姜 佼

(汾西礦業(yè)集團(tuán)雙柳煤礦，山西 柳林 033300)

1 礦區(qū)工程概況

自礦井二期工程以來，揭露的巖石條件很差，風(fēng)井井底施工的200 m巷道出現(xiàn)多次冒頂，同時(shí)，頂、底板出現(xiàn)不同程度的淋水，煤泥巖遇水變軟，嚴(yán)重影響巷道掘進(jìn)，月進(jìn)度不足50 m。施工完成后，巷道出現(xiàn)不同程度的變形底等現(xiàn)象。主副井筒車場(chǎng)設(shè)計(jì)水平為+980 m水平，坐落在三疊系延長(zhǎng)組細(xì)砂巖中，雖然井筒檢查孔揭露的巖石描述比較密實(shí)，但本區(qū)地層巖石大都為泥質(zhì)膠結(jié)，遇水泥化，強(qiáng)度不大。井筒(包括主斜井、副井、立井)和主要巷道施工過程中，大部分圍巖變形嚴(yán)重、多次翻修，尤其是主斜井在施工至336 m處，迎頭(工作面)大量軟巖涌出，支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，巷道變形嚴(yán)重，導(dǎo)致地面建筑物(包括副井)沉降量過大，主斜井施工被迫從2012年5月1日開始停工，至今仍未找到有效的支護(hù)方案進(jìn)行復(fù)工。圖1為井底車場(chǎng)總體破壞情況。近兩年，為解決軟巖井巷的支護(hù)難題，進(jìn)行了多方面的努力，如，回風(fēng)大巷，試用了16#工字鋼、雙12#工字鋼、U36型鋼、400 mm厚底拱、600 mm厚底拱、1 000 mm厚底拱以及194 mm×12 mm鋼管混凝土支架等多種嘗試，但始終未從根本上解決軟巖支護(hù)難題。

2 礦區(qū)內(nèi)兩礦原巷道支護(hù)形式

2.1 兩礦極弱膠結(jié)圍巖巷道支護(hù)

結(jié)合兩礦區(qū)工程實(shí)例，整合其他礦井的支護(hù)形式。以111082皮帶順槽為例，開口于111采區(qū)回風(fēng)巷(西)上山。巷道距風(fēng)井環(huán)形車場(chǎng)11#交岔點(diǎn)103.1 m，走向?yàn)槟媳弊呦颍轿唤?0°；巷道斷面特征為直墻半圓拱形，采用噴漿+錨桿+錨索+噴漿+U36型鋼棚+噴漿作為永久支護(hù)。

圖1 井底車場(chǎng)總體破壞情況

兩礦主斜井井筒設(shè)計(jì)斜長(zhǎng)770 m，坡度為-16°，設(shè)計(jì)斷面形狀為直墻半圓拱形，凈斷面為5 000 mm×3 900 mm，在兩礦以上白堊系層位中，大部分巖性是泥巖和砂質(zhì)泥巖，遇水或潮濕空氣后膨脹，由此而產(chǎn)生的沖擊地壓給礦井開拓造成了極大的困難，經(jīng)過多次返修支護(hù)依然無法解決問題。支護(hù)形式依次采用：1) 16#工字鋼支架+單層鋼筋砼進(jìn)行支護(hù)；2) 主斜井在返修43架16#工字鋼支架后，改為架設(shè)36U型鋼支架進(jìn)行返修；3) 采用鋼管混凝土支架，Φ194 mm×10 mm淺底拱型支架，棚距0.7 m；Φ219×12 mm全圓鋼管混凝土支架，間距為3架/m；4) 采用波雷因化學(xué)漿進(jìn)行超前預(yù)注漿，然后再采用鋼管混凝土支架+雙層鋼筋網(wǎng)(Φ25×200 mm)+450 mm混凝土聯(lián)合支護(hù)。

2.2 巷道圍巖變形破壞特征

根據(jù)已有研究表明[1-3]，巷道變形的特征有頂板下沉、變形、擴(kuò)容、冒頂；兩幫變形、收斂、擴(kuò)容、位移；頂板變形、破壞、底臌。根據(jù)礦壓顯現(xiàn)特征，可將巷道發(fā)生變形破壞分為3類：1) 頂板下沉、冒頂；2) 兩幫收斂位移，片幫(內(nèi)移)；3) 底臌。

