王正勝，李建忠，林 健，楊 磊，孟憲志

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

隨著我國淺部煤炭資源的逐步開采，礦井開采深度逐年增加，地質環(huán)境及巷道圍巖應力條件逐步惡化，底鼓現象已經成為煤礦中極為常見的礦壓現象之一。據統(tǒng)計，隨開采深度的逐步增加，深部礦井巷道底鼓占頂底板移近量的2/3～3/4[1]，嚴重影響了礦井的通風、運輸及行人，底鼓問題已成為深井軟巖巷道支護的突出難題。

多年來，廣大學者從底鼓形成機理、影響因素和治理方法等方面對底鼓進行了深入研究，總結歸納各種因素影響下的底鼓機理分為擠壓流動型底鼓、撓曲褶皺型底鼓、剪切錯動型底鼓、遇水膨脹型底鼓4種，影響巷道底鼓主要有底板巖性、圍巖應力、水理作用及支護強度4個因素，不同的底鼓機理采用的控制方法也不一樣[2-3]。淺部巷道圍由于地應力較小，巷道底鼓程度小，通常采用錨桿加固巷道兩幫及幫角即可有效控制底鼓[4-5]。進入深部開采后，在高地應力作用下，單純加固巷道兩幫及底角并不足以有效控制巷道的強烈底鼓問題，必須對底板采取相應的加固措施才能有效控制底板的強烈底鼓變形。底板加固方法包括帶底拱的U型鋼可縮性支架全斷面支護法及底板錨桿錨索[6]、底板注漿和錨注結合[6]的加固法2類。封閉式U型鋼可縮性支架對控制軟弱破碎巷道底鼓具有顯著效果[2]，但全斷面支護法成本高、工序復雜且周期長，十分不利于礦井的高產高效。注漿加固能夠充填壓密裂隙、封閉水源、隔絕空氣、提高圍巖結構面強度與剛度，顯著增強巖體強度[7]，同時還能夠為錨桿錨索支護提供可靠的基礎，錨桿錨索支護可有效抑制圍巖的變形及裂紋的產生、擴展及延伸[8]。眾多學者通過底板錨桿加固[9]、底板注漿聯(lián)合錨桿支護[10]等方式，有效解決了大量不同地質條件巷道底鼓問題。

目前，對于深部高應力富水黏土軟巖條件下的強烈底鼓問題研究較少，該類巷道的特點是地應力高、軟巖底板強度低，底板遇水泥化節(jié)理迅速張開導致圍巖強度大幅降低[11]，底板圍巖可錨性下降，傳統(tǒng)錨固劑遇水時錨固性能大幅降低，嚴重制約了底板錨桿錨索對底板圍巖的加固作用。為解決深部高應力富水黏土軟巖巷道強烈底鼓問題，以蔣家河煤礦二采區(qū)回風大巷為研究對象，分析了該大巷底鼓機理及影響因素，基于UDEC-Trigon離散元模擬方法分析了底鼓變形特征及錨注支護加固底板機理，自主研發(fā)了新型耐水錨固劑并成功應用于深部高應力富水軟巖大巷底板加固，提出的改進支護方案有效控制了深部高應力富水黏土軟巖巷道強烈底鼓問題。

1 工程概況及底鼓影響因素

1.1 工程概況

蔣家河礦二采區(qū)回風大巷沿4號煤層頂板掘進，北鄰二采區(qū)軌道大巷(圖1)，大巷間煤柱寬40 m，南為1402工作面采空區(qū)，護巷煤柱70 m，大巷埋深為600～625 m。4號煤單軸抗壓強度16.84 MPa，4號煤下方為6 m厚炭質泥巖和4 m厚鋁質泥巖，單軸抗壓強度分別為17.49 MPa及26.75 MPa，強度低且含黏土礦物，屬黏土性軟巖，大巷承擔采空區(qū)放水任務，底板含水較為突出，底板圍巖遇水軟化較為嚴重。實測最大水平主應力為23.99 MPa，最小水平主應力12.05 MPa，垂直主應力14.07 MPa，在量值上屬于高地應力區(qū)，且最大水平主應力方向與大巷軸向垂直。大巷底板泥巖受水理因素影響，在深部高水平應力及垂直應力作用下，導致巷道穩(wěn)定性極差。

