黎勁東 呂兆海 趙長(zhǎng)紅

(神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，寧夏自治區(qū)銀川市，750004)

軟巖是指強(qiáng)度低、孔隙度大、膠結(jié)性差、受構(gòu)造面切割及風(fēng)化影響顯著或大量膨脹性粘土礦物的松散、軟弱巖層，其單軸抗壓強(qiáng)度一般小于25 MPa，且有不同程度的遇水泥化膨脹性。膨脹性軟巖在水理作用下易產(chǎn)生體積膨脹、破碎和分解，當(dāng)巖體受到擾動(dòng)后，受風(fēng)化潮解及施工用水的影響，其強(qiáng)度隨時(shí)間的增長(zhǎng)而急劇衰減。膨脹性軟巖在我國范圍內(nèi)分布較廣，軟巖吸水膨脹是深井軟巖巷道產(chǎn)生大變形乃至坍塌的主要原因之一。隨著煤礦采深的增加，使得軟巖巷道底鼓面臨的問題越來越復(fù)雜。長(zhǎng)期以來，國內(nèi)對(duì)軟巖的物理、水理、力學(xué)性質(zhì)、巷道變形與底鼓的力學(xué)機(jī)制及控制底鼓的技術(shù)措施進(jìn)行了相關(guān)研究，分析認(rèn)為底鼓產(chǎn)生的原因在于失穩(wěn)的底板巖層向巷道內(nèi)壓曲、偏應(yīng)力作用下的擴(kuò)容，巷道圍巖吸水膨脹擴(kuò)容是導(dǎo)致巖體破壞失穩(wěn)的重要因素。

筆者根據(jù)清水營(yíng)煤礦主斜井所處巖層的地質(zhì)特征，結(jié)合主斜井變形特征及變形周期，通過對(duì)32#工字鋼的屈服強(qiáng)度、膨脹性圍巖應(yīng)力場(chǎng)及變形量、巷道圍巖遇水膨脹擴(kuò)容導(dǎo)致原支護(hù)結(jié)構(gòu)變形失穩(wěn)的演化特征進(jìn)行分析，指出巷道變形主要是由于圍巖吸水膨脹擴(kuò)容產(chǎn)生的壓力所導(dǎo)致，并得出了巷道圍巖吸水膨脹產(chǎn)生的擴(kuò)容壓力、巷道圍巖軟化、泥化的深度，提出了“一巷多策，分段支護(hù)，有限讓壓，全斷面封閉抗壓”的控制膨脹性泥巖巷道的基本思路。

1 工程概況

清水營(yíng)煤礦處于寧東鴛鴦湖礦區(qū)，地質(zhì)賦存條件復(fù)雜，巖體節(jié)理與裂隙發(fā)育，礦區(qū)內(nèi)地層由老到新依次有：三疊系(T)、侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、侏羅系上統(tǒng)安定組(J3a)、白堊系下統(tǒng)宜君組(K1y)、洛河組(K11h)、古近系上統(tǒng)清水營(yíng)組(E3q)和第四系(Q)。礦井地層中含水層屬弱～中等富水性，分別為第四系孔隙潛水含水層(Ⅰ)、白堊系礫巖裂隙孔隙層間承壓含水層(Ⅱ)、侏羅系上統(tǒng)安定組～中統(tǒng)直羅組裂隙孔隙含水層(Ⅲ)、2～8號(hào)煤層間砂巖裂隙孔隙承壓含水層(Ⅳ)，隔水層以低阻、高密度的粉砂巖、泥巖為主，主要有4層，分別為安定～直羅組裂隙孔隙含水層頂板隔水層、2～8號(hào)煤層含水層頂板隔水層、8號(hào)煤層及其頂?shù)装迥鄮r隔水層、18號(hào)煤層及其頂?shù)装迥鄮r隔水層。其中2號(hào)煤層頂板為泥質(zhì)砂巖含水層，巖石松軟易風(fēng)化，底板為泥質(zhì)砂巖，遇水易膨脹，煤層硬度系數(shù)低，平均厚度5.25 m，傾角23°～30°，頂板為砂巖含水層，巖石易軟化、強(qiáng)度低、堅(jiān)固性差；底板主要成分為高膨脹性的伊利石、綠泥石，其中伊利石、綠泥石等膨脹性礦物成分占70%。主斜井設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1428 m，沿2號(hào)煤層底板布置，巷道設(shè)計(jì)為半圓拱形斷面，凈寬4.2 m，凈高3.4 m，坡度25°。主斜井原支護(hù)為錨帶網(wǎng)噴，局部段增加了U29型鋼支架，受礦壓及軟巖吸水膨脹影響，巷道自維修后在5年時(shí)間內(nèi)逐漸發(fā)生變形破壞，尤其是搭接硐室附近變形最為突出，需要維修的巷道總長(zhǎng)度1060 m，占巷道總長(zhǎng)度的74%。

