海域开采软岩巷道矿压显现原因分析及支护建议

龙口矿业集团公司北皂煤矿

海域开采软岩巷道

矿压显现原因分析及支护建议2006年12月12日

1、概况

龙口矿区为于胶东半岛的西北部，其煤系地层为下第三系地层，以泥岩、粘土岩为主，属典型的“三软”地层。北皂煤矿于1983年投产，濒临渤海，是我国唯一的实施海域采煤的矿井。陆地现有-175m和-250m两个开采水平，通过几次系统改造，矿井生产能力已达到240万吨以上。随着开采和城乡建设的压煤，陆地储量锐减，采场逐渐由陆地向海域转移。海域煤田位于北皂矿井田北部渤海海域内，面积为18km2。区内地势平坦，海水深0-12m，由南向北渐深。海域开采水平设在-350m。从海域开拓巷道和首采面准备巷道施工看，巷道矿压显现比陆地明显增大。海域-350m水平附近的巷道，尤其是在煤2顶板和煤2中的巷道，采用陆地成功的支护形式，如料石圆碹、锚喷支护和U25棚喷支护等，巷道破坏严重。据统计在该层中的巷道，掘进期间返修率高达90%。

矿压观测及显现表明，龙口矿区海域开采是典型的软岩条件下的开采，软岩本身强度低，水稳性差、性质不稳定，软岩开采条件下的巷道受采动影响后，使围岩松动破坏范围加大，位移量增加，使支护体产生较大的变形而破坏。在同样条件下，海域巷道围岩位移和应力均是陆地的4~6倍，矿压显现极其迅速和明显，使在“三软”条件下本来就支护困难的状况更加恶化。

2、海域软岩矿压显现剧烈巷道变形大的机理分析

软岩工程力学是与岩石力学有关的一门新型力学分支，它是借助工程地质学和大变形力学的集成分析方法，研究在工程力扰动作用影响范围内软岩工程岩体的力学行为的科学。煤矿软岩巷道工程作为软岩工程的一个主要组成部分，其支护理论必须以符合软岩塑性大变形力学特征的软岩工程力学理论为基础。北皂煤矿海域开采还要考虑海水的潮汐流动作用等的影响，由于基础数据不多，无法进行定量的分析，只能通过定性分析。

2.1构造应力的影响

在地质历史时期，煤系地层经历了多期地质构造应力的作用，岩层本身以弹性变形的形式储存了变形能。在地层中掘进巷道，这些变形能以变形的形式向临空区释放，宏观上表现为岩层的扩容膨胀。另外，岩层在巷道成形时，应力状态从三维向二维转变，在构造应力作用下，又极易以发生破坏而产生非线性弹塑性变形，这是一种与时间有关的变形。这种变形往往导致软岩支护的宏观破坏，其特征是方向性破坏明显，破坏程度与深度无关。在受构造运动作用力影响强烈的地区，特别是临近背斜、向斜轴等构造线的部位。自重应力场和构造应力场在该点应力的综合叠加，构造应力一般以水平构造应力为主，在构造应力显著地区，巷道两帮破坏往往颇为明显，其力学模式示于图2-1.

图2-1

受构造运动影响的原始应力场有如下特征：一是各点应力受构造影响，即使同一深度水平，各点间应力在大小、方向以及垂直应力和水平应力的比值等各个方面都有很大的差别，两个方向上的水平应力往往也不相等。二是存在很大的水平挤压应力，最大水平压应力与垂直压应力的比值比自重应力场大的多。根据有关资料统计，单一的自重应力场中水平应力与垂直应力场的比值在一般深度条件下只有0.2~0.3，而在临近构造线局部地段，该比值可以达到3~5倍。

水平应力值较大及水平应力值往往高于垂直应力值是构造影响应力场的重要的特征。三是最大主应力的方向受构造作用的控制。多数情况下的最大主应力都垂直于褶曲轴构造线的方向。在邻近构造线的部位平行构造线开掘和维护巷道将非常困难。四是埋藏深度越大的岩层，构造应力的量级也越大。

2.2岩石物理力学性质的影响

为研究海域与陆地工程地质特性的差异，我们在海域-350m 水平附近的巷道中采取钻孔取芯的方式去了岩样，委托科研院所进行了力学性质和水理性质的化验。根据煤1顶底板与煤2顶底板的岩样化验结果与陆地四采区东部观2、观3孔性化验资料对比看，海域岩石的单轴抗压强度只有陆地同类岩性抗压强度1/4~1/2，从而软岩的特性表现特别明显；从上述垂直压应力与水平压应力公式看，μ=0.5时，λ=1，此时h y x γδδ==11，即侧向压应力等于垂直压应力，岩石处于净水压力状态，在此类岩层中开掘巷道，维护极其困难。而从现场化岩样化验结果看，海域地层的泊松比较陆地大，其平均值接近陆地平均值的2倍，有的已高达0.44，在该层位中的巷道覆岩重量所引起的水平压应力与垂直压应力接近，岩石临近静水压力状态，所以在同样的支护条件下，作用在巷道支护体上的矿山压力较大，从而使支护体矿压显现相对大。