大巷底板未支護，原有處理底板方式為挖底，但挖底一段時間后底鼓又迅速增加，反復維修大幅影響礦井的正常生產、運輸及通風。

1.2 底鼓概況及影響因素分析

原有支護方式下大巷變形以強烈底鼓為主，圍巖變形破壞具有以下特點：①全范圍變形：全巷都有不同程度的底鼓，大巷總長1 500 m，其中底鼓量超過1 m的巷道總長達900 m，最嚴重段底鼓量達1.8 m，底鼓呈現中間大、幫角小的特征。②漸變性。大巷底鼓表現為隨時間推移的流動變形特征，且隨著巖層向底板深部擴容變形，底鼓程度也逐漸增加。③整體性。底板圍巖強烈變形破壞后，巷道圍壓整體性降低，當底板破壞達到某種程度后頂板及兩幫圍巖也逐步發(fā)生破壞。大巷底鼓變形呈現全范圍、漸變性及整體性的變形特點，表現出軟巖巷道變形破壞特征[10]?；诖笙锏坠淖冃翁卣?，分析影響大巷底鼓主要因素如下：

1)高水平應力擠壓作用該巷道最大水平主應力方向垂直與大巷軸向垂直，對巷道穩(wěn)定極為不利，在高水平應力擠壓作用下，底板易發(fā)生擠壓流動性底鼓變形。

圖1 蔣家河煤礦大巷平面布置Fig.1 Main roadway layout of Jiangjiahe coal mine

2)底板圍巖巖體遇水強度弱化。大巷底板炭質泥巖及鋁質泥巖中蒙脫石含量達到26%，具有很強遇水膨脹性，高嶺石含量達到65.1%。大巷底板含水較為突出，4號煤底板炭質泥巖及鋁質泥巖遇水軟化，尤其是鋁質泥巖軟化較為嚴重，實驗室實測飽水抗壓強度僅9.76 MPa，圍巖強度明顯降低，穩(wěn)定性大幅度減弱。底板含黏土軟巖在遇水情況下產生遇水膨脹性底鼓變形。

3)底板支護薄弱。大巷原支護只對頂板及兩幫采用錨桿錨索及噴漿支護，錨桿為?22 mm×2 400 mm普通螺紋鋼錨桿，間排距700 mm×700 mm，預緊力為20 kN，鋼筋網護表，錨索為?15.24 mm×7 300 mm鋼絞線，三花布置，間排距為2 100 mm×1 400 mm，表面為厚100 mm混凝土噴層。

大巷自掘進后，在高水平應力及黏土軟巖遇水泥化作用影響下，呈現擠壓流動性和遇水膨脹性底鼓。原支護系統(tǒng)作用下頂板及兩幫存在一定程度的變形，但變形主要以底鼓為主，且處理底鼓的方式主要是挖底，但挖底治標不治本，挖底一段時間后底板又發(fā)生較大底鼓變形。

2 回風大巷支護數值模擬

為深入分析深部高應力富水黏土軟巖大巷底鼓機理及錨桿支護系統(tǒng)加固機制，利用UDEC-Trigon數值模擬方法，以蔣家河礦二采區(qū)回風大巷為工程背景進行模擬計算與分析。

2.1 數值模型

UDEC-Trigon數值模擬方法能夠顯示模擬節(jié)理的產生、擴展、延伸及貫通的全過程，并能夠較好的模擬錨桿支護抑制圍巖變形破壞的過程[12]。基于UDEC-Trigon離散元方法，依據給定工程地質條件構建數值模型如圖2所示，為加快模型計算速度，數值試驗中只對巷道附近的圍巖網格進行精細劃分，網格尺寸為0.25 m。模型材料本構均為Mohr-Coulomb，塊體間接觸(contact)為Mohr-Coulomb，塊體破壞分為兩部分，塊體本身塑性破壞(tensile/yield)及塊體間接觸張拉或剪切破壞(tensile/shear)。

1—細粒砂巖；2—粗粒砂巖；3—砂質泥巖；4—4-1煤；5—上部為細粒砂巖，下部為砂質泥巖；6—4煤；7—炭質泥巖；8—鋁質泥巖；9—砂質泥巖；10—細粒砂巖圖2 UDEC數值計算模型Fig.2 UDEC numerical simulation model

模型中各巖層及接觸力學參數見表1。

表1 UDEC數值模型煤巖體力學校核參數Table 1 Calibrated micro-properties in UDEC model to represent rock mass at mine study site

模型中巖體力學性質通過相應的巖石單軸抗壓強度、彈性模量按照0.58的系數進行折減[11]，底板泥巖考慮泥化作用導致泥巖強度大幅降低作用的影響，根據實驗室泥巖飽水抗壓強度實測結果，取軟化系數為0.35。塊體間接觸法向剛度[12]Kn為

