彭余生，徐 光，方新秋

(1.開灤 (集團(tuán))蔚州礦業(yè)有限責(zé)任公司，河北張家口075700;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇徐州221116; 3.煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州221116)

辛置礦軟巖大巷破壞原因分析及加固對(duì)策

彭余生1，徐 光2，3，方新秋2，3

(1.開灤 (集團(tuán))蔚州礦業(yè)有限責(zé)任公司，河北張家口075700;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇徐州221116; 3.煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州221116)

Failure Cause Analysis of Soft-rock Main Roadway and Reinforcement Countermeasure in Xinzhi Colliery

針對(duì)辛置煤礦310軌道大巷圍巖強(qiáng)度低、松軟破碎、失穩(wěn)嚴(yán)重等問題，采用力學(xué)試驗(yàn)、X射線衍射 (XRD)和掃描電鏡 (SEM)分析了310軌道大巷圍巖的物理力學(xué)特性、礦物成分及微觀結(jié)構(gòu)，研究了軟巖巷道失穩(wěn)機(jī)理，提出了巷道的加固方案，通過數(shù)值模擬加以優(yōu)化，并確定了合理的巷道加固參數(shù)。

軟巖巷道;力學(xué)試驗(yàn);X射線衍射;掃描電鏡;加固方案

軟巖巷道支護(hù)是地下工程中最難解決的工程技術(shù)問題之一，以其大變形、高地壓、難支護(hù)的特點(diǎn)一直受到巖石力學(xué)及地下工程界的普遍關(guān)注［1］。長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)外專家、學(xué)者和煤礦技術(shù)人員對(duì)軟巖巷道變形機(jī)理、防治措施等進(jìn)行了卓有成效地研究，取得了大量的理論和技術(shù)應(yīng)用成果［2］。然而，由于巷道圍巖性質(zhì)、應(yīng)力環(huán)境及地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性，仍有大量的軟巖巷道因劇烈的變形而無法使用，甚至報(bào)廢。因此，在軟巖巷道支護(hù)過程中，必須根據(jù)具體的圍巖地質(zhì)條件選擇合理的支護(hù)方法及支護(hù)參數(shù)。針對(duì)辛置煤礦310軌道大巷圍巖地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，小斷層及陷落柱發(fā)育，巷道圍巖破碎、失穩(wěn)嚴(yán)重等問題，分析了圍巖失穩(wěn)、底鼓機(jī)理，提出了采用錨注+錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)技術(shù)方案。

1 試驗(yàn)巷道概況

1.1 工程概況

辛置礦310軌道大巷地面標(biāo)高667～772m，工作面標(biāo)高317～324m，黃土覆蓋厚度85m，基巖厚度300m。軌道大巷布置在2號(hào)煤層頂板中，巷道斷面為直墻半圓拱形，凈寬4.6m，掘?qū)?.9m，凈高3.9m，掘高4.05m。

辛置煤礦310軌道大巷圍巖主要以泥巖、砂質(zhì)泥巖及中細(xì)粒砂巖為主，對(duì)這3種巖石進(jìn)行力學(xué)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1。

力學(xué)測(cè)試結(jié)果表明:巷道圍巖中的泥巖及砂質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度低于20MPa，具有明顯的軟巖特征，因此認(rèn)為辛置煤礦310軌道巷屬于軟巖巷道。

表1 巖石力學(xué)測(cè)試結(jié)果

1.2 310軌道大巷破壞現(xiàn)狀

通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，310軌道大巷掘出后變形狀況因圍巖巖性不同而呈現(xiàn)較大的差別，在斷層等構(gòu)造少處巷道變形量較小，其余大部分?jǐn)鄬忧懈畹膮^(qū)段巷道變形嚴(yán)重，產(chǎn)生強(qiáng)烈的底鼓，而且兩幫變形大。半年內(nèi)，在破壞嚴(yán)重地段巷道兩幫收斂累計(jì)達(dá)700～800mm，頂?shù)装逡平窟_(dá)到800～1000mm。頂板與肩部發(fā)生了嚴(yán)重的壓剪破壞，同時(shí)在巷道直墻部分出現(xiàn)了貫通性裂縫，裂縫最寬達(dá)到30mm。

2 軟巖巷道圍巖失穩(wěn)原因

2.1 軟巖浸水軟化機(jī)理

為分析在水理作用下310軌道巷軟弱圍巖物理力學(xué)性質(zhì)的變化及其對(duì)巷道維護(hù)的影響，對(duì)巷道圍巖中的泥巖進(jìn)行相關(guān)的巖石物理力學(xué)性質(zhì)、水理性質(zhì)、物質(zhì)宏觀組成成分及內(nèi)部微觀空隙結(jié)構(gòu)等進(jìn)行測(cè)試分析實(shí)驗(yàn)［2］，從中得出310軌道巷失穩(wěn)原因。

2.1.1 泥巖浸水宏觀物理力學(xué)性質(zhì)

通過實(shí)驗(yàn)研究得出，在泥巖浸水后，巖石體積力增加，其各主要物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)急劇惡化，如表2所示。

表2 巖石主要物理力學(xué)參數(shù)及其變化

試驗(yàn)中當(dāng)泥巖浸水失水再遇水時(shí)，泥巖迅速崩解為碎屑或粉狀，已無抗壓強(qiáng)度可言。

2.1.2 泥巖浸水后內(nèi)部物質(zhì)成分與微結(jié)構(gòu)的變化

在辛置煤礦310軌道巷取部分巖石樣品，通過X射線衍射儀確定天然狀況下泥巖和水理作用崩解泥巖內(nèi)部物質(zhì)組成成分變化，其結(jié)果如下:

(1)天然狀況下泥巖 主體成分石英18.7%、高嶺石31.4%、伊利石22.5%、伊蒙混層20.2%和少量菱鐵礦、長(zhǎng)石、蒙皂石、方解石等礦物，X射線衍射圖譜如圖1所示 (衍射圖譜曲線圖峰頂標(biāo)注數(shù)據(jù)表示某種成分的晶體的某兩個(gè)晶體面之間的距離，單位為埃，1埃=10－10m)。

圖1 天然狀況下泥巖的X射線衍射圖譜

(2)水理崩解后的泥巖 主體成分石英20.1%、高嶺石37.3%、伊利石25.4%、伊蒙混層10.2%和少量菱鐵礦、長(zhǎng)石、蒙皂石、方解石等礦物，X射線衍射圖譜如圖2所示。

由于高嶺石、伊蒙混層等黏土礦物顆粒較小，具有較強(qiáng)的親水性，當(dāng)巖石遇水后，巖石內(nèi)部產(chǎn)生不均勻膨脹，同時(shí)部分膠結(jié)物被稀釋、軟化，導(dǎo)致巖石顆粒的碎裂解體。

采用掃描電子顯微鏡掃描分析巖石內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，天然狀況下如圖3，飽和狀況下如圖4。

由圖3，圖4以及表3可知，圖中被白色區(qū)域完全包括的黑色區(qū)域?yàn)閹r石內(nèi)部的空隙結(jié)構(gòu)。天然狀況下泥巖內(nèi)部空隙較多尤其是大的空隙較多，泥巖遇水后，內(nèi)部大的空隙被水化的泥巖填充，使大空隙減少，小空隙增加，這也是導(dǎo)致泥巖遇水強(qiáng)度降低的主要原因。

圖2 水理崩解下泥巖的X射線衍射圖譜

圖3 天然狀況下泥巖內(nèi)部空隙分布情況

圖4 水飽和狀況下泥巖內(nèi)部空隙分布情況

表3 不同狀態(tài)下泥巖空隙狀況

辛置煤礦310軌道巷掘出后暴露出的軟弱圍巖，經(jīng)水理作用，短期內(nèi) (幾天到幾十天，甚至幾小時(shí))就在表面形成像地面河塘泥一樣的泥化層和碎砂層，體積膨脹，擠入巷道自由空間。在小斷層比較密集、巷道淋水比較嚴(yán)重的地段，巷道的擠壓變形破壞明顯地高于圍巖比較干燥的地段。

2.2 軟巖風(fēng)化機(jī)理

為了研究煤礦井下風(fēng)化效應(yīng)對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，在310軌道巷選取新鮮泥巖巖樣放置在大氣中進(jìn)行自然風(fēng)化。一方面用肉眼觀察和記錄風(fēng)化后的巖石宏觀裂隙變化情況，另一方面通過電子顯微鏡掃描及壓力汞實(shí)驗(yàn)等觀測(cè)巖石內(nèi)部微孔隙、微結(jié)構(gòu)等的變化規(guī)律。風(fēng)化泥巖內(nèi)部空隙分布狀況如圖5所示，孔隙測(cè)試結(jié)果見表3。