其中水在软岩膨胀中起到了很大的作用，水的作用可分为两大部分：力学作用和物理化学作用。水的力学作用又分为静水压力作用和动水压力作用。

当在含水岩层中开挖巷道时，围岩稳定首先受到地下水泄出的影响，作为一种动水压力作用使支护（如喷层等）难度增大。一旦支护体形成，增加了支护体变形和破坏的可能性。另外，地下水的泄出增加了其与其他泥质软层接触的机会，使泥质软岩层的有膨胀潜能的矿物急剧膨胀。其机制是晶粒化学膨胀机制和黏粒胶体膨胀机制。对于本身具有膨胀性的岩石来，巷道围岩经过干湿交

替后产生膨胀，膨胀性本身越强的岩石膨胀越厉害，从而产生的膨胀力也越大。从岩样化验结果看，海域的岩块膨胀率普遍比陆地高，有的甚至是陆地的7.3倍，由此也导致海域巷道矿压显现相对较大。

从海域与陆生岩石的力学性质对比看，海域地层，虽然其总的岩性结构、分类与陆地类似，但其组成成分、胶结程度、膨胀性等一些力学特性和水理性质与陆地已经有了较大差别，其工程性质的稳定性远不如陆地，从而导致巷道矿压显现相对陆地较大。

2.3深度增加的影响

由上覆围岩自重引起的自重应力为垂直应力，并引起相应的水平应力。软岩巷道的破坏表现出明显的与深度有关而与方向无关的特点，即在开挖浅部巷道时，按常规支护形式，巷道变形破坏不明显。随深度增加，巷道变形破坏变得严重起来，而破坏的方向性不甚明显。这些特征往往表现为重力机制起作用的扩容膨胀。处于某一深度H 的岩层中，假设巷道所在的岩层是基本均质的弹性体，那么覆岩岩层重量所引起的垂直压应力以及产生的水平压应力可分别表示为：

H y γδ=1和H y λγδ=1

其中λ为侧压系数，)1/(μμλ-=，μ为岩石的泊松比。从上述公式看，深度H 越大，垂直压应力越大，从而水平压应力也越大，特别是对于软岩来说，表现更为明显。

海域-350m 水平附近的巷道，比陆地邻近海边的四采区煤2至少深100m 以上，从而该处巷道所受的垂直压应力和水平压应力均相对陆地大，在同样支护条件和支护形式下，巷道支护体矿压显现相对较大。

3、软岩巷道支护建议

3.1软岩巷道的支护原则

3.1.1工程优化原则

软岩巷道工程支护应首先遵循工程优化原则。该原则包括：

（1）巷道方向优化原则

对于工程地质条件复杂的矿井，构造应力场明显的矿井，在决定井巷方向时避免将过多井巷垂直于较大应力方向，以免井巷失稳，遭受破坏，必要时改变开采工艺。

（2）巷道空间位置优化原则

软岩矿井所处的地层并非所有都软，应尽是选择软中之硬者，将主要巷道掘凿在其中，以期求得稳定性好、工程造价低。

（3）巷道断面优化原则

选定巷道几何形状与支护机构的和谐配套。巷道几何形状的确定既要满足工艺使用上的要求，又要造价低廉，还要与支护结构配套，避免功能重叠而增加造价，降低效益。同时，合理的断面形状能够充分地保护围岩的力学强度，降低支护的难度。

3.1.2 对症下药原则

软岩巷道支护要“对症下药”，没有“包治百病”的支护方法。软岩多种多样，即使宏观地质特点类似的软岩，微观上也千差万别，构成软岩的复合型变形力学机制类型也多种多样。不同的变形力学机制，软岩工程的变形和破坏状况不同，对应的支护对策也不同。只有正确地确定软岩的变形力学机制，找出造成软岩工程变形破坏的“病因”，才能对过“对症下药”支护措施，达到软岩工程与支护的稳定。

3.1.3 过程原则

软岩巷道支护是一个过程，不可能一蹴而就。究其本质原因，软岩工程的变形和破坏是具有复合型变形力学机制的“综合症”和“并发症”，要对软岩工程稳定性实行有效控制，必须有一个从“复合型”向“单一型”的转化过程。这一过程的完成是依靠一系列对症下药的支护措施来实现的。

3.1.4 塑性圈原则

和硬岩工程支护的指导思想不同，软岩工程支护必须允许出现塑性圈。硬岩工程支护是力求控制塑性区的产生，最大限度的发挥围岩的自承能力; 软岩工程支护是力求有控制地产生一个合理厚度的塑性圈，最大限度地释放围岩变形能。这是有软岩的成因历史、成岩环境、成分结构及其岩石力学特性所决定的。

对软岩工程稳定性控制来讲，塑性圈的出现具有三个力学效应：大幅度地降低变形能;减少了应力集中程度;改善了围岩的承载状态。应力集中区向深部偏移，而内部处于三向受力状态，承载能力较强。

塑性圈不能任意自由地发展，必须从两个方面加以控制。

1）控制变形速率。变形速率越慢，围岩在保持原有强度的前提下，允许变形量越大，释放的变形能越大。

2）控制差异性变形。煤系地层中软弱夹层的发育具有普遍性，软弱夹层等结构面具有差异性变形的力学特点，必须加以控制，才能出现均匀的塑

性圈，使支护系统承受均匀载荷。

这里，要建立一个很重要的岩石力学要领，即硬岩工程的塑性圈可以看成松动圈，而软岩工程的塑性圈不一定是松动圈。而且我们的任务就是要寻求一个最佳塑性圈厚度（对软岩巷道支护来讲），即寻求不失去塑性承载能力（不产生松动圈）的塑性圈临界厚度。

上述四个原则互为印证，相辅相成，构成了软岩巷道工程支护原则。

3.2软岩巷道工程支护技术的关键

根据对软岩的基本概念、力学属性、分类及其变形力学机制的研究，软岩巷道之所以具有大变形、大地压、难支护的特点，是因为软岩巷道围岩并非具有单一的变形力学机制，而是同时具有多种变形力学机制的“并发症”和“综合症”—复合型变形力学机制。复合型变形力学机制是软岩巷道变形和破坏的根本原因。因此，要想有效地进行软岩巷道支护，单一的支护方法是难以奏效的，必须采取“对症下药”的符合这种“并发症”、“综合症”特点的联合支护方法。为此，要对软岩巷道实施成功支护，必须运用三个关键技术：①正确确定软岩变形力学机制的复合型; ②有效地将复合型变形力学机制转化为单一型;③合理地运用复合型变形力学机制的转化技术。

不同的变形力学机制类型有不同的支护对策要点，而且软岩巷道类型的共性是具有“并发征”和“综合征”的复合型。因此，支护的关键技术对策是有效地把复合型转化为单一型。由于各软岩“综合征”的内存变形力学机制不同，其转化的对策有所不同，对应的转化技术也不同。因此，要做好软岩支护工作，除了正确地确定软岩巷道变形力学机制类型、有效地转化复合型的变形力学机制之外，要十分注重并合理地运用复合型向单一型转化技术，即与软岩变形过程中每个支护力学措施的支护顺序、时间、效果密切相关，每个环节都将非常关键，必须适应其复合型变形力学机制特点。只有这样，才能保证支护做到“对症下药”，才能保证支护成功。

3.3北皂海域开采软岩巷道的支护建议

根据以上海域巷道破坏的原因分析和软岩巷道的支护原则以及基本支护形

式的特性，北皂矿海域开采软岩支护要遵循以下的支护设计原则：

3.3.1维护和保持围岩的原则

开掘后应及时混凝土封闭岩面，防止围岩风化潮解，减少围岩强度的损失；施工过程中的光面爆破等技术措施，有利于保持围岩的强度。

3.3.2提高围岩残余强度的原则

主要通过以下三个技术途径提高围岩残余强度：

（1）开掘后尽快完成支护的主体结构，提高支护阻力，改善围岩应力状态；

（2）锚杆支护加固围岩；锚杆锚固力越大、密度越高，加固作用更明显；

（3）注浆加固；可采用单独注浆或者外锚内注的锚注式锚杆。

3.3.3充分发挥围岩承载能力的原则

（1）圆形巷道原则；断面形状尽量考虑适应围岩应力场的特点；

（2）全断面支护的原则；软岩巷道必须支护底板；

（3）可伸缩支护原则；如采用U型钢可缩性支架；

（4）二次支护的原则。

根据以上的支护设计原则，建议在海域首采面回采巷道以及下步类似地质条件下的区域内施工的巷道，采取在开掘后喷混凝土，再进行注浆加固锚喷支护配合全封闭大型号U型钢可缩性支架，并在其壁后进行充填可缩材料联合支护形式或采用条带料石碹支护技术与可缩性支架联合支护的方式。这两种支护既具有允许巷道一定的变形，释放部分变形能，提高巷道围岩自身的承载能力，同时在给定变形后能够对巷道围岩提供强有力的支护反力，使巷道围岩趋于三向应力平衡状态，从而达到支护的目的。