(1)

其中：K、G分別為巖石體積模量與剪切模量；ΔZmin為接觸附近巖石塊體最小網格單元尺寸。結構面切向剛度Ks=0.4Kn。

利用UDEC內置Cable單元模擬實際錨桿、錨索，Liner單元模擬鋼帶，根據現場實際使用錨桿、錨索及鋼帶力學參數，確定模型中Cable及Liner力學參數。混凝土噴層采用實體單元模擬，厚100 mm，Cable單元參數見表2，Liner單元參數如下：

介質混凝土噴層彈性模量/GPa12.0接觸粘聚力/MPa5.0接觸內摩擦角/(°)31接觸抗拉強度/MPa1.23法向剛度/(GPa·m-1)30切向剛度/(GPa·m-1)1.23

表2 Cable單元UDEC數值模擬支護參數Table 2 Properties of support elements of Cable Unit in UDEC model

大巷自掘進開始就呈現整體的持續(xù)變形，且鄰近工作面已經回采完畢，故模擬只針對高地應力及水理作用2個因素進行考慮。

2.2 模擬結果

巷道未支護時周邊有大量裂紋形成，張拉裂紋主要分布于巷道淺部圍巖，剪切裂紋分布于巷道深部區(qū)域，剪切裂紋在頂板、兩幫及底板擴展深度分別為2.9、2.6、5.4 m，底板裂紋擴展深度、廣度尤為明顯(圖3a)，底板形成的大量裂紋容易形成底板導水裂隙帶，導致底板泥巖遇水軟化降低圍巖強度。巷道整體變形顯著，尤其以整體向巷道內部空間擠出的底鼓變形為主(圖4a)，部分圍巖擠出至巷道空間，底板裂紋擴展深度明顯，呈現擠壓流動性底鼓特征。原支護方案對頂板及兩幫采用錨桿支護加固后，巷道頂板及兩幫圍巖淺部張拉裂紋明顯減少，剪切裂紋在頂板、兩幫擴展深度分別為2.2、2.0 m，剪切裂紋數量、擴展深度也明顯減少，錨桿支護抑制巷道頂板及兩幫變形明顯。巷道底板未支護，底板裂紋擴展深度與未支護時相同，底板裂紋擴展廣度較未支護時有一定程度的減小，但底鼓依舊十分強烈(圖4b)。原支護方案能夠從一定程度改善巷道頂板及兩幫圍巖變形破壞狀態(tài)，但頂板及兩幫變形及裂紋擴展依舊較為突出，且未能解決巷道強烈底鼓問題。

基于原支護系統(tǒng)對巷道圍巖變形破壞狀態(tài)改善作用存在的問題，提出改進支護方案，主要改進包括以下4點：①底板采用直徑22 mm、長5.5 m、預緊力為180 kN的錨索進行加固，并用Linear模擬托盤及網，錨索間排距為1 m×1 m；②頂板及兩幫錨桿預緊力由原有的20 kN提升到70 kN；③頂板、兩幫補打錨索支護，加固錨索直徑22 mm、長6.3 m；④頂板、兩幫及底板進行注漿加固，頂板及兩幫注漿孔深5 m，底板注漿孔深2.5 m，注漿加固通過提升注漿范圍內節(jié)理力學性質的20%來模擬[1]。改進支護作用下巷道周邊裂紋數量顯著減少(圖3c)，巷道淺部拉裂紋基本消失，頂板、兩幫及底板剪切裂紋擴展深度為分別為1.0、1.4、3.6 m，遠少于原支護的2.2、2.0、5.6 m，底板剪切裂紋擴展廣度、裂紋分布密度及數量也遠少于原支護，底鼓量僅為208 mm，巷道底板破壞程度、深度(圖3c)及程度都得到有效控制(圖4c)。

大巷采取支護后能夠抑制圍巖的屈服破壞、減小塑性區(qū)分布范圍(圖5)，尤其是在改進支護作用下底板淺部張拉屈服破壞明顯改善。但對深部高應力軟巖巷道圍巖而言，由于圍巖強度低，在高應力作用下巖體易發(fā)生屈服，并產生隨時間推移的流變特性，采取錨桿、錨索支護及注漿加固方式加固巷道對于抑制塑性區(qū)的產生的效果遠不如抑制裂紋產生、擴展延伸及貫通明顯。錨索支護主要作用在于控制底板黏土巖體節(jié)理裂隙的產生、擴展延伸及貫通，抑制水滲透到底板軟巖，避免泥巖遇水弱化，提高圍巖的完整性，圍巖系統(tǒng)與支護形成整體，抵抗高水平應力擠壓作用導致的強烈底鼓變形。

