殷齊浩，李春廷，李廷春，薛克龍，高啟強(qiáng)

(1.山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590；2.上海廟礦業(yè)有限責(zé)任公司新上海一號(hào)煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016215)

目前隨著東部煤炭資源的不斷減少，資源開發(fā)開始向西部地區(qū)轉(zhuǎn)移。西部地層多以白堊系及侏羅系軟巖為主，巖層多為泥巖及泥砂巖互層，此類巖體具有強(qiáng)度低、膠結(jié)差等特點(diǎn)[1-4]。在該類富水軟巖巷道開挖過程中，圍巖在地下水作用下強(qiáng)度降低，容易出現(xiàn)大變形，對(duì)圍巖的穩(wěn)定性控制帶來諸多難題[5-6]。特別在西部鄂爾多斯地區(qū)有1/4的礦井頂板是變質(zhì)程度不高的泥質(zhì)砂巖，在無水的情況下，巖體強(qiáng)度較大；但此類巖石遇水后將出現(xiàn)泥化現(xiàn)象，強(qiáng)度急劇降低，成為影響此類礦井掘進(jìn)的重要因素[7]。

眾多學(xué)者在軟巖穩(wěn)定性控制方面已開展了大量研究工作。王渭明等[8]在弱膠結(jié)軟巖巷道中提出了錨網(wǎng)索耦合支護(hù)方案；李為騰等[9]分析了地應(yīng)力等級(jí)、圍巖強(qiáng)度等級(jí)因素對(duì)軟巖巷道變形量、塑性區(qū)范圍等的影響規(guī)律；李廷春等[10]分析了泥化弱膠結(jié)軟巖地層中矩形巷道的變形破壞過程；李金蘭等[11]通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了軟巖巷道幫底錨注支護(hù)技術(shù)的有效性；王襄禹等[12]認(rèn)為造成富水弱膠結(jié)巷道圍巖變形破壞的主要原因是頂板含水層，并提出圍巖綜合控制技術(shù)；李樹剛等[13]對(duì)軟巖易風(fēng)化巷道提出全斷面支護(hù)并及時(shí)封閉的控制原則；YANG R等[14]認(rèn)為造成巷道變形的主要原因?yàn)轲ね恋V物含量高，以及支護(hù)不匹配；高云峰[15]在軟巖巷道中采用錨(索)網(wǎng)等多介質(zhì)聯(lián)合支護(hù)，在工程實(shí)際中取得良好效果。但目前對(duì)于富水條件下軟巖巷道的穩(wěn)定性控制技術(shù)還缺乏一定的研究，隨著我國(guó)西部礦區(qū)開采范圍的增加，保證此類巷道的圍巖穩(wěn)定性將變得越發(fā)重要。

根據(jù)新上海一號(hào)煤礦113082工作面運(yùn)輸巷建設(shè)資料，深入分析地下水對(duì)軟巖巷道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，并提出圍巖穩(wěn)定性控制對(duì)策。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 水文地質(zhì)概況

113082工作面運(yùn)輸巷沿八煤層掘進(jìn)，八煤層處于侏羅系延安組地層中，含水類型為粗粒砂巖孔隙水，較為富水，但富水性不穩(wěn)定，分布不均勻。該巷道主要受八煤層頂?shù)装迳皫r水的影響，施工的局部頂、底板存在淋水、涌水現(xiàn)象，預(yù)計(jì)最大涌水量為 20 m3/h，正常涌水量為8.5 m3/h，該含水層作為礦井的主要含水層之一，對(duì)巷道的掘進(jìn)有直接的影響。

1.2 煤層及頂?shù)装鍘r性

通過井下鉆孔取芯，八煤層厚度平均為3.10 m，傾角為3°～5°，煤層堅(jiān)固性系數(shù)f=1,頂?shù)装鍘r性特征如表1所示。頂?shù)装鍘r體以砂巖及砂質(zhì)泥巖為主，砂巖透水性強(qiáng)，砂質(zhì)泥巖吸水后易膨脹軟化，這對(duì)圍巖支護(hù)帶來困難。