2 巷道變形原因及特性分析

2.1 巷道變形表現(xiàn)

研究表明，影響巷道圍巖變形的因素主要有巷道巖層性質(zhì)、圍巖應(yīng)力狀態(tài)、水理滲透作用以及支護(hù)強(qiáng)度。針對(duì)清水營(yíng)煤礦主斜井變形的具體情況分析，巷道變形的主要表現(xiàn)為兩幫收斂、底鼓嚴(yán)重，頂板變形相對(duì)較小。巷道變形主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：剛性支護(hù)段較柔性支護(hù)段變形更為嚴(yán)重；巷道交岔點(diǎn)處及巷道布置密集地段的變形較正常段變形嚴(yán)重；巷道圍巖擾動(dòng)范圍越大巷道變形越嚴(yán)重；淋水、滲透性越強(qiáng)的地段巷道變形越嚴(yán)重；圍巖含泥量越高巷道變形越嚴(yán)重；在同一斷面上，巷道底鼓存在明顯的差異性，與底板水滲透性變化一致；未噴漿封閉的巷道鋼支架腐蝕嚴(yán)重，巷道變形量較大；巷道在水理作用下膨脹變形破壞的周期長(zhǎng)。

2.2 巷道變形原因分析

2.2.1 支護(hù)強(qiáng)度及支護(hù)形式

剛性支護(hù)中沒有充分考慮圍巖吸水膨脹后產(chǎn)生變形壓力的釋放，導(dǎo)致剛性支護(hù)變形得以釋放變形壓力，而變形壓力的持續(xù)釋放達(dá)到剛性支護(hù)的屈服極限，最終表現(xiàn)為巷道的變形失穩(wěn)?？煽s性鋼支架支護(hù)段對(duì)巷道頂部采用了有限度的讓壓支護(hù)，但對(duì)巷道底板及墻角的變形未采取限制性措施，另外原巷道底板支護(hù)強(qiáng)度有限，導(dǎo)致了巷道底板圍巖吸水膨脹持續(xù)變形從而引發(fā)兩幫的收斂破壞，但底鼓的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于兩幫內(nèi)斂及頂板下沉的速率。

2.2.2 巷道圍巖性質(zhì)

巷道底板巖層的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)狀態(tài)對(duì)底臌起著決定性的作用。主斜井沿2號(hào)煤層底板布置，巷道頂板的膨脹性泥巖量相對(duì)較少，對(duì)巷道穩(wěn)定性影響較小，而巷道兩幫及底板處在膨脹性泥巖中，巷道開挖后，形成自由空間，巷道圍巖空隙水形成水力通道向下的趨勢(shì)難以改變，盡管后期巷道進(jìn)行了噴漿封閉，但巷道圍巖滲水將沿著噴漿層內(nèi)壁緩慢滲入到巷道幫部以下，造成巷道幫部及底板泥化，弱化范圍擴(kuò)大，泥化圍巖產(chǎn)生的膨脹力將隨著泥化范圍的擴(kuò)大而增大。

2.2.3 地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力

巷道圍巖應(yīng)力對(duì)巷道的穩(wěn)定性有一定的影響，圍巖應(yīng)力越大，巷道變形越嚴(yán)重。清水營(yíng)煤礦主斜井沿向斜軸布置，巷道圍巖以水平應(yīng)力為主，這種應(yīng)力的存在導(dǎo)致巷道圍巖更加難以控制。