圖5 風(fēng)化泥巖內(nèi)部空隙分布狀況

圖5與圖3進(jìn)行對(duì)比看出，在泥巖風(fēng)化后，巖石內(nèi)部增多了較大的空隙，空隙數(shù)量也有所增加。

由表3看出在泥巖風(fēng)化后其內(nèi)部的微孔體積和孔隙表面積都得到增加。特別是增大了大孔徑孔隙的數(shù)量，因此總體上可以看出泥巖主要是增加了大孔隙所占的比例以及空隙的表面積。

宏觀上看泥巖的孔隙度逐漸增加，但是其致密程度卻是在下降，這就使泥巖內(nèi)部逐步演變至肉眼可見的宏觀裂隙，使泥巖自身強(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致了巷道圍巖的失穩(wěn)。

在辛置煤礦310軌道巷，巷道圍巖自身噴層受壓產(chǎn)生變形破壞，局部出現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)2m寬10mm的裂隙，這就使巷道內(nèi)部圍巖暴露在空氣中，并且巷道存在淋水現(xiàn)象，巷道內(nèi)部的巖石在吸水軟化的同時(shí)也處于風(fēng)化作用下，最終導(dǎo)致巷道圍巖軟化崩解和強(qiáng)度降低，引起巷道失穩(wěn)。因此對(duì)于軟弱圍巖，保持圍巖暴露面的封閉和保護(hù)表面噴層的完整，對(duì)軟巖巷道日后的支護(hù)是至關(guān)重要的。

2.3 巷道失穩(wěn)原因

根據(jù)前述各種試驗(yàn)分析，結(jié)合復(fù)雜地質(zhì)情況、原有支護(hù)形式，認(rèn)為310軌道大巷圍巖失穩(wěn)原因主要包括以下5個(gè)方面［3］:

(1)圍巖性質(zhì) 該巷道圍巖主要以泥巖、砂質(zhì)泥巖及中細(xì)粒砂巖為主，強(qiáng)度低，性能差。

(2)水理作用 泥巖中的高嶺石、伊蒙混層等黏土礦物，遇水后巖石體積的不均勻膨脹，使巖石弱化、破碎，最終引起巷道圍巖強(qiáng)度降低。巷道軟弱巖石在水理作用下，巖石的孔隙體積和孔隙表面積分別得到增加，且微孔中大孔徑孔隙所占的比例相應(yīng)增加，從而使巖石發(fā)生崩解碎化，這是巷道圍巖失穩(wěn)的主要因素。

(3)風(fēng)化作用 風(fēng)化作用的結(jié)果是普遍增加了巖石的微孔體積和孔隙表面積。特別是增大了大孔徑孔隙所占比例。軟弱巖石宏觀孔隙度的增加引起巷道圍巖的宏觀裂隙，最終降低了巖石抵抗外力破壞的能力。

(4)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造 該巷道穿過地層的地質(zhì)構(gòu)造非常復(fù)雜，斷層和節(jié)理裂隙發(fā)育，而且還存在大量的陷落柱，巷道圍巖的完整性被嚴(yán)重破壞，圍巖抵抗外界破壞的能力和自承能力大幅度降低，因此，更易引發(fā)巷道變形失穩(wěn)。

(5)原有支護(hù) 巷道采用頂、幫、底全斷面錨桿加固，在一定程度上能夠控制巷道變形，但是這種普通的錨桿支護(hù)方式無法解除水、空氣等對(duì)巷道軟弱圍巖的影響。在巷道圍巖暴露在空氣和水中一段時(shí)間后，巷道圍巖整體的承載性能減弱，錨桿支護(hù)系統(tǒng)的作用被迅速削弱，巷道將繼續(xù)快速變形，影響礦井的安全高效生產(chǎn)。

3 310軌道大巷加固方案

3.1 大巷加固策略

綜合辛置礦310水平軌道大巷復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造及破壞情況，根據(jù)失穩(wěn)原因提出如下控制策略:

(1)軟巖充分變形 理論和實(shí)踐都證明［4］，巷道開挖后，根據(jù)軟巖的變形過程和特征，圍巖不可避免要進(jìn)入塑性狀態(tài)，巨大的塑性能必須釋放。這個(gè)過程由于圍巖特性和工程環(huán)境改變而不同，給予充分的時(shí)間使軟巖最大限度地發(fā)揮塑性區(qū)承載能力而又不松動(dòng)破壞，是實(shí)現(xiàn)軟巖控制的關(guān)鍵。

(2)改善圍巖性質(zhì) 通過注漿加固，漿液充填到巖石塊間的孔隙之中，提高圍巖粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角，改善巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，提高圍巖的整體承載能力，是實(shí)現(xiàn)軟巖控制的基礎(chǔ)。

(3)全斷面、聯(lián)合加固 漿液的“網(wǎng)絡(luò)”效應(yīng)以及擴(kuò)散作用將形成一個(gè)漿液擴(kuò)散加固拱，具有“固底”和“涵拱”作用，錨桿、錨索和噴網(wǎng)支護(hù)將形成錨網(wǎng)索噴漿組合拱與錨桿或錨索壓縮區(qū)組合拱，聯(lián)合支護(hù)實(shí)現(xiàn)了巷道多層有效拱結(jié)構(gòu)，加上頂板、底板、底角、兩幫全斷面支護(hù)，避免應(yīng)力集中和局部破壞，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定［5］。

針對(duì)前期錨網(wǎng)支護(hù)使巷道已經(jīng)發(fā)生充分變形的現(xiàn)狀，基于大巷加固的策略，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)［6］，提出采用錨網(wǎng)索噴+錨注的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

3.2 方案優(yōu)化

3.2.1 建立模型

依據(jù)大巷加固策略以及310軌道大巷的圍巖條件，針對(duì)大巷圍巖軟弱、破碎、松散特征，確定采用UDEC3.1數(shù)值計(jì)算軟件模擬［7］?？紤]到軟巖巷道，巷道圍巖尺寸劃分為0.8m×0.3m(寬×高)。整個(gè)模型尺度為80m×40m，頂邊界載荷按380m計(jì)算，模擬底邊界垂直方向固定，左右方向、水平方向固定，計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 數(shù)值計(jì)算模型

模型的巖石和煤體的物理力學(xué)參數(shù)是在現(xiàn)場(chǎng)原巖參數(shù)的基礎(chǔ)上確定的，詳見表4和表5

表4 塊體力學(xué)參數(shù)

表5 接觸面力學(xué)參數(shù)

3.2.2 模擬方案

為了確定合理的支護(hù)參數(shù)，設(shè)計(jì)如下4種方案模擬大巷在不同支護(hù)方式下的巷道圍巖塑性區(qū)分布，巷道表面位移量。

(1)無支護(hù)。

(2)礦井原支護(hù)，即采用錨網(wǎng)梁、錨索噴漿聯(lián)合支護(hù)。錨桿規(guī)格 22mm×2500mm，間排距800mm×800mm;頂板布置兩排17.8mm×8500mm錨索，間排距1600mm×1600mm;錨網(wǎng)采用6mm的鋼筋冷拔網(wǎng)，網(wǎng)格100mm×100mm;錨梁采用12mm圓鋼，頂板長(zhǎng)4000mm，兩幫長(zhǎng)2700mm;噴漿料配比為水泥∶黃沙∶石子=1∶2∶2。

(3)僅采用錨注支護(hù)加固巷道，即采用22mm×1800mm的注漿錨桿，布置間距頂部為1200mm，幫部為1200mm，底部1200mm，排距為1000mm;注漿孔采用按行排列方式。

(4)采用錨注與錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)加固巷道，即采用22mm×1800mm的注漿錨桿，布置間距頂部為1200mm，幫部為1200mm，底部1200mm，排距為1000mm;注漿孔采用按行排列方式。錨網(wǎng)索噴布置方式同方案2中錨網(wǎng)索噴支護(hù)參數(shù)。

3.2.3 模擬結(jié)果

(1)巷道圍巖塑性區(qū) 數(shù)值模擬分析得出的310軌道大巷在不同支護(hù)形式下巷道圍巖塑性區(qū)分布狀況如圖7所示。

表6 不同支護(hù)方式下塑性區(qū)范圍

由圖7及表6看出在巷道掘進(jìn)后不采用支護(hù)的情況下巷道圍巖塑性區(qū)呈雪花狀分布，并且整體的范圍較大，在巷道兩幫圍巖塑性區(qū)范圍達(dá)到10m左右，在頂?shù)装鍑鷰r處，塑性區(qū)范圍達(dá)到8m左右，圍巖破碎程度較大;在采用原錨網(wǎng)梁、錨索噴漿聯(lián)合支護(hù)下巷道圍巖的塑性區(qū)分布有所減小，在巷道兩幫塑性區(qū)范圍為6m左右，在巷道頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍為5m左右，巷道整體還是存在較大的變形;僅僅采用全斷面錨注支護(hù)后，巷道圍巖塑性區(qū)范圍明顯減小，在頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍為4.5m，兩幫塑性區(qū)范圍為2.5m左右。巷道圍巖整體呈現(xiàn)均勻受力狀態(tài)，對(duì)巷道圍巖進(jìn)一步采取其他的錨桿支護(hù)手段就能夠有效地保證巷道的穩(wěn)定性;采用錨注與錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)后巷道圍巖的塑性區(qū)范圍較小，在巷道兩幫塑性區(qū)范圍為1.5m左右，在巷道頂板圍巖塑性區(qū)范圍為2.3m左右。

由數(shù)值模擬分析得出的圍巖塑性區(qū)范圍變化看出，采用錨注與錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)后310軌道大巷圍巖整體穩(wěn)定性得到較大的提高，圍巖塑性區(qū)范圍減少，有效地保證了巷道的整體穩(wěn)定性。

(2)巷道表面位移 數(shù)值模擬分析得出的310軌道巷在不同支護(hù)形式下巷道圍巖整體變形量如圖8所示。

在圖8中hist1為巷道底鼓量，hist3為巷道左幫位移量，hist5為巷道右?guī)臀灰屏浚琱ist7為巷道頂板位移量。巷道開挖后，在不進(jìn)行支護(hù)的情況下巷道的表面位移很大，頂板下沉量690mm、底鼓量1440mm、左幫移近量 64mm、右?guī)鸵平?30mm;采用原錨網(wǎng)梁、錨索噴漿聯(lián)合支護(hù)的情況下巷道的表面位移仍然相對(duì)較大，頂板下沉量235mm、底鼓量427mm、左幫移近量140mm、右?guī)鸵平?0mm;采用單一錨注支護(hù)方案，巷道圍巖的表面位移量進(jìn)一步減小，頂板下沉量80mm、底鼓量280mm、左幫移近量70mm、右?guī)鸵平?5mm;采用錨注與錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)，頂板下沉量18mm、底鼓量52mm、左幫移近量20mm、右?guī)鸵平?0mm。

圖7 不同支護(hù)形式下巷道圍巖塑性區(qū)分布狀況

由巷道表面位移量看出，采用錨注與錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)特別是在巷道底角打注漿錨桿能夠有效地保證巷道整體穩(wěn)定性，對(duì)于巷道底鼓變形具有重要的作用。

綜合分析比較，最終選取方案4，采用錨注+錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)。

3.2.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

對(duì)310軌道大巷進(jìn)行錨注+錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)后，進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置，并記錄下觀測(cè)的數(shù)據(jù)。45d內(nèi)觀測(cè)記錄如圖9所示。

圖9 巷道表面位移量曲線

從圖9中測(cè)得的數(shù)據(jù)可以看出:45d內(nèi)巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?8mm，從曲線的變化趨勢(shì)可以看出，經(jīng)過45d的變形，巷道頂板下沉、底鼓現(xiàn)象趨勢(shì)變緩，趨于穩(wěn)定;兩幫移近量為33mm，并趨于穩(wěn)定，說明巷道在采用新的支護(hù)方案后，達(dá)到了預(yù)期的效果。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)力學(xué)特性試驗(yàn)、X射線衍射 (XRD)試驗(yàn)、掃描電鏡 (SEM)試驗(yàn)及風(fēng)化試驗(yàn)分析得出軟巖巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理，圍巖性質(zhì)、水理作用、風(fēng)化作用、復(fù)雜地質(zhì)條件及原有支護(hù)形式是造成失穩(wěn)的原因，其中水理作用是主要因素。

(2)根據(jù)310軌道巷失穩(wěn)原因及破壞狀況，提出了軟巖大巷加固策略及支護(hù)方案，經(jīng)過數(shù)值模擬對(duì)比優(yōu)化，確定采用錨注+錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。工程應(yīng)用表明，對(duì)軟弱破碎圍巖巷道能夠起到較好的支護(hù)作用。

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［責(zé)任編輯:姜鵬飛］

TD353

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1006-6225(2012)04-0054-06

2012－01－09

彭余生 (1970－)，男，河北遷安人，高級(jí)工程師，現(xiàn)任開灤 (集團(tuán))蔚州礦業(yè)有限責(zé)任公司總經(jīng)理。