[8] 杨培举，何烨，郭卫彬. 采场上覆巨厚坚硬岩浆岩致灾机理与防控措施 [J]. 煤炭学报，2013(12)

[9] 杜学领，王宁，李杨等. 火成岩侵入区巷道支护技术研究 [J]. 中国煤炭，2014(6)

[10] 蔡晖. 膨胀性辉绿岩隧道修建主要工程问题及对策分析 [J]. 隧道建设，2013(7)

[11] 王章琼，晏鄂川，鲁功达等. 我国大陆地下水封洞库库址区地应力场分布规律统计分析 [J]. 岩土力学，2015(S1)

[12] 康红普，司林坡，张晓. 浅部煤矿井下地应力分布特征研究及应用 [J]. 煤炭学报，2016(6)

[13] 张晓. 基于地应力测量的地应力场研究 [J]. 煤矿开采，2012(2)

[14] 刘佑荣，唐辉明. 岩体力学 [M]. 武汉：中国地质大学出版社，1999

(责任编辑 陶 赛)

国资委：央企上半年化解煤炭过剩产能659万t

国资委总会计师沈莹在国新办例行发布会上透露，上半年央企累计化解钢铁过剩产能595万t，已提前完成全年任务；化解煤炭过剩产能659万t，重组煤炭产能1300万t。

据了解，目前多家央企都制定了相关计划和具体方案，多个省市都在按照公布的去产能目标积极推进。国资委下一步将在涉及煤炭、钢铁等产能过剩严重的行业进行试点，建立优胜劣汰市场化退出机制，对不符合国家能耗、环保、质量、安全等标准要求和长期亏损的产能过剩企业，进行关停并转或剥离重组。

央企无疑是本轮化解过剩产能工作的主力军。据悉，涉及煤炭、钢铁类央企已经设定时间表，相关改革和工作正在有序推进。中国华能集团表示，2018年底前，退出煤炭产能914万t/a，处置僵尸企业16户、特困企业4户，“十三五”期间关停退役647万kW煤电机组。保利集团发布计划，将用3年时间完成39家“僵尸企业”的重组整合退出，确保亏损额减少50%以上。在逐步退出落后产能的同时，神华集团把全面转型升级调结构作为煤炭产业可持续健康发展的基本要求，推动先进产能规模化、集群化，并推动优质产能绿色化、清洁化。根据神华集团制定的《化解煤炭过剩产能方案》，2016-2018年将减少产能近3000万t/a。

Researchonsurroundingrockcontroltechnologyofmainroadwayinextra-thickdiabaseintrusionareaofDongbaoweiMine

Li Yongen, Zhang Hong, Wang Zhigang, Wang Tianfeng, Tian Xiangyang

(School of Resources & Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

Aiming at the problem of three main roadways which were hard to maintain when passing through a 750 m long extra-thick diabase area, field drilling peep was carried out and mechanical test of in-situ diabase sample was conducted to found that the daibase had characteristics of water disintegration and easy weathering. Combined with numerical simulation results it was revealed that the plastic zone of roadway after diabase softening would have a great range of expansion, which was the main reason that roadway was difficult to maintain. Based on the lithological characteristics and numerical simulation analysis, pointing at the shortcoming of passive shelf-type support that could not effectively prevent diabase weathering and control the destruction of surrounding rock, proposing the comprehensive support scheme of bolt-anchor-metal mesh with the repeated spray, the effectiveness of new support scheme was verified by the results of deep base site monitoring.

diabase, mechanical test, plastic zone, repeated spray, deep base site monitoring

李永恩，张弘，王志刚等. 东保卫矿巨厚辉绿岩侵入区大巷围岩控制技术研究 [J]. 中国煤炭，2017,43(8)：80-84. Li Yongen, Zhang Hong, Wang Zhigang， et al. Research on surrounding rock control technology of main roadway in extra-thick diabase intrusion area of Dongbaowei Mine [J]. China Coal，2017,43(8)：80-84.

TD353

A

李永恩(1987-)，男，河南焦作人，博士研究生，主要从事巷道围岩控制理论与支护技术方面的研究。