煤泥岩硐室群区地质及工程条件评价

2015-12-13刘振宇

机械管理开发 2015年8期

刘振宇

（山西汾西矿业集团南关煤业，山西灵石 031300）

引言

井工硐室及巷道维护的难易程度与工程的开挖深度、围岩地质条件、开挖断面及其他井巷硐室的扰动等有关。其中，井底车场与井筒连接处的马头门处于多条巷道组成的硐室群区，设计断面较大，各类硐室开挖相互扰动，而且服务期限长，服务功能集中复杂，又有可能面临顶板淋涌水等恶劣水文地质条件，因此马头门处的支护往往存在较大的困难［1－3］，本文针对某矿马头门处煤泥岩硐室群区的地质及工程条件进行评价分析，以对它的支护和围岩控制提供针对性指导。

1 工程地质概况及分析

某矿位于山西省霍西煤田中南部，构造体系处于祁吕贺山字型构造前弧东翼，总体为一宽缓的背向斜，轴向倾向NW。该矿进风立井井底马头门底板标高为＋317.227 m，连接处标高＋310.227m。马头门掘进高度4.6～7.4 m，净高4.2～7.0m，掘进宽度6.2 m，净宽5.3 m，长度21.5m。马头门顶板为黑色泥岩，厚2.9m，顶板之上为一层厚度为1.4m 的5号煤层，再往上是7.7m 厚的黑色泥岩和5.5m 厚的灰色厚层状细砂岩，具体的层柱状图如下页图1 所示。支护采用普通锚杆索混凝土浇筑，混凝土厚度450mm。

本工程属于典型大断面复杂硐室群区掘进与支护工程，由于埋藏深，地应力大，且井筒连接处围岩为泥岩与煤线组成的组合煤岩体，强度低、承载能力差，且马头门巷道围岩为软弱泥岩且遇水易泥化膨胀，加上井筒淋水严重，导致南北两侧马头门围岩更加软弱破碎，节理发育，整体强度降低，支护存在较大困难。

硐室群与一般巷道相比，具有断面大、变化多、结构应力复杂、服务年限长等特点，支护困难。如果井筒水文地质条件复杂，淋水较大，特别是在水溶性软弱膨涨煤泥岩条件下，遇水后将有可能发生膨胀、崩解、软化、泥化等恶化趋势，使巷道围岩自承能力极速下降，造成巷道的大变形破坏，将会给硐室群支护带来非常大的困难。

2 煤岩体物理力学性质实验

2.1 典型围岩岩样采集

马头门巷道软弱围岩岩石物理力学性质测定是地质及工程条件评价的基础，顶板岩芯取样地点的选取应该满足以下条件：取样地点五米内没有断层破碎带等地质构造；取样地点的围岩条件应该较好，没有出现由于掘进造成的破碎离层等现象；所取岩样应该尽量大，以满足实验室的标准岩样的制备。

图1 马头门处地层柱状图

经过对进风井马头门巷道现场的调研勘察，初步确定在马头门巷道的南北两段分别确定一个取样地点，由于本区域的5号和6号煤强度较低，无法完成取样，取样岩层选定同为5号煤底板与6号煤顶板的一层岩层。位置分别为：1号岩样取样点选定在南侧马头门的信号硐室内，2号岩样取样点选定在北马头门巷道的一侧。岩样尺寸要求在300mm×300mm×300mm 以上，新鲜且裂纹分布较少，总数为3块，用尼龙口袋装上并送到地，以便进行岩样的物理力学等测试。

2.2 岩样实验参数及测试结果

本次实验主要测试项目包括：岩石的单轴压缩及变形实验、岩石劈裂实验以及岩石剪切实验。主要应用WEP－600型液压式屏显万能实验机及辅助工具对岩样加载测试，根据测得数据得表1～表3所示5号煤层底板岩层抗拉强度、单轴抗压强度、抗剪强度、岩体粘结系数、弹性模量、内摩擦角、普氏强度系数等物理力学性质参数值。

表1 5号煤层底板岩层抗压强度表

表2 5号煤层底板岩层抗拉强度表

表3 5号煤层底板岩层抗剪强度表

3 煤泥岩硐室群区地质及工程条件评价

3.1 地质条件评价

根据我国工程岩体分级标准（GB 50218—94），结合实验室测试出来的岩层物理力学参数，对5号煤层底板进行分类。岩石质量指标公式：

式中：QB为岩体质量指标；RC为岩体单轴饱和抗压强度值，19.22 MPa；Kv为岩体完整性指数值，取0.45。

则可以计算得：

5号煤层底板岩层作为该巷道的主要承载围岩，根据我国岩体基本质量分级标准，该围岩属于Ⅳ级岩体，属较软岩或软硬岩互层，岩体较破碎，加之在其上下分别赋存有5号煤和6号煤，整体地质条件为软弱岩体。

3.2 工程条件评价

本巷道所处的工程条件可从以下几个方面重点阐述：首先，工程地质条件方面，本巷道所处的围岩为泥岩与煤线互层区域，泥岩体抗压强度较低，仅为19.22 MPa，其普氏系数f值也仅仅为1.9，加之该矿上跑蹄进风井连接处还有5 号和6号煤层，整体围岩强度较低，工程地质条件较差。其次马头门治理工程本身就是煤矿建设工程中条面的情况。对于巷道支护来说人为增加了一些难度，同时由于马头门巷道是煤矿巷道服务期限较长的区域，从稳定性和支护强度上对支护的要求较其它巷道要高。最后从工程空间条件方面，本巷道所处区域为矿井巷道空间结构最为复杂的地段，周围50m 内立体分布有竖向井筒、310水平三条开拓巷道、井底车场巷道、井下变电所、候车硐室、安全通道、管子道以及液压硐室和信号硐室等多条巷道和硐室，空间结构非常复杂，对于巷道所处区域的地应力影响较大，空间应力条件非常复杂。