2 地下水影響分析

2.1 對(duì)圍巖的影響

該煤礦位于鄂爾多斯地區(qū)，煤層屬侏羅系延安組地層，整個(gè)基巖段砂巖以泥質(zhì)膠結(jié)為主。砂質(zhì)泥巖在含水量極少的狀態(tài)下強(qiáng)度較高，表現(xiàn)出堅(jiān)硬砂巖的特性，但是遇水后容易崩解泥化，強(qiáng)度下降。同時(shí)，距八煤層頂?shù)装搴畬拥木嚯x較近，在掘進(jìn)時(shí)會(huì)受到延安組含水層的直接影響。

富水巷道開挖前，圍巖體處于較大的水頭壓力作用下，孔隙水壓力較高。由有效應(yīng)力原理可知，雖然圍巖總應(yīng)力較大，但骨架的有效應(yīng)力較低。巷道開挖后，圍巖臨空面的孔隙水壓力相比開挖前迅速降至大氣壓值，導(dǎo)致圍巖內(nèi)有效應(yīng)力大大升高，對(duì)于自身性質(zhì)較差的巖體極易超過其強(qiáng)度，導(dǎo)致巷道圍巖表面的裂隙向深部擴(kuò)展、貫通，并產(chǎn)生新的裂隙。隨著巷道圍巖的破裂向深部擴(kuò)展，塑性變形區(qū)不斷擴(kuò)大，從而使本來就比較軟弱的巖體更加容易發(fā)生失穩(wěn)破壞[16]。同時(shí)，隨著圍巖裂隙的擴(kuò)張，形成貫通的水力通道，巖體內(nèi)的泥質(zhì)成分與水發(fā)生泥化反應(yīng)，降低巖體的黏聚力和摩擦因數(shù)，弱化巖體強(qiáng)度，降低承載力及巖體的長(zhǎng)期強(qiáng)度，圍巖塑性區(qū)擴(kuò)大，不利于軟巖巷道的穩(wěn)定。

2.2 對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響

1)對(duì)錨固強(qiáng)度的影響：砂質(zhì)泥巖在水作用下發(fā)生泥化現(xiàn)象，巖體強(qiáng)度大幅度下降。對(duì)于錨固長(zhǎng)度相同的錨桿，當(dāng)圍巖強(qiáng)度降低時(shí)，錨桿的錨固點(diǎn)位置降低，錨固強(qiáng)度下降。

2)銹蝕的影響：巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)基本上為金屬材料，與水作用會(huì)加速支護(hù)結(jié)構(gòu)的銹蝕進(jìn)程。一方面是對(duì)桿體的銹蝕，降低桿體抗拉強(qiáng)度，使其過早出現(xiàn)破斷；另一方面是對(duì)托盤的銹蝕，若托盤及連接螺母銹蝕嚴(yán)重，錨(索)桿預(yù)應(yīng)力大幅度降低，錨固效果將大幅度下降。

3 富水軟巖巷道穩(wěn)定性控制方案

3.1 變形控制機(jī)理

根據(jù)采準(zhǔn)巷道礦壓理論，在各方等壓條件下，假設(shè)巷道半徑為r，塑性區(qū)半徑為R，巷道變形分析模型如圖1所示。

巷道圍巖塑性區(qū)半徑R及周邊位移u計(jì)算公式如下[17]：

(1)

(2)

(3)

式中:R為塑性區(qū)半徑，m；r為巷道半徑，m；p0為原巖應(yīng)力，MPa；Pi為支護(hù)強(qiáng)度，MPa；C為圍巖的黏聚力，MPa；φ為圍巖的內(nèi)摩擦角，(°)；μ為圍巖泊松比；K為側(cè)壓系數(shù)；E為圍巖彈性模量，GPa；σc為圍巖單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；η為巖體擴(kuò)容梯度。

由式(1)、(2)可以得出，巷道的塑性區(qū)范圍、收斂量與圍巖的物理力學(xué)參數(shù)密切相關(guān)。在E=2 GPa，η=2，μ=0.3，φ=30°，C=4 MPa的條件下，巷道圍巖收斂量與支護(hù)強(qiáng)度的關(guān)系如圖2所示。由圖2 可見，當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度為0.0 MPa時(shí)，巷道圍巖收斂量為0.31 m；而當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度為0.6 MPa時(shí)，巷道圍巖收斂量降低至0.18 m。