底板錨索支護后可給圍巖提供一定的支護應力場[14]，支護應力場雖然較小，但卻能夠有效抑制底板圍巖應力釋放，避免淺部拉應力區(qū)形成及深部圍巖應力釋放(圖6)，確保圍巖處于穩(wěn)定應力狀態(tài)。

3 高應力富水黏土軟巖底鼓控制技術

針對富水軟巖巷道條件傳統(tǒng)錨固劑錨固效果差問題，自主研發(fā)了新型耐水錨固劑，并在蔣家河二采區(qū)回風大巷進行了現場錨固拉拔試驗。

3.1 新型耐水錨固劑研發(fā)

傳統(tǒng)錨固劑在淋水較大或積水情況下錨固錨桿(索)性能較差，不利于充分發(fā)揮錨桿(索)支護作用，導致巷道圍巖發(fā)生強烈變形。自主研發(fā)了一種適合在含水量較大巖層中錨固錨桿(索)的新型耐水錨固劑TDYQ-MSNS，該錨固劑采用ER-1作為樹脂，以改性聚酯PM-1為主劑，與粗石粉、細石粉混合均勻，配置成錨固劑A組分，選取在水域中能很好引發(fā)、固化該聚酯的固化劑Ⅰ與界面劑配置成耐水錨固劑B組分。錨固劑分為A、B兩種組分，其中樹脂與固化劑質量比為2.5∶1，主劑與固化劑質量比為5∶1。

在灌制砂漿的鐵桶內預制?60 mm、長80 mm的模擬鉆孔，鉆孔內灌滿水模擬大巷底板積水狀況，以加入水量與鉆孔溶劑相比定義為鉆孔積水率，對普通錨固劑在不同積水率與新型耐水錨固劑100%。

圖3 UDEC模型裂紋分布Fig.3 Fractures distribution in UDEC model

圖4 UDEC模型巷道變形Fig.4 Roadway deformation in UDEC model

圖5 UDEC模型塑性區(qū)分布Fig.5 Plastic zone distribution in UDEC model

圖6 UDEC模型垂直應力云圖Fig.6 Vertical stress distribution in UDEC model

在不同積水率下的錨索進行拉拔試驗。試驗錨索直徑為22 mm，錨索錨固長度700 mm。錨固結束后24 h進行拉拔試驗，試驗過程如圖7所示，實測結果見表3。

表3 錨固劑拉拔力試驗Table 3 Tensile test of anchoring agent

圖7 實驗室錨索錨固Fig.7 Laboratory test of anchor cable anchorage

普通錨固劑在積水率為0時平均拉拔力為203.1 kN，隨積水率增加拉拔力逐步降低，積水率為49%時錨索平均拉拔力僅68.5 kN，可預知的是，隨積水率的提高拉拔力將進一步降低；新型耐水錨固劑在100%積水率情況下，錨索平均拉拔力達196.3 kN，與普通錨固劑在積水率為0時基本一致，表明新型耐水錨固劑適合于含水率較高條件的巷道圍巖錨桿(索)的錨固。表4為現場7個測點底板錨索錨固試驗參數及測試數據，錨索錨固2 h后進行拉拔。

表4 錨索錨固試驗參數及實測數據Table 4 Parameters of anchor cable anchorage and measured data

錨索錨固段2.0 m，施加預緊力最大為230.00 kN，最小209.93 kN，錨索拉拔過程中未出現錨索脫錨松動現象。

研究結果表明，自主研發(fā)的新型耐水錨固劑能夠有效解決底板積水情況下底板錨索錨固問題，為控制大巷底板圍巖變形提供了有利條件。

3.2 底鼓控制方案

基于回風大巷軟弱泥巖底板受高水平應力及水理作用影響下巷道底板發(fā)生水平擠壓流動性底鼓和遇水膨脹性底鼓的變形破壞特征及數值模擬結果，提出深部高地應力富水黏土軟巖強烈底鼓支護原則如下：①注漿封閉導水裂隙帶：注漿加固可提高泥巖底板整體性，封閉內部導水裂隙，提高底板圍巖強度，為底板錨索提供可靠錨固基礎；②及時、主動支護。待漿液擴散并凝固后，從空間及時間上及時完成底板錨索支護工序，并施加足夠的預緊力，通過托盤、網等護表構件使得預應力有效的擴散到底板圍巖中，給底板圍巖施加壓應力，限制底板圍巖應力的釋放，有效改善底板圍巖應力狀態(tài)，抑制底板圍巖內部裂隙的產生、擴展延伸及貫通，避免形成導水裂隙帶而降低底板圍巖強度。③整體高強支護原則。加強頂板及兩幫支護強度既可有效抑制頂板及兩幫圍巖的變形破壞，還可一定程度上提高底板圍巖的穩(wěn)定性。

基于以上支護原則，提出大巷支護方案如圖8所示：①大巷全斷面采用水泥漿注漿加固，幫頂注漿孔深5 m，底板注漿孔深2.5 m(圖8a)，注漿壓力1～3 MPa，底板注漿完成3 d后進行錨索加固；②頂板及兩幫采用直徑22 mm、長2.4 m錨桿進行錨固，錨桿預緊轉矩為300 N·m，預緊力不低于70 kN；③頂板及兩幫錨索直徑22 mm、長6.3 m，錨索間排距為1.2 m，配套300 mm×330 mm×16 mm高強度鋼板，錨索預緊力不低于180 kN；④底板采用直徑22 mm、長5.5 m的高強度錨索進行加固，利用自主研發(fā)的新型耐水錨固劑進行錨固，錨索預緊力不低于180 kN，配套300 mm×330 mm×16 mm高強度鋼板及直徑6.5 mm的鋼筋網護表構件支護，錨索錨固長度2.0 m，自由段全長一次性注漿實現全長預應力錨固。

圖8 大巷支護與加固設計示意Fig.8 Schematic plot of support and reinforcement of main return roadway

4 工程應用效果

1)巷道表面位移。大巷內設置了3個測站測量大巷表面位移(圖9)，用以評估大巷改進支護系統(tǒng)是否合理有效。大巷支護完成后的40 d內是大巷變形迅速增加時期，40～200 d期間，大巷變形逐步趨于穩(wěn)定。3個測站實測大巷變形量最大的為測站3，最小的為測站1，測站3實測大巷兩幫移近量、底鼓及頂板下沉量最大分別為202、92、59 mm，底鼓量遠高于頂板下沉及兩幫移近，但巷道整體變形得到有效改善，底板圍巖穩(wěn)定性大幅提高(圖10)。

圖9 巷道變形曲線Fig.9 Convergence curves of main return roadway

圖10 回風大巷支護狀況Fig.10 Reinforcement states of main return roadway

2)錨索受力。大巷頂底板及兩幫錨索上安裝測力計監(jiān)測底板錨索受力變化，監(jiān)測結果如圖11所示。錨索安裝后，巷道全斷面錨索受力在40 d內呈現整體上升趨勢，之后趨于平穩(wěn)，這與實測大巷變形特征一致，在改進支護作用下大巷底板支護系統(tǒng)受力變形趨于穩(wěn)定。

圖11 錨索受力監(jiān)測結果Fig.11 Anchor cable force monitoring result

5 結 論

1)深部高地應力富水黏土軟巖巷道底板在高地應力及水理因素影響下發(fā)生擠壓流動性底鼓和膨脹性底鼓，巷道呈現全范圍、漸變性及整體性的底鼓特征，單純的加固頂板及兩幫不足以有效控制巷道的強烈底鼓問題。

2)UDEC離散元數值模擬研究表明，錨注支護對于減小深部高應力開采條件圍巖塑性區(qū)分布作用不明顯，其主要作用在于控制底板圍巖淺部張拉裂紋的產生和深部剪切裂紋的產生、擴展延伸及貫通，抑制底板導水裂隙帶的形成，避免圍巖遇水泥化弱化巖體強度；錨索支護系統(tǒng)為底板圍巖提供支護應力場可有效抑制底板圍巖應力釋放，避免淺部近零應力區(qū)形成及深部圍巖應力釋放，確保圍巖的穩(wěn)定應力狀態(tài)。

3)自主研發(fā)了適合積水條件下錨桿(鎖)錨固新型耐水錨固劑，實驗室實測含水率為100%時錨固力達196.3 kN，現場實測富水底板條件錨索拉拔力達209 kN以上，可有效解決富水條件下錨桿(索)錨固問題，利于充分發(fā)揮錨桿(索)支護作用。

4)現場試驗研究表明，采用錨注支護加固底板后，底板錨索支護系統(tǒng)與底板圍巖系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，底板圍巖系統(tǒng)與支護系統(tