深井软岩巷道矿压观测实例分析与研究.docx

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深井软岩巷道矿压观测实例分析与研究

——朱集矿1111

（1）运输顺槽底抽巷矿压观测规律总结

1前言

深井软岩巷道的支护问题长期以来就是制约深部矿井安全开采的瓶颈，如何做好深井软岩巷道的矿压观测工作，掌握深井软岩巷道的围岩活动规律对解决深井支护问题具有重要的指导意义。

自2010年3月起，中国矿业大学锚杆强化支护课题组，在淮南矿业集团公司朱集矿1111

（1）工作面运输顺槽底抽巷进行了长期的矿压观测，此次观测取得了大量原始数据，对该巷道在锚联网、架棚、锚索梁及滞后锚索加强等不同支护条件下的围岩表面收敛、深部岩层位移及巷道围岩破坏分区规律进行了分析研究，研究结果对此类条件下的其他巷道具有指导作用。

1.1工程地质概况

朱集矿1111

（1）工作面运输顺槽底板瓦斯抽排巷设计标高-855m～-927m，设计长度1767.6m，开口位于东翼13-1#煤层底板回风大巷（北）内，距HE33点向东16.3m处为底抽巷拨门中施工。

拨门后依次按+3‰坡度施工57.6m；24°下山施工179.675m（平距）；+3‰坡度施工30m；2°上山施工736.575m；-3‰坡度施工30m；1°下山施工733.750m。

观测区域的巷道总长度103m，如图1-1-1所示。

图1-1-11111

（1）工作面运输顺槽底抽巷平面示意图

1.1.1巷道断面及形状

1111

（1）工作面运输顺槽底抽巷断面形状为直墙半圆拱形，采用锚联网支护形式时净宽×净高=4400×3400mm，采用架棚支护方式时净宽×净高=4200×3500mm，巷道掘进断面面积18m2，净断面面积16.72m2。

1.1.2巷道层位

上平巷段巷道顶板距上覆13-1#煤层底板法距21.3m；施工62.4m后，按24°倾角下山施工，穿过11-1#、11-2#煤层进入煤层底板至标高-927.769m后开始水平或缓倾角施工，巷道底板距11-2#煤层法距为18.1m~24.2m。

1.1.3巷道顶底板岩性

巷道自按24°下山落平开始至DF100断层（736.5m），巷道顶板均为大于7m的泥岩，泥岩为:

灰~灰绿色，泥质结构，厚层状、块状，自DF100断层至巷道结束（763m）巷道顶板为粉砂岩和砂岩，整条巷道底板以砂岩和粉砂岩为主，粉砂岩：

灰~灰绿色，薄层状，粉砂岩为主，含泥质薄层，局部为泥质胶结，水平层理发育；细砂岩：

浅灰色~灰色，成分以石英为主，次为长石及暗色矿物，致密、较硬，局部含粉砂质成分。

1.1.4巷道掘进区段地质构造

预计掘进区段的岩层总体为宽缓的背斜，倾向变化较大，自起始点DF100断层范围段（煤）岩倾向为205°~245°，倾角2°~3°；DF100断层以北段预计（煤）岩倾向为330°~352°，倾角2°左右。

根据三维地震勘探资料，掘进区段有DF100、DF101等小断层发育，且巷道的北边界受F29断层控制。

观测区域的柱状图如图1-1-2所示。

图1-1-21111

（1）工作面运输顺槽底抽巷矿压观测区域柱状图

1.1.5瓦斯地质

掘进块段内11-2煤层平均煤厚1.31m，瓦斯含量为1.60~7.25m³/t，△P=6～10，突出综合指标k=9.52～17.86。

1.1.6水文地质

该区段主要出水为顶底板砂岩裂隙水，11-2#煤层顶板发育多层砂岩，厚度一般在1.0~2.0m，单层最厚为10.0m，11-2煤层底板砂岩发育，单层厚达31.7m，根据周边井田度该含水层水文调查，巷道涌（突）水量为0~74.0m³/h，一般为0.5~4.5m³/h，由于该区段11-2#煤层顶底板砂岩距第四系含水层与太原组灰岩含水层距离较远，水力联系较弱，11-2#煤层顶底板砂岩水以静储量为主，出水时水量一般较小，出水延时不长，出水后很短时间水量便达到峰值，然后迅速减少、易于疏干。

1.1.7地温

本区地温梯度在2.4°～3.3°/hm，掘进区段温度在37.2℃～44.8℃。

1.2巷道支护形式

1.2.1支护类型

巷道以锚联网支护为主，过断层、岩石破碎带时采用架29#U型钢金属棚支护或加喷70mm混凝土，钻场附近采用锚索梁支护。

1.2.2支护材料及规格尺寸、参数

表1-2-1锚联网支护材料及规格尺寸、参数

序号

支护材料

规格尺寸

锚杆、锚索

高强Φ20×2200mm、Φ22×6300mm

钢筋网

Φ6.5×1750×930mm

锚固剂

顶Z2350每眼2根、帮Z2850每眼2根

喷射混凝土

厚度70mm，强度C20

钢筋网压茬

100mm

锚杆间排距

800×800mm

14#槽钢

5000mm

表1-2-2网架支护材料及规格尺寸、参数

序号

支护材料

规格尺寸

29#U型棚

5400×4100mm、4200×3500mm

梁腿搭接长度

500mm

拉条

每棚槽钢4道

卡缆

每棚4副、间距300mm

钢筋笆片

Φ10×860×560mm

棚距

700mm

腿窝深度

水沟侧500mm，另侧250mm

2观测内容和测站设置

2.1观测内容

1111

（1）工作面运输顺槽底抽巷矿压观测的主要内容包括巷道表面收敛、深部围岩位移和深部围岩分区破坏等内容。

（1）巷道表面收敛。

巷道表面收敛是反映巷道表面位移的大小及巷道断面缩小程度，具体包括顶板下沉量及下沉速度、底鼓量及底鼓速度，通过对巷道掘进全过程围岩移近的观测，得出巷道变形全过程速度、变形曲线。

（2）巷道围岩深部位移观测。

掌握巷道顶板和两帮6m范围内围岩的位移变化量及变形速度，研究巷道围岩结构的稳定性规律，判断顶板离层情况以及为确定锚杆合理支护的参数提供依据。

（3）巷道深部围岩分区破裂监测。

掌握巷道深部10m范围内围岩的破碎分区分布状况，通过钻孔窥视仪分析得出巷道松动圈的大小，破碎围岩分区的发育及演化规律。

2.2测站设置

中国矿大课题组在朱集矿1111

（1）工作面运输顺槽底抽巷103m范围内共设置表面位移测站3处（KD1、KD2、KD3），多点位移测站3处（LC1、LC2、LC3），钻孔窥视测点2处（每断面施工7孔），各测试内容及平面分布如图2-2-1所示。

表面收敛测站设置时KD3点紧跟3月18日迎头，此时KD1、KD2处巷道已分别掘出10天、5天，各测点均于3月18日设置测点当天就开始量测。

多点位移测站设置时LC1点紧跟3月6日迎头，LC2、LC3于3月21日安装，此时LC2、LC3测点所处巷道已分别掘出8天、3天，各测点均于设置当天就开始量测。

图2-2-11111

（1）工作面运输顺槽底抽巷测点分布示意图

2.3矿压观测仪器

1111

（1）工作面运输顺槽底抽巷的矿压观测仪器主要有测试巷道表面收敛的专用短锚杆配带钩螺母、多点位移计、锚索测力计、钻孔窥视仪、测杆等仪器，如图2-3-1所示，所耗材料见表2-3-1。

