软弱夹层顶板巷道围岩稳定与安全控制研究

软弱夹层是巷道掘进经常遇到且十分不利的地质条件,导致在施工安全及长期维护中极易出现顶板离层垮冒等失稳现象,是困扰煤矿顶板安全的重大隐患之一。 本文以典型软弱夹层顶板巷道施工与支护为工程背景,采用实验室岩块实验、平面应变相似材料模拟实验、数值计算、理论分析、计算机编程和工业性试验相结合的方法,系统研究了软弱夹层的基本性能、软弱夹层顶板巷道围岩稳定性规律,提出了软弱夹层顶板巷道施工安全与围岩稳定控制对策。 论文分析了软弱夹层的物理化学特性、工程力学特性,研究了软弱夹层各物理力学参数,特别是层位对该类顶板巷道稳定性的影响机理,在实验室典型岩样力学性能测试基础上,重点研究了水作用下泥化泥岩巷道和动压作用下软弱夹层顶板巷道的失稳特征与破坏机理,详细分析了该类顶板巷道围岩稳定的影响因素权重,提出了软弱夹层顶板巷道安全因子的概念,对顶板安全状况进行了等级划分,并利用计算机编程软件判定后给出加强支护方案,建立了软弱夹层顶板巷道安全控制技术体系,最后通过现场典型工程实例进行了实践检验。得到的主要结论如下: (1)现场钻孔窥视试验表明,顶板软弱夹层主要由厚度不超过300 mm的薄层泥岩、煤线、裂隙带或节理等岩体构成;通过X衍射实验对泥化泥岩组分分析,发现其粘土成分含量很高,超过70%,亲水性极强,易发生泥化现象,在物理、化学、力学等因素作用下,该类岩体极易风化,力学性质和强度显著降低,巷道危险性大大增加。 (2)通过实验室破碎岩块水泥浆固结体实验,得出了砂岩、泥岩水泥浆固结体在不同支护方式下内聚力C与内摩擦角φ的变化规律,随支护强度加大,最初岩性较强的破碎岩块固结体C值不断增大,φ值不断减小,而岩性较弱的破碎岩块固结体C值不断减小,φ值不断增大,为现场支护方式选择及效果评价提供有力依据。 (3)在实验室无水条件岩块力学性质测试基础上,利用FLAC数值计算和理论分析,研究了软弱夹层物理力学性质特别是层位对顶板离层的影响规律,软弱夹层在巷道开挖瞬间失稳,不能继续承载,且其位于锚杆锚固区边缘时顶板离层值最大;结合实验室有水条件下岩块力学性能测试,分析了泥化岩体的泥化特性,并利用FLAC数值计算研究了水作用下泥化泥岩巷道位移场、应力场及渗流场演化规律,巷道位移场受到较大扰动,围岩变形量急剧增加,且变形速度不断加快,水长期作用后锚杆失去锚固作用,围岩承载能力丧失,巷道整体失稳垮冒。 (4)采用实验室平面应变相似材料模拟试验和理论分析,研究了软弱夹层处于不同层位动压作用下顶板离层垮冒的失稳过程和破坏机理,原岩应力作用下巷道基本保持稳定,但受高应力或动压影响(2～3倍原岩应力)时软弱夹层处明显离层,应力不断增高时巷道很快垮冒;水平应力的增大,加快了软弱夹层处的离层,促使巷道失稳垮冒,验证了数值计算得到的结论。 (5)针对软弱夹层顶板巷道失稳破坏的特征,详细分析了各影响因素权重并进行了合理分配,提出了软弱夹层顶板巷道安全因子AQ的概念,反映该类顶板巷道的安全等级,共分五级(非常危险、危险、相对安全、较安全、安全),同时利用计算机VB程序编制了软弱夹层顶板巷道安全状况等级的判定软件,在选取加强控制技术时更具针对性,确保巷道安全和围岩稳定。 (6)建立了软弱夹层顶板巷道安全控制技术体系,主要包括由岩性探测技术、支护监测技术和信息反馈技术组成的软弱夹层顶板巷道安全评判技术体系,以及无水条件下高性能锚杆支护技术和水及动压作用下组合控制技术构成的组合控制技术体系。分别在淮北矿区芦岭矿软弱夹层位于锚杆锚固区边缘无水、许疃矿有水及动压影响典型顶板条件下应用该技术取得良好效果。