弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖劣化機(jī)理及巷道支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

劉統(tǒng)申 崔永江 張聯(lián)升

（內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016200）

軟巖巷道頂板大變形及底板底鼓問題是煤礦生產(chǎn)過程中的一項(xiàng)技術(shù)性難題[1]。上海廟礦區(qū)煤層圍巖強(qiáng)度低，膠結(jié)性差，表現(xiàn)出軟巖的非線性變形特性[2]，巷道頂?shù)装宄尸F(xiàn)出多種圍巖劣化效應(yīng)，頂板持續(xù)變形、底板底鼓、支護(hù)結(jié)構(gòu)失效，嚴(yán)重阻礙了煤礦高效生產(chǎn)。

在軟巖圍巖劣化治理過程中，相關(guān)領(lǐng)域的國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的探索研究，這其中包括圍巖松動(dòng)圈理論[3]、聯(lián)合支護(hù)理論[4]、新奧法理論[5]等。在軟巖巷道底鼓控制研究過程中，何滿潮等[6]提出建立巷道頂板、兩幫、底角三者聯(lián)合支護(hù)體系，可以對(duì)巷道底鼓進(jìn)行有效控制；SUN Jin 等[7]研究了巷道底板切槽卸壓的方式控制底鼓變形；文志杰[8]建立了巷道底鼓力學(xué)模型，提出了一種新型反底拱支護(hù)方案。

綜上，在軟巖巷道圍巖劣化防治領(lǐng)域國內(nèi)外學(xué)者取得了一系列研究成果，但由于地質(zhì)條件的復(fù)雜多樣以及理論計(jì)算存在的局限性，導(dǎo)致目前軟巖巷道頂?shù)装蹇刂祁l繁失效。為此，以榆樹井煤礦為研究背景，采用鉆孔成像儀對(duì)煤巷軟巖破壞結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)，確定巷道松動(dòng)圈范圍，基于力學(xué)理論建立底板層裂結(jié)構(gòu)模型，得出巷道底板劣化機(jī)制。在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步優(yōu)化頂板支護(hù)參數(shù)和底板支護(hù)結(jié)構(gòu)，并通過現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證該方案的有效性，為類似圍巖條件的煤礦提供相關(guān)參考。

1 工程概況

榆樹井煤礦工作面埋深約400 m，主采8 煤層，平均厚度2.2 m，屬于穩(wěn)定性中厚煤層。煤層頂?shù)装鍨槟鄮r、砂質(zhì)泥巖等，強(qiáng)度低，膠結(jié)性及自承能力差，屬于典型的軟巖。巷道頂板出現(xiàn)變形破碎、底板底鼓破壞，淋水加劇了巷道底板泥化。

2 巷道破壞特征及機(jī)理分析

2.1 巷道圍巖結(jié)構(gòu)分析

采用鉆孔數(shù)字?jǐn)z像測(cè)量系統(tǒng)對(duì)巷道圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)。在巷道斷面的頂部2.51 m、右?guī)?.87 m、左幫1.25 m 處，通過鉆孔窺視均發(fā)現(xiàn)了橫向裂隙發(fā)育。橫向裂隙的發(fā)育范圍可視為松動(dòng)圈的范圍[9]，由此可知，該斷面松動(dòng)圈范圍約為1.25～2.51 m。除巷道左幫松動(dòng)圈范圍小于1.5 m，其他各孔松動(dòng)范圍均大于1.5 m。根據(jù)圍巖松動(dòng)圈理論可知，該測(cè)試巷道巖層屬于Ⅴ類不穩(wěn)定圍巖（軟巖），圍巖自身承載能力較差。

采用壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)煤層頂?shù)装鍙?qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，分析煤層頂?shù)装宓膰鷰r承載能力。采用飽和狀態(tài)下頂?shù)装鍘r石的單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)定，分析頂?shù)装屣柡臀疇顟B(tài)下的破碎情況。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 頂?shù)装辶W(xué)性能

由表1 可知，煤層頂?shù)装逭顟B(tài)下抗壓強(qiáng)度平均值分別為5.58 MPa 和3.94 MPa?？紤]到頂?shù)装鍘r層在采動(dòng)擾動(dòng)、水理作用下，實(shí)際強(qiáng)度將會(huì)更低，承載能力將會(huì)更弱。

2.2 變形破壞原因分析

1）煤層頂?shù)装鍨槟鄮r、砂質(zhì)泥巖等，強(qiáng)度低，膠結(jié)性及自承能力差。采用D/Max-3B 型X 射線衍射儀[10]對(duì)頂?shù)装鍘r樣成分進(jìn)行分析，高嶺石和蒙皂石的平均含量較高。其中，蒙皂石具有很強(qiáng)的吸水性和吸水膨脹性，受地下水的影響，易引起圍巖變形導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)失效。

2）巷道支護(hù)方式及參數(shù)不合理，支護(hù)強(qiáng)度不能滿足要求，造成支護(hù)系統(tǒng)的破壞失效，穩(wěn)定性下降，圍巖移近量增大。

3）工作面受應(yīng)力疊加及動(dòng)載擾動(dòng)影響。

2.3 基于弱膠結(jié)結(jié)構(gòu)的底鼓機(jī)理

由上海廟礦區(qū)巷道變形破壞情況分析可知：垂直應(yīng)力通過巷幫傳遞到底板圍巖，底板圍巖同時(shí)受到水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力影響，在其影響下，裸露的底板為應(yīng)力集中及向上的變形破壞提供了條件。由于煤巖體自身存在缺陷，巷道的開挖使得缺陷得以擴(kuò)展[11]，加之層狀巖體存在力學(xué)性能差的天然弱面，因此大量次生裂紋在底板弱面處得以發(fā)育。而且，受地下水影響，底板巖層發(fā)生水理作用，產(chǎn)生軟化、膨脹使得缺陷局部拉應(yīng)力集中，缺陷邊緣沿水平應(yīng)力方向產(chǎn)生大量張性翼裂紋[12]，如圖1（a）所示。在壓應(yīng)力作用下，翼裂紋將沿軸向方向擴(kuò)展并聯(lián)合，在巷道底板弱面處產(chǎn)生大量宏觀拉伸裂縫，形成層裂結(jié)構(gòu)，如圖1（b）所示。

圖1 巷幫壁面附近層裂結(jié)構(gòu)形成示意圖

在底板的層裂結(jié)構(gòu)形成后，底板穩(wěn)定性可簡化為薄板的穩(wěn)定性。為便于分析受力，截取軸向方向長度b的單位長度巷道圍巖進(jìn)行研究。因直接底巖層在與煤幫、巷旁支護(hù)體的相交處破斷，根據(jù)彈性力學(xué)薄板理論[13]，可將其視為兩對(duì)邊簡支、兩對(duì)邊自由的薄板。底板簡化模型如圖2。

圖2 底板層裂結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)圖2 結(jié)構(gòu)示意圖，第i層底板的壓曲微分方程[14]：

式中：px為巷道底板單位長度所受的均布載荷，N·m；μ為泊松比；ti為第i層底板的厚度，m。將式（1）、（3）聯(lián)立可得：

根據(jù)彈性板殼的雙三角級(jí)數(shù)法，可得[16]：

式中：n為任意正整數(shù)；An為待定系數(shù)；a為底板巖層的寬度，m。

將式（3）代入式（4）可得：

式中：E為巖層的彈性模量，GPa；t為巖層厚度，m；μ為巖層的泊松比。

將式（9）代入式（8）可得：

根據(jù)文獻(xiàn)[15]可知，水平應(yīng)力為底板失穩(wěn)破壞的主要誘發(fā)因素，則失穩(wěn)條件為底板所受水平應(yīng)力σ大于其臨界應(yīng)力σc，即：

式中：σ為圍巖層裂區(qū)域內(nèi)壓應(yīng)力[17]。結(jié)合上海廟礦區(qū)應(yīng)力環(huán)境，該應(yīng)力主要為靜應(yīng)力σx矢量，則底板失穩(wěn)條件可轉(zhuǎn)化：