這些因素嚴(yán)重影響巷道的穩(wěn)定性，因此,極弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖表現(xiàn)出其特有的變形破壞現(xiàn)象。

1) 斷面內(nèi)擠

頂?shù)资諗亢偷捉莾?nèi)擠，頂?shù)资諗亢蛢蓭蛢?nèi)擠變形破壞后的巷道圍巖，其主要特征是軟弱、松散和破碎，且軟化和泥化現(xiàn)象顯著。在膨脹段，膨脹壓力顯著且增長(zhǎng)速度快，支架架設(shè)后5 d～6 d便開始變形內(nèi)擠。巷道迎頭突然來壓，已掘進(jìn)好巷道在架設(shè)支架前膨脹巖土將已掘進(jìn)空間全部充填,巷道左幫收縮量達(dá)到1.5 m，右?guī)褪湛s量約1.3 m，如圖2所示。

圖2 斷面內(nèi)擠示意圖

2) 片幫、冒頂

由于斷面內(nèi)擠嚴(yán)重，支架出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)、折曲、扭曲、內(nèi)擠及下插底板、形成尖頂?shù)雀鞣N變形破壞方式。斷層帶處頂板與兩幫的漿皮出現(xiàn)不同程度的開裂，兩幫支架斷裂后兩幫圍巖受壓力擠出，導(dǎo)致噴層和圍巖之間產(chǎn)生較大離層，整體支護(hù)斷面損壞。隨著兩幫不斷內(nèi)擠，且因極軟巖無法形成持力層，誘導(dǎo)巷道頂板大面積垮落和嚴(yán)重冒頂，形成整體塌落，如圖3所示。

圖3 片幫、冒頂示意圖

3) 底臌

底板軟巖呈現(xiàn)大變形及強(qiáng)流變性。遇膨脹段，迅速膨脹，迎頭膨脹速度尤其快，在3 h左右，膨脹厚度近300 mm。底臌非常嚴(yán)重，達(dá)到2.0 m，嚴(yán)重影響安全。巷道遇全泥巖斷層段，底板開裂、上鼓，且從中間鼓起，部分底梁斷裂，最大處底臌量已達(dá)到3.6 m，持續(xù)變形，呈高強(qiáng)流變性，如圖4。

圖4 底臌示意圖

3 巷道變形破壞實(shí)測(cè)

開采煤層一般為以層狀形式賦存的沉積巖。未開挖的狀態(tài)下，由泥巖等形成良好的隔水層，使得巖層并不會(huì)全部受水的影響。開挖后，受擾動(dòng)開挖等動(dòng)載影響，圍巖裂隙發(fā)育，形成供水通道。在水化作用下該類軟巖的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生極大變異。試驗(yàn)所得結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)會(huì)有很大差異，為此，對(duì)該類軟巖巷道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)錨桿軸向力變化情況及富水條件下軟巖巷道變形特征巷道圍巖位移變化進(jìn)行觀測(cè)[4-5]。

3.1 錨桿失效的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

某礦井副井繞道及總回風(fēng)巷道監(jiān)測(cè)斷面布置如第183頁(yè)圖5所示，實(shí)效錨桿受力詳見第183頁(yè)圖6所示。

由圖6可知，30號(hào)錨桿(錨桿位置詳見圖5，下同)最大受力為20.62 MPa；26號(hào)受力曲線為馬鞍型曲線，最大受力為63.53 MPa；24號(hào)錨桿受力曲線為折線型曲線，最大受力為32.55 MPa。由監(jiān)測(cè)結(jié)果曲線分析可知，錨桿在10 d內(nèi)達(dá)到軸力峰值，造成錨桿實(shí)效，在隨后的6 d內(nèi)軸向力逐漸減小，直至完全實(shí)效。

3.2 巷道表面收斂變形實(shí)測(cè)

對(duì)礦井總回風(fēng)巷進(jìn)行U型鋼支架巷道表面收斂變形監(jiān)測(cè)，總回風(fēng)巷第一斷面收斂變形量隨時(shí)間增長(zhǎng)規(guī)律如第183頁(yè)圖7。

從圖7可以看出，在第一監(jiān)測(cè)斷面，巷道水平變形在第一個(gè)月達(dá)到201.5 mm，第二個(gè)月約為108 mm，第三個(gè)月約為80 mm，總變形量達(dá)到380.5 mm。從曲線形態(tài)可知，巷道圍巖進(jìn)行著長(zhǎng)期持續(xù)變形，U29型鋼支護(hù)無法有效控制本斷面巷道變形，無法實(shí)現(xiàn)巷道表面變形的快速收斂，不能保持巷道穩(wěn)定。

4 極弱膠結(jié)軟巖巷道變形破壞因素分析

在地下工程中，影響巷道穩(wěn)定的原因是由工程地質(zhì)特征、埋深開挖特點(diǎn)、支護(hù)形式的強(qiáng)度、施工工藝等多種因素共同作用的。極弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖變形破壞的主要因素概括為以下幾個(gè)方面：

圖5 錨桿監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖6 錨桿監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖7 總回風(fēng)巷第一斷面收斂變形量隨時(shí)間增長(zhǎng)圖

1) 弱膠結(jié)軟巖的基本特征

弱膠結(jié)軟巖的巖性是影響該類巷道圍巖穩(wěn)定性最基本的因素。巖石主要以富含強(qiáng)膨脹性黏土礦物的泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，力學(xué)性質(zhì)極差，屬極軟弱圍巖。泥巖遇水膨脹、軟化、崩解，流變、蠕變現(xiàn)象嚴(yán)重，強(qiáng)度很低，穩(wěn)定性差，是典型的軟弱圍巖。具有可塑性、持續(xù)變形的強(qiáng)流變性、強(qiáng)膨脹性、易崩解、易擾動(dòng)。由于極弱膠結(jié)軟巖在地下水的影響下巖體發(fā)生水化學(xué)作用，強(qiáng)膨脹性黏土礦物如蒙脫石、伊利石、高嶺石等產(chǎn)生膨脹、水解并在風(fēng)化后崩解，造成圍巖喪失持力層。加之，地下水通過微觀裂隙造成極弱膠結(jié)軟巖橫向各向同性損傷等在多種因素的耦合作用，極弱膠結(jié)軟巖遇水后產(chǎn)生很大的膨脹壓力，造成巷道大變形。且遇水軟化后因膠結(jié)軟弱，造成主動(dòng)支護(hù)中錨桿一旦鉆孔都會(huì)造成孔壁圍巖的軟化和泥化，形成一層泥膜，無法提供足夠的剪切強(qiáng)度，造成錨桿施工困難。

2) 復(fù)雜的地應(yīng)力場(chǎng)

雖然巷道埋深淺但正處于膨脹段或斷層帶，該斷層全部為泥巖，在地下水的影響下，巷道圍巖膨脹軟化產(chǎn)生強(qiáng)大膨脹壓力，且來壓快。圍巖遇水軟化持續(xù)變形，開挖后很容易形成應(yīng)力集中。加之開挖擾動(dòng)的影響，加速了水的動(dòng)態(tài)傳播促使巷道圍巖軟化范圍進(jìn)一步的擴(kuò)大，且形成動(dòng)態(tài)持續(xù)破壞，使得巷道破壞速度加快，破壞程度更加嚴(yán)重，底臌速度快且程度深，加大了極弱膠結(jié)軟巖巷道的支護(hù)難度。

3) 支護(hù)結(jié)構(gòu)不合理

一方面，未能有效形成主動(dòng)支護(hù)，不能整體應(yīng)對(duì)圍巖的大變形。另一方面，支護(hù)結(jié)構(gòu)材料性能不耦合，整體抗力不強(qiáng)。

5 結(jié)論

目前，在西部礦區(qū)該類極弱膠結(jié)軟巖問題極為普遍，但一直未能得到有效的解決。在極弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖弱膠結(jié)、強(qiáng)膨脹性、強(qiáng)流變性、變形量大、風(fēng)化后崩解的特有巖性下，為解決巷道變形破壞嚴(yán)重、不能有效維持巷道穩(wěn)定性的問題，本文以某礦軟巖巷道為研究背景，對(duì)錨桿受力進(jìn)行分析，對(duì)巷道變形大進(jìn)行初步分析，為后期巷道支護(hù)優(yōu)化提供借鑒。