其中除钻孔窥视仪为大型非一次性消耗性仪器外，其余仪器均为一次消耗性物品。

此外，为对巷道围岩控制效果进行图像记录，配置了尼康D50专用相机。

对矿压观测数据编制了专门处理软件。

（a）多点位移计（b）钻孔窥视仪

（c）锚杆索测力计

图2-3-1常用矿压测试仪器

表2-3-11111

（1）工作面运输顺槽底抽巷矿压测试仪器消耗表

序号

仪器名称

规格尺寸

数量

备注

短锚杆

Φ20×800mm

15套

3个断面

螺母

M22

15套

焊制带钩

多点位移计

KDW-2

2套

6m多基点

单点位移计

LBY-3D

3套

6m，2.5m双基点

锚索测力计

量程60MPa

3套

量测锚索受力

钻孔窥视仪

TJGD20型

1套

配12m测杆

塔尺

1套

量测巷道高度

卷尺

1套

量测巷道宽度

测绳

80m

1卷

布置测点

相机

尼康D50型

1台

拍照

3巷道表面收敛规律

3.1巷道两帮位移规律

3.1.1巷道两帮位移量演化规律

通过近两月的矿压观测后，1111

（1）工作面运输顺槽底抽巷在三个测点处的两帮变化实测规律如图3-1-1所示。

各测点的初始数据观测日期与巷道掘出的时间对应日期分别为：

KD1#测点第10天、KD2#测点第8天、KD3#测点第1天，图中的数据为对应天数后的绝对增量，不包括巷道掘出日至矿测日期之间的位移量。

图3-1-1两帮位移演化规律

由图3-1-1可得出如下规律：

1）巷道掘出一个月后，3个测点处的两帮位移均未达到稳定，尤其是KD3＃测点掘出时间已达32天，但两帮位移仍在增加。

从KD1＃和KD2＃测点来看，巷道掘出约35天后两帮位移逐渐趋缓。

2）KD3＃测点的两帮累计位移量最大，达到215mm，KD1＃测点与KD2＃测点的两帮位移量基本相近，分别为58mm和60mm。

3）KD3#测点的两帮位移量远大于KD1＃和KD2＃，这和此处接近断层带且与开始观测时间即为成巷时间有关。

4）由于KD1＃、KD2＃测点开始观测时巷道已掘出10天和5天，造成了图中巷道的初始两帮位移量小，使得这两个测点处的累计位移量明显小于KD3#。

3.1.2巷道两帮位移速度演化规律

通过近两月的矿压观测后，1111

（1）运输顺槽底抽巷三个测点处的两帮移规律速度演化规律如图3-1-2（a）～（c）所示。

（a）KD1＃测点两帮位移变化速度

（b）KD2＃测点两帮位移变化速度

（c）KD3＃测点两帮位移变化速度

图3-1-2两帮位移速度演化规律

由图3-1-2各图可得出如下规律：

1）至观测结束，KD1#、KD2#测点两帮位移速度均呈现出逐步减缓的趋势，在巷道掘出40天时，位移达到初步稳定，各测点位移速度均小于1mm/d，KD3#测点在巷道掘出25天后尚未达到速度稳定。

2）各基点的两帮最大位移速度及对应成巷时间分别为：

1＃测点，5mm/d，第13、14d；2＃测点，11mm/d，第13d；3＃测点，22mm/d，第1d。

3）各基点的两帮位移变化速度均呈现出周期性衰减的变化规律，巷道掘出初期，震荡幅度大，周期短，大至在3到5d；随着巷道掘出的时间增长，震荡衰减的周期明显增大，衰减幅度急剧减小。

以KD1＃测点为例，巷道掘出40d内，两帮位移速度共出现3个震荡衰减周期，3个震荡衰减的周期分别为2d、5d和14d，衰减周逐步增大；各衰减周期内的最大位移速度由5mm/d逐步减小至2mm/d、1.25mm/d、1mm/d、0.43mm/d。