根據(jù)礦山壓力理論，在原巖應(yīng)力下σx=[μ/（1-μ）]γH，考慮到掘巷后應(yīng)力的重新分布，則σx可大致計(jì)算[18]：

將式（10）（13）代入式（12）可得：

由式（14）可知，巷道底板失穩(wěn)的臨界應(yīng)力與底板施加的靜態(tài)載荷之間的相對(duì)大小關(guān)系是巷道底板穩(wěn)定的決定性因素。巷道使用過程中，在圍巖應(yīng)力及水理作用雙重作用下，底板出現(xiàn)層裂失穩(wěn)、泥化，因此應(yīng)制定相應(yīng)的專項(xiàng)防治措施。

3 巷道支護(hù)方案參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 巷道頂板支護(hù)參數(shù)確定

目前常用的煤巷支護(hù)設(shè)計(jì)主要包括三種：工程類比法、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法、理論計(jì)算法。其中前兩種方法存在諸多不確定性，容易影響最終的支護(hù)效果。極限平衡法是在巷道未破碎前，使用錨桿索進(jìn)行支護(hù)，從而達(dá)到控制圍巖變形的作用[11]。其中錨桿錨索的支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)采用普氏冒落拱原理作為數(shù)學(xué)模型，其力學(xué)模型如圖3。

圖3 拱形巷道頂板壓力拱力學(xué)模型

1）當(dāng)量半徑計(jì)算

運(yùn)用圓形巷道標(biāo)準(zhǔn)化的方法來進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，當(dāng)量半徑：

式中：rs為當(dāng)量半徑，m；S為巷道的斷面面積，m2；kx為斷面矯正系數(shù)，此值取1.10。

計(jì)算得出巷道當(dāng)量半徑rs=2.23 m。

2）錨固長度計(jì)算

錨桿錨固段內(nèi)錨桿載荷與錨桿同黏結(jié)劑之間和鉆孔巖壁同黏結(jié)劑之間黏結(jié)力的和滿足以下關(guān)系：

式中：Lm為錨桿錨固段長度；P為錨桿屈服力，此值取60 kN；d為錨桿鉆孔直徑；τr為黏結(jié)劑與周邊巖體的黏結(jié)力。

計(jì)算得出巷道錨固長度Lm=0.18 m。

3）錨桿設(shè)計(jì)長度計(jì)算

基于鉆孔窺視獲得的圍巖松動(dòng)區(qū)范圍，確定錨桿設(shè)計(jì)長度：

式中：L為錨桿設(shè)計(jì)長度； 為2.51 m；Lw為錨桿端部外露的長度，此值取0.1 m。

計(jì)算得出巷道錨桿設(shè)計(jì)長度L=2.79 m。因此最終確定錨桿直徑為Φ20 mm，長度為2800 mm，間排距為700 mm×800 mm。

4）錨索參數(shù)設(shè)計(jì)

錨索的主要支護(hù)作用是將錨桿錨固體懸吊在穩(wěn)定的頂板，考慮上覆巖層的賦存情況，采用Φ17.8 mm 的鋼絞線錨索，長度為7000 mm。

3.2 底板支護(hù)設(shè)計(jì)

針對(duì)上海廟礦區(qū)特殊的底板巖性條件及地質(zhì)環(huán)境，提出強(qiáng)化兩幫圍巖強(qiáng)度、增強(qiáng)底板剛度的圍巖控制技術(shù)。對(duì)于巷道兩幫，通過支護(hù)構(gòu)件加強(qiáng)支護(hù)，提高兩幫自承能力，從而降低底板承載壓力。對(duì)于巷道底板，底板巖石清除至設(shè)計(jì)深度后，噴50 mmC20 混凝土，降低水理作用對(duì)弱膠結(jié)軟巖強(qiáng)度的削弱，再鋪鋼筋網(wǎng)施工Φ20 mm×2400 mm高強(qiáng)螺紋阻尼錨桿支護(hù)，配合使用鋼梯，間距700 mm×700 mm。錨桿用水泥漿全長錨固，增強(qiáng)底板抗彎剛度，改善底板層裂結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)。底板錨網(wǎng)施工合格后，噴射C20 的混凝土至設(shè)計(jì)底板。

3.3 支護(hù)方案確定

結(jié)合上述分析結(jié)論，對(duì)榆樹井煤礦某工作面膠帶順槽進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化，優(yōu)化后支護(hù)示意圖如圖4。順槽采用“錨網(wǎng)索+鋼梯+鋼帶+底板錨網(wǎng)噴反底拱”支護(hù)，支護(hù)參數(shù)如下：

圖4 工作面膠帶順槽全斷面支護(hù)參數(shù)示意圖（mm）

1）頂板。采用Φ20 mm×2800 mm 左旋無縱筋高強(qiáng)滾絲錨桿，錨桿間排距為700 mm×800 mm；錨索使用Φ17.8 mm×7000 mm 低松弛鋼絞線，間排距為1750 mm×2100 mm。錨桿預(yù)緊力大于60 kN，錨索預(yù)緊力不低于120 kN。

2）兩幫。巷幫錨桿與頂板錨桿型號(hào)一致，間排距700 mm×800 mm。除此之外，兩底角分別增加一根錨桿。

3）底板。底板巖石清除至設(shè)計(jì)深度后，噴50 mmC20 混凝土，鋪鋼筋網(wǎng)施工錨桿。底板錨桿采用Φ20 mm×2400 mm 高強(qiáng)螺紋阻尼錨桿，間排距700 mm×700 mm，錨桿配合水泥漿進(jìn)行全長錨固，完成后噴射C20 的混凝土至設(shè)計(jì)底板。

4 效果分析

采用支護(hù)優(yōu)化方案后，在巷道掘進(jìn)期間對(duì)其進(jìn)行巷道表面位移監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)方案如圖5，監(jiān)測(cè)期間巷道圍巖位移變形情況如圖6。由巷道圍巖監(jiān)測(cè)曲線可知，巷道成型后的20 d 內(nèi)圍巖處于劇烈變形期，20 d 后巷道圍巖進(jìn)入緩慢變形期，圍巖的變形逐漸變緩，在巷道成型約40 d 后圍巖收斂趨于穩(wěn)定。截至觀測(cè)60 d，巷道頂板下沉量為110 mm 左右，兩幫變形量為130 mm 左右，底鼓量為70 mm 左右。巷道圍巖變形量在允許范圍之內(nèi)，弱膠結(jié)軟巖巷道大變形得到了有效的控制，保障了巷道在服務(wù)期間的安全可靠使用。

圖5 圍巖監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖（mm）

圖6 巷道圍巖位移變形圖

5 結(jié)論

1）采用鉆孔窺視對(duì)巷道圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并對(duì)頂?shù)装辶W(xué)性能及巖樣成分進(jìn)行分析，最終得出圍巖劣化機(jī)理：煤層頂?shù)装鍘r層屬于弱膠結(jié)軟巖，自承能力差，加之頂?shù)装迨芩碜饔茫瑢?dǎo)致圍巖劣化嚴(yán)重。

2）基于上海廟礦區(qū)特殊的圍巖條件，建立了底板層裂結(jié)構(gòu)模型，推導(dǎo)出了巷道底板失穩(wěn)的臨界誘發(fā)準(zhǔn)則：巷道底板失穩(wěn)的臨界應(yīng)力與底板施加的靜態(tài)載荷之間的相對(duì)大小關(guān)系是巷道底板穩(wěn)定的決定性因素。上海廟礦區(qū)巷道使用過程中，在圍巖應(yīng)力及水理作用雙重作用下，底板出現(xiàn)層裂失穩(wěn)。

3）針對(duì)上海廟礦區(qū)圍巖劣化機(jī)制，對(duì)回采巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。采用優(yōu)化支護(hù)參數(shù)后，弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖變形得到了有效控制，保證了工作面安全高效生產(chǎn)。