2.2.4 巷道布置密度

巷道布置密度過大，在施工過程中造成相鄰巷道相互影響，或由于聯(lián)絡(luò)巷之間的相互貫通造成應(yīng)力重疊擴(kuò)大了圍巖的擾動(dòng)范圍，增加了巷道的支護(hù)難度。

2.2.5 水理滲透作用

在膨脹性較強(qiáng)的泥巖巷道中，在地下水的影響下，通過鉆孔等裂隙滲入巖體的水量改變了巖體內(nèi)摩擦系數(shù)，造成圍巖弱化、在不同方向形成巖體泥化膨脹的自由空間加劇了巖體的膨脹性。另外，水溝長(zhǎng)期受地下水的侵蝕作用，逐漸損壞，地下水慢慢滲入巷道底板巖層，巖層吸水膨脹，造成水溝側(cè)底板最先發(fā)生破壞，隨著滲透范圍的橫向擴(kuò)大，滲入巖層的縱向深度也在逐漸增加，最終造成底鼓的差異性。

巖體的摩擦角隨著巖體含水率的增大而減小，因此滲入巖體的水將改變巖體內(nèi)部的摩擦角及摩擦系數(shù)，并對(duì)膨脹性泥巖的應(yīng)力、應(yīng)變值影響很大。

(1)

式中：K——隨含水率變化的變化量，%；

W——巖石滲透含水率，%。

由式(1)可知，膨脹性泥巖內(nèi)隨著含水率的增加，應(yīng)力、應(yīng)變和位移實(shí)際值迅速增加。

3 巷道圍巖破壞力的計(jì)算及支護(hù)對(duì)策

3.1 巷道圍巖破壞力的計(jì)算

3.1.1 根據(jù)鋼梁穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算

膨脹性泥巖巷道變形主要受地下水及井下潮濕空氣的影響。巷道開挖前原巖應(yīng)力保持相對(duì)平衡，在巷道開挖過程中爆破震動(dòng)形成的裂隙、巷道支護(hù)過程中，濕式打眼等使井下潮濕空氣、地下水滲透到巷道輪廓2.5 m以外甚至更遠(yuǎn)，這為遇水膨脹性泥巖巷道的變形創(chuàng)造了條件。為便于研究，將巷道支護(hù)32#工字鋼橫梁等效為兩端固定的壓桿結(jié)構(gòu)，兩側(cè)圍巖膨脹變形的力簡(jiǎn)化為等效力。在側(cè)向壓力的作用下，當(dāng)壓力達(dá)到臨界力Fcr時(shí)，鋼梁向弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生彎曲變形，當(dāng)側(cè)向壓力繼續(xù)增大則導(dǎo)致鋼梁變形破壞，通過計(jì)算使鋼梁發(fā)生彎曲變形的外力等效求出軟巖巷道吸水膨脹的膨脹力。具體計(jì)算如下：

式中：λ——鋼梁柔度值；

E——鋼梁的彈性模量，MPa；

σs——鋼梁抗壓強(qiáng)度，MPa；

σcr——鋼梁臨界應(yīng)力，MPa。

將E=2×105MPa和σs=235 MPa代入式(2)，得到鋼梁柔度為121，這表明鋼梁可按照細(xì)長(zhǎng)桿模型計(jì)算其臨界應(yīng)力。根據(jù)式(3)，得到鋼材變形的臨界應(yīng)力為135 MPa，表明當(dāng)32#鋼梁受到135 MPa的壓力時(shí)，即巷道兩側(cè)的圍巖膨脹產(chǎn)生的側(cè)壓達(dá)到67.5 MPa時(shí)，鋼梁將處于彎曲極限平衡狀態(tài)，隨著膨脹力的繼續(xù)增大，鋼梁將繼續(xù)變形直至破壞。

3.1.2 根據(jù)圍巖應(yīng)力場(chǎng)變化進(jìn)行計(jì)算

根據(jù)上文所述，膨脹性圍巖含水率的變化引起巷道圍巖膨脹率及應(yīng)力場(chǎng)的變化，根據(jù)圓形巷道在平面應(yīng)力情況下圍巖遇水作用應(yīng)力分量及圍巖變形量得出：

式中：σr——巷道圍巖吸水膨脹徑向應(yīng)力分量，MPa；

E巖——巷道圍巖的彈性模量，取0.074×104MPa；

α——膨脹系數(shù)，取0.33；

r——巷道支護(hù)深度至巷道中心的距離，取4.84 m；

r0——巷道等效半徑，取2.34 m；

W0——巖石原始吸水率，取14%；

t——吸水時(shí)間，取30 d；

Wb——巖石飽和含水率，取35%；

μ——巖石泊松比，取0.34；

σθ——巷道圍巖吸水膨脹切向應(yīng)力分量，MPa；

u——圍巖吸水膨脹變形量，mm。

經(jīng)計(jì)算，σr等于59 MPa，與32#工字鋼鋼梁發(fā)生變形破壞的外力基本一致，u等于440 mm。圍巖變形量及應(yīng)力變化曲線如圖1所示。由圖1(a)可知，距離巷道表面越遠(yuǎn)，巷道膨脹變形量越小，在同一位置，巷道圍巖膨脹量隨時(shí)間的增加而增大。由圖1(b)可知，在2.5 m范圍內(nèi)，巷道徑向應(yīng)力隨距離巷道表面增大而增大，但當(dāng)達(dá)到2.5 m后，徑向應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定，巷道表面徑向應(yīng)力為恒值。

圖1 圍巖變形量及應(yīng)力變化曲線

3.2 巷道圍巖支護(hù)對(duì)策

受巷道布置形式及層位的影響，對(duì)整段維修巷道采用同一種支護(hù)形式，既容易造成支護(hù)成本的增加，也難以保證支護(hù)強(qiáng)度滿足巷道圍巖壓力。因此在維修過程中有針對(duì)性的采用“一巷多策，分段支護(hù)”的思路對(duì)維修巷道整體分3段采用不同的方案進(jìn)行支護(hù)，分段支護(hù)示意圖如圖2所示。對(duì)主斜井上段原架設(shè)可縮性鋼支架僅發(fā)生底鼓的240 m巷道采用焊接反底拱梁+反底拱進(jìn)行支護(hù)；對(duì)搭接硐室段巷道變形嚴(yán)重，圍巖破壞深度較大的98 m巷道采用全封閉鋼管混凝土支架進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)；對(duì)其他部分及聯(lián)絡(luò)巷采用重新架設(shè)全封閉可縮性鋼支架+反底拱進(jìn)行支護(hù)。李學(xué)彬等研究發(fā)現(xiàn)，可縮性鋼支架及鋼管混凝土支架的屈服極限在568～828 MPa之間，滿足巷道支護(hù)需要。

具體支護(hù)思路和方案如下：

(1)減小開挖擾動(dòng)，保證巷道圍巖的穩(wěn)定性。在巷道維修過程中，為減小對(duì)巷道圍巖的擾動(dòng)，采用人工風(fēng)鎬破除，有效降低了對(duì)巷道圍巖的擾動(dòng)。

圖2 巷道分段支護(hù)圖

(2)分段支護(hù)，一巷多策。第一段主斜井井筒上段長(zhǎng)240 m。按照焊接反底拱梁+反底拱復(fù)噴成巷的支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)，對(duì)原架設(shè)鋼支架進(jìn)行除銹，并對(duì)該段巷道進(jìn)行起底，達(dá)到設(shè)計(jì)位置后，焊接U29型鋼反底拱梁。第二段搭接硐室段長(zhǎng)98 m。由于該段巷道斷面大，巷道布置密度大，施工前期巷道冒頂?shù)纫蛩氐挠绊?，圍巖破碎，巷道圍巖壓力大，因此在支護(hù)過程中采用進(jìn)行支護(hù)，對(duì)該段巷道挑頂擴(kuò)幫、起底后采用錨網(wǎng)噴漿進(jìn)行支護(hù)后，架設(shè)鋼管混凝土支架并注漿，最后施工反底拱地坪噴漿成巷。第三段主斜井下段及聯(lián)絡(luò)巷長(zhǎng)724 m。該段巷道發(fā)生整體變形、底鼓，在維護(hù)過程中整體對(duì)該段巷道進(jìn)行挑頂擴(kuò)幫、起底，采用錨網(wǎng)噴漿進(jìn)行支護(hù)后，架設(shè)全斷面封閉可縮性U29型鋼支架，最后施工反底拱地坪噴漿成巷。

(3)高強(qiáng)、高預(yù)緊力錨桿支護(hù)。為有效控制巷道圍巖變形，采用有限讓壓的思想。在巷道支護(hù)過程中全斷面采用?22 mm×2500 mm的BHRB400高強(qiáng)錨桿，錨桿間排距800 mm×800 mm，每根錨桿采用2節(jié)MSK23/70型樹脂藥卷進(jìn)行錨固，預(yù)緊力矩120 kN·m，高預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散充分發(fā)揮了主動(dòng)支護(hù)的效果。

(4)鋼支架全斷面封閉抗壓。為有效抵抗巷道底鼓變形的壓力，全斷面提高對(duì)圍巖的約束力，巷道整體采用架設(shè)反底拱梁的U型鋼支架及鋼管混凝土支架進(jìn)行支護(hù)。鋼管混凝土支架均采用194 mm×10 mm鋼管制作，間距600 mm，內(nèi)注C25混凝土，可縮性鋼支架采用U29型鋼制作，反底拱梁及棚腿采用高強(qiáng)螺栓連接。鋼支架間距800 mm，鋼支架中間采用7道連接板連接。

(5)混凝土及時(shí)封閉。為有效防止巷道底鼓變形，在巷道維護(hù)過程中，全部采用厚度為800 mm的反底拱抗?jié)B混凝土地坪，噴射200 mm的C25混凝土對(duì)鋼支架及圍巖進(jìn)行封閉。

4 效果分析

在主斜井維護(hù)過程中通過采用“一巷多策，分段支護(hù)，有限讓壓，全斷面封閉抗壓”的整體支護(hù)思路，在施工過程中按照減小擾動(dòng)，及時(shí)噴漿封閉，鋼支架全斷面封閉抗壓、抗?jié)B反底拱混凝土封閉堵水的支護(hù)技術(shù)方案，有效控制了巷道圍巖的變形破壞。礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，巷道表面及深部位移量在可控范圍內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期的支護(hù)效果，滿足使用要求，提高了巷道的安全系數(shù)。

5 結(jié)論

(1)在膨脹性泥巖巷道維護(hù)過程中應(yīng)減少圍巖擾動(dòng)，在支護(hù)過程中應(yīng)采用“一巷多策，分段支護(hù)，有限讓壓，全斷面封閉抗壓”的支護(hù)方式控制圍巖穩(wěn)定性。

(2)軟巖巷道支護(hù)過程中，水理作用是導(dǎo)致巷道圍巖膨脹變形的主要因素，在水力滲透場(chǎng)的作用下，軟巖膨脹呈幾何數(shù)進(jìn)行增長(zhǎng)。因此加強(qiáng)巷道淋水及滲水的治理，做好導(dǎo)水措施，切斷通向巷道薄弱點(diǎn)的水力通道，提高底板混凝土的抗?jié)B強(qiáng)度，減小淋水對(duì)膨脹性泥巖的橫向及縱向的侵蝕是有效控制巷道變形的重要措施。

(3)距離巷道表面越遠(yuǎn)，巷道圍巖膨脹變形量越小，在同一位置，巷道圍巖膨脹量隨時(shí)間的增加而增大。在一定距離范圍內(nèi)，巷道徑向應(yīng)力隨距離巷道表面增大而增大，但當(dāng)達(dá)到一定數(shù)值后，徑向應(yīng)力趨于穩(wěn)定，巷道表面徑向應(yīng)力為恒值。