4）巷道两帮移近速度曲线符合深井软岩典型变化曲线的特征，如KD1#和KD2#测点均出现的两阶段变化规律，其中：

1#测点在巷道掘出15天后两帮位移趋于第一次稳定，稳定时间约10天，最大位移速度5mm/d；在巷道掘出28天后进入第二次显著增量期，最大位移速度2mm/d。

KD2#测点在巷道掘出14天后两位移趋于第一次稳定，此间最大位移速度11mm/d；在巷道掘30天后进入第二次显著增量期，最大位移速度1mm/d。

5）巷道顶板关键部位施工锚索对两帮的位移影响较小。

3.2巷道顶底板位移规律

3.2.1巷道顶底板位移量演化规律

通过近两月的矿压观测后，1111

（1）运输顺槽底抽巷三个测点处的顶底板位移、底臌量及顶板下沉演化规律如图3-2-1（a）～（c）所示。

图3-2-1中各曲线的数值仅代表自观测日起之后的位移增量。

（KD3安设后遭到破坏）

（a）顶板底累计移近量

（b）底臌累计移近量

（c）顶板下沉累计移近量

图3-2-1顶底板位移演化规律

由图3-2-1各图可得出如下规律：

1）巷道掘出近两个月后，2个测点的顶底板移近、底臌及顶板下沉数值仍保持增长的趋势，但增长趋势明显减缓。

各测点顶底板移近、底臌累计移近量和顶板下沉累由大到小的顺序分别为KD2＃和KD1＃。

2）50m范围的观测区域内顶底板移近、底臌及顶板下沉量的最大值分别为495mm（2＃测点）、389mm（1＃测点）和110mm（1＃测点）；平均值分别为471mm、387mm和84mm。

底臌占到顶底板移近的80%以上。

3）顶板关键部位施工锚索对控制顶板下沉的作用显著。

KD1＃、KD2＃测点均在巷道掘出15d后施工了关键部位的锚索，施工锚索前顶板的下沉累计移近量分别为48mm和88mm，施工锚索后的15d内顶板下沉增加量明显下降，分别为10mm和22mm。

3.2.2巷道顶底板位移速度演化规律

KD1、KD2＃两个测点处的顶底板位移速度、底臌量速度及顶板下沉速度演化规律如图3-2-2（a）、（b）所示。

（a）KD1＃测点顶底板位移变化速度

（b）KD2＃测点顶底板位移变化速度

图3-2-2顶底板位移速度演化规律

由图3-2-2各图可得出如下规律：

1）巷道掘出近两个月后，两个测点的顶底板移近、底臌及顶板下沉速度均呈现出减缓的趋势，其中顶板下沉趋于稳定，但底臌速度尚未完全稳定，速度变化在0.57mm/d左右。

2）KD1#、KD2＃测点的顶板下沉最大速度分别18mm/d和14mm/d，两个测点的平均最大下沉速度16mm/d。

最大下沉速度值分别出现在巷道掘出11天和8天后。

3）KD1#、KD2＃测点的底臌最大速度分别为41mm/d和90mm/d，两个测点的平均最大底臌速度65.5mm/d，为顶板最大平均下沉速度的4.1倍速。

最大底臌速度值分别出现在巷道掘13天和6天。

4）顶板施工锚索后对顶板下沉量有明显控制作用。

KD1＃测点在巷道掘出15d后施工了关键部位的锚索，施工锚索前顶板的平均下沉速度为9.5mm/d，施工锚索后15d内顶板下沉速度明显下降，平均下沉速度为1.68mm/d。

3.3巷道表面收敛规律分析

1111

（1）工作面运输顺槽底抽巷40天范围内的围岩两帮收敛规律和顶底板收敛规律典型曲线分别如图3-3-1和图3-3-2所示。

（1）巷道表面收敛值由大到小的顺序为顶底板移近量（495mm）、底臌量（385mm）、顶板下沉量（110mm）、两帮移近量（60mm），两帮位移量明显小于顶底板移近量，前者约为后者的八分之一，底臌量占顶底板移近量的80%以上。

（2）按照巷道两帮位移收敛的速度，两帮的位移演化规律可分为四个时期：

第一区间，变形急剧期，第0~8天，平均位移速度4.88mm/d；第二区间，第一次变形稳定期，第8~12天，平均位移速度0.13mm/d；第三区间，第二次变形剧烈期，第13~18天，平均位移速度0.69mm/d；第四区间，第二次变形稳定期，第19天以后，平均位移速度1.35mm/d。