在p0=20 MPa，Pi=0 MPa，E=2 GPa，η=2，μ=0.3的條件下，巷道周邊的塑性區(qū)半徑、圍巖收斂量與巖體黏聚力C、內(nèi)摩擦角φ的關(guān)系如圖3、圖4所示。由圖3～4可以看出，隨著C、φ值的不斷增大，巷道圍巖的變形量明顯減小。因此，巷道開挖后應(yīng)盡量減小圍巖自身的強(qiáng)度損失，維護(hù)巷道的穩(wěn)定性。

圖4 巷道塑性區(qū)半徑、收斂量與圍巖內(nèi)摩擦角關(guān)系

3.2 巷道穩(wěn)定性控制方案

由上述分析可知，對(duì)于富水軟巖巷道，首先應(yīng)該采取有效的控水措施，盡量減小水對(duì)圍巖強(qiáng)度及支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，維護(hù)圍巖原有強(qiáng)度和支護(hù)強(qiáng)度；其次，采取針對(duì)性支護(hù)措施，設(shè)計(jì)合理的支護(hù)參數(shù)。

1)有效控水措施：水的作用會(huì)劣化圍巖強(qiáng)度，同時(shí)影響錨固劑、支護(hù)構(gòu)件的物理力學(xué)性能，降低支護(hù)強(qiáng)度。因此，在巷道掘進(jìn)時(shí)應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)水的管理，采取導(dǎo)、疏相結(jié)合的控水措施。

2)全斷面、多手段聯(lián)合支護(hù)：軟巖巷道在開挖初期具有變形量大、變形速率快等不利于巷道穩(wěn)定性的特點(diǎn)。在巷道開挖后應(yīng)及時(shí)恢復(fù)全斷面上的徑向應(yīng)力，限制圍巖的徑向位移。同時(shí)，根據(jù)圍巖不同部位的變形特點(diǎn)，采用不同支護(hù)手段，達(dá)到最優(yōu)支護(hù)效果。另外，增加預(yù)緊力，采用高強(qiáng)錨桿(索)支護(hù)體系，選取合理錨固參數(shù)，發(fā)揮圍巖自承能力。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 控水措施

在巷道一側(cè)開設(shè)疏導(dǎo)孔及時(shí)疏導(dǎo)頂板水，疏導(dǎo)孔內(nèi)不安裝錨桿或錨索。當(dāng)頂板淋水時(shí)可在巷道內(nèi)淋水處鋪設(shè)金屬網(wǎng)雨布，將頂板水引入水溝里。如果巷道內(nèi)出水嚴(yán)重，則在巷道低洼處設(shè)置沉淀池及水池，并通過水泵及時(shí)排出積水。

提前排放頂板水，減小地下水對(duì)巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)的影響，同時(shí)也可降低頂板錨孔內(nèi)的出水速度、減少出水量，減小水對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。通過水泵將積水及時(shí)排出，盡量降低水對(duì)底板表面及附近圍巖的影響。

4.2 聯(lián)合支護(hù)方案

1)頂板采用W型鋼帶、錨桿、錨索、金屬網(wǎng)支護(hù)。其中錨桿采用?22 mm×2 800 mm高強(qiáng)螺紋阻尼錨桿，間排距700 mm×700 mm，每根錨桿選用3卷MSZ2550樹脂錨固劑(有水時(shí)用K2550樹脂錨固劑)進(jìn)行錨固；錨索采用?17.8 mm×7 000 mm普通錨索，間排距1 400 mm×1 800 mm，每根錨索選用 5卷 MSZ2550樹脂錨固劑(有水時(shí)用K2550樹脂錨固劑)進(jìn)行端錨；金屬網(wǎng)采用?6 mm的Q235鋼筋焊接的網(wǎng)孔為100 mm×100 mm的經(jīng)緯網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格為 2 520 mm×720 mm，搭接長(zhǎng)度為100 mm。

2)兩墻采用鋼筋梯配合錨桿支護(hù)。其中鋼筋梯采用?12 mm圓鋼加工，鋼筋梯必須與頂部第1根錨桿(靠近兩墻)固定且置于W型鋼帶的上面；錨桿支護(hù)參數(shù)與頂板相同。

3)底板采用?20 mm×2 500 mm全螺紋錨桿，間排距700 mm×700 mm，用鋼筋網(wǎng)配鋼筋梯支護(hù)，噴漿封閉。

4)高強(qiáng)錨桿轉(zhuǎn)矩不小于300 N·m，錨固力不小于80 kN；螺紋錨桿轉(zhuǎn)矩不小于200 N·m，錨固力不小于80 kN；錨索預(yù)緊力不小于120 kN。

5)噴漿砼強(qiáng)度等級(jí)為C20，全斷面進(jìn)行噴漿，噴層厚度100 mm。

巷道斷面支護(hù)情況如圖5所示。

圖5 巷道斷面支護(hù)示意圖

5 數(shù)值模擬預(yù)測(cè)分析

5.1 模型建立

為驗(yàn)證方案的可行性，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行計(jì)算，該模型尺寸為50 m×25 m×2 m，材料參數(shù)如表2所示。在模型中間開挖直墻半圓拱巷道，其寬5.2 m、墻高2.5 m?？紤]到地下水對(duì)圍巖的影響，將模型中巷道周邊泥巖及砂質(zhì)泥巖的材料參數(shù)折減30%。巷道開挖后，按照4.2節(jié)支護(hù)方案進(jìn)行全斷面一次性支護(hù)。巖層采用Mohr-Coulomb模型，上覆巖層的重力按照均布荷載的形式施加在模型上邊界，模型共劃分22 635個(gè)單元，26 240個(gè)節(jié)點(diǎn)，具體模型如圖6所示。

表2 圍巖力學(xué)參數(shù)

圖6 巷道模擬模型

5.2 預(yù)測(cè)分析

計(jì)算過程中對(duì)巷道變形量、塑性區(qū)范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以巷道開挖后80 d作為計(jì)算終止標(biāo)準(zhǔn)。基于監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制垂直和水平位移云圖、最大和最小主應(yīng)力云圖、塑性區(qū)范圍、位移發(fā)展曲線圖，如圖7～8所示。

(a)水平位移云圖

(b)垂直位移云圖

(c)最小主應(yīng)力云圖

(d)最大主應(yīng)力云圖

(e)塑性區(qū)范圍

圖8 巷道變形發(fā)展曲線

由圖 7(a)、(b)可知，當(dāng)巷道完成支護(hù)后，淺部圍巖的位移量大于深部圍巖的位移量。

由圖7(c)、(d)、(e)可知，巷道頂、底板出現(xiàn)了小范圍受拉區(qū)，最大拉應(yīng)力為0.794 MPa;模擬計(jì)算求得巷道頂板松動(dòng)圈范圍為 1.95 m，兩幫松動(dòng)圈范圍為1.56 m;底板砂質(zhì)泥巖下方0.7 m厚的煤層，其強(qiáng)度較低，出現(xiàn)小范圍塑性區(qū)。圍巖松動(dòng)圈范圍均小于錨桿設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，充分說明該設(shè)計(jì)方案的合理性，能夠有效維護(hù)巷道圍巖的穩(wěn)定。

由圖8可知，巷道開挖40 d后巷道收斂變形逐漸趨于穩(wěn)定。開挖80 d后，頂板、底板及兩幫最終位移量分別為10.95、7.87、8.55 mm。巷道位移量呈現(xiàn)對(duì)稱分布，頂板位移量大于兩幫位移量，巷道底板位移量最小。上述數(shù)據(jù)充分說明該設(shè)計(jì)方案能夠有效控制圍巖的變形。

6 結(jié)論

1)新上海一號(hào)煤礦113082工作面運(yùn)輸巷屬典型的軟巖巷道，影響巷道穩(wěn)定性的主要因素為圍巖強(qiáng)度低,以及周邊地下水的影響。

2)富水軟巖巷道在施工時(shí)受到地下水的作用，巷道開挖后圍巖強(qiáng)度下降，長(zhǎng)期強(qiáng)度降低，塑性區(qū)范圍增大，加劇圍巖的變形。另外，地下水的侵蝕會(huì)造成支護(hù)結(jié)構(gòu)的錨固能力降低。

3)針對(duì)富水軟巖巷道可采用以下措施維持其穩(wěn)定性：首先采取導(dǎo)、疏結(jié)合的控水措施，減小對(duì)原有圍巖強(qiáng)度的影響，降低對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的損害；另外采用全斷面、多手段聯(lián)合加固的支護(hù)手段，有效控制圍巖變形，有利于實(shí)現(xiàn)巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

4)根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，巷道頂板、底板及兩幫最終位移量分別為10.95、7.87、8.55 mm，說明該方案能夠有效控制圍巖的變形，保持巷道的穩(wěn)定性。