具体分区见表3-3-1。

图3-3-1巷道两帮收敛演化规律

表3-3-1巷道两帮移近分区及平均速度一览表

序号

区间名称

时间段/d

两移近速度/mm·d-1

备注

变形急剧期

0~8

3.5

第一次变形稳定期

8~12

2.25

第二次变形剧烈期

13~18

3.6

第二次变形稳定期

19~

1.0

（3）巷道顶底板移近也可以分为四个区间：

即变形剧烈期、变形缓和期、变形稳定期和微变形期。

顶底板移近、底臌和顶底下沉在各区间的指标见表3-3-2。

图3-3-2巷道顶底板收敛演化规律

表3-3-2巷道顶底板移近分区及平均速度一览表

区间名称

时间段/d

顶底板移近速度

/mm·d-1

底臌速度

/mm·d-1

顶板下沉速度

/mm·d-1

剧烈期

5~10

46.6

10.6

缓和期

11~16

25.8

18.8

稳定期

17~30

1.5

5.25

5.57

微变形期

30~

1.33

3.32

4.64

4巷道顶板深部围岩位移规律

4.1巷道顶板深部围岩位移量演化规律

中国矿大锚杆强化支护课题组与朱集矿工程技术人员分别在1111

（1）运输顺槽底抽巷设置多点位移计3处，如图4-1-1所示，各测站多点位移计布置方式如图4-1-2。

多点位移测站设置时LC1点紧跟3月8日迎头，LC2、LC3于3月21日安装，此时LC2、LC3测点所处巷道已分别掘出8天、3天，各测点均于设置当天就开始量测。

对该巷道的顶板深部围岩进行了共计40余天的连续观测，各测站的顶板深部围岩位移演化规律如图4-1-3（a）、（b）、（c）所示。

图4-1-1顶板多点位移计位测站设置

图4-1-2各测点多点位移计布置方式

（a）LC1＃测站

（b）LC2＃测站

（c）LC3＃测站

图4-1-3各测站多点位移计位移演化规律

由图4-1-3中LC1#、LC2#和LC3#各基点的位移量变化曲线可得出以下规律：

1）三个测站内1～6m的各点位移量至观测结束时均保持增长趋势，但增长量明显减少，增长趋于稳定。

至观测结束时LC3#测站的各基点位移增量大于LC1#、LC2#测点的各测点数值，6m、2.5m基点范围内的围岩最大累计位移量分别为124mm、24mm。

2）LC1＃、LC2＃和LC3#测站各基点之间的绝对离层值见表4-1-1。

表4-1-1巷道深部围岩各基点间绝对离层值/mm

测站

0~2（2.5）

2~4

4~5

5~6（2.5~6）

LC1#

LC2#

—

LC3#

—

115

①由表4-1-1可见，LC2#、LC3#测点2.5m基点范围内的围岩未发生明显离层，LC2#和LC3#测站离层量分别仅为24mm和9mm，表明此时架棚已起到主要受力作用，而2.5~6m范围内，顶板离层较大，LC2#和LC3#测站离层量分别为43mm、115mm，占6m范围内围岩扩容量的64%和93%，表明此时锚索已起到主要受力作用，深部离层值大体反应了锚索的拉伸量。

而LC1#处2m范围内的离层值为12mm，占总离层值的43%，可见2m范围内为锚杆受力拉伸区。

②LC1＃测站2～6m范围内的围岩绝对扩容量仅为16mm，且2m以上各相邻基点间的增量并不大，说明该范围内的岩层受掘进干扰程度较低，2m以上岩层基本稳定，顶板呈整体均匀下沉；相反，LC2＃、LC3#测站2.5～6m范围内的围岩扩容量达到43mm、115mm，表明架棚段已对浅部围岩顶板起到较好的控制作用，而深部围岩已出现明显的离层，需要及时补充锚索进行加强支护

③顶板关键部位施工的锚索对控制顶板位移有显著作用。

如LC3#在监测第十天时进行了锚索补打，6m范围以内岩层在施工锚索前10天累计位移量达到99mm，施工锚索后的20天内6m基点的岩层位移量124mm，后20天内位移增量为25mm，仅为前10天内增量的1/4左右。

④采用锚网索联合支护的LC1#处测点的最大离层值仅为28mm，而采用架棚支护的LC3#处测点的最大离层值为124mm，比较LC1#和LC2#、LC3#的6m最大顶板离层量可以看出，在深井软岩巷道的情况下，如若顶板不是十分破碎，采用锚网索联合支护可取得较好的支护效果和经济效益。

4.2巷道顶板深部围岩位移速度演化规律

三测站内各基点的位移速度演化规律分别如图4-2-1（a）、（b）、（c）所示。

1#测站各基点位移速度变化规律分别如图4-2-2（a）～（d）所示。

（a）LC1＃测站

（b）LC2＃测站

（c）LC3＃测站

图4-2-1顶板深部围岩位移速度演化规律

（a）1＃测站2m基点

（b）1＃测站4m基点

（c）1＃测站5m基点

（d）1＃测站6m基点

图4-2-2LC1#测站顶板各基点位移速度演化规律

由图4-2-1和图4-2-2各图可得出以下规律：

1）至观测结束时，巷道掘出40天后，顶板不同深度范围内的围岩位移速度基本达到稳定，巷道顶板6m范围内各基点的位移变化速度均小于0.1mm/d。

2）以1#测站为例，顶板2m、4m、5m、6m基点处的最大位移速度分别为1.0mm/d、2.0mm/d、2.0mm/d和2.5mm/d，分别出现在巷道掘出的第4天、第4天、第4天和第17天，即顶板5m以内的岩层在巷道掘出4天后下沉速度达到最大，5m以上岩层在巷道掘出17天后下沉速度达到最大。

3）巷道顶板离层变化符合典型深井软岩变化两阶段的规律，按照不同变形位移速度，顶板深部围岩可分为变形剧烈期、缓和期、二次剧烈期和微变形期四个时期，具体划分时间见表4-2-1：

表4-2-1顶板深部围岩活动分区标准

序号

区间名称

时间段/d

平均离层速度/mm·d-1

备注

剧烈期

0~8

1.125

缓和期

9~15

0.75

二次剧烈期

16~24

1.23

微变形期

24~

0.1

5深部围岩破坏分区规律

5.1观测方案及测站设置

围岩破坏分区采取的观测仪器为钻孔窥视仪。

共设置两个断面，每断面7孔，顶区孔深10m，孔径Φ32mm帮孔深2m，孔径Φ42mm，测站设置如图5-1-1所示。

顶部采用锚索机钻孔，帮部采用风锤钻孔。

钻孔的布置如图5-1-2所示。

图5-1-1钻孔窥视测站布置示意图

4400

图5-1-2KS1＃、KS2＃测站钻孔窥视孔实际施工参数图

5.2围岩破坏分区图

5.2.1围岩破坏程度分类

根据钻孔窥视观测的围岩内部的破坏程度，将孔内围岩的破坏程度分为严重破碎（围岩呈大块状）、中等破碎（围岩呈中等块度）、轻度破碎（围岩呈碎鱼鳞状）、松散、离层（或裂隙）、完整共六种情况，分别如图5-2-1所示。

严重破碎

中等破碎

轻度破碎

松散

裂缝

完整煤岩

孔底

图5-2-1钻孔窥视围岩破碎分类图像

5.2.2围岩破坏程度分区图

根据钻孔窥视观测，将孔内围岩的破坏程度沿钻孔由内向外依次描绘在图5-2-2（a）、（b）上。

可得到两测站处的围岩破坏程度分区图。

（a）KS1#测站

（b）KS2#测站

图5-2-2钻孔窥视围岩破坏分区示意图

5.3深部围岩破坏分区规律

（1）巷道两帮的破碎范围超过2m，顶区的破碎范围超过2.5m，破碎程度多为严重破碎。

（2）KS1＃测站围岩松动圈在2.0m～2.5m之间，1m和3m范围处各发育有一条裂隙；2＃测站围岩松动圈在2.2m～2.5m之间，顶板岩层在1.4m、2.5m和3.6m范围处各发育一条裂隙。

（3）巷道的右肩窝岩性最差，KS1＃和KS2＃测站分别在5.5m和7.1m时方进入稳定岩层中。

（4）KS1＃测站顶板2.8m～4.2m范围之外的岩层进入稳定区，2＃测站0.8m～5.5m范围之外的岩层进入稳定区。

6结论

6.1矿压规律总结

通过对1111

（1）工作面运输顺槽两个月的矿压观测，可得出以下规律：

（2）巷道两帮位移变化符合典型深井软岩变化两阶段的规律，整个观测期可分为四个区间，见表6-1-1。

表6-1-1巷道两帮移近分区及平均速度一览表

序号

区间名称

时间段/d

两移近速度/mm·d-1

备注

变形急剧期

0~8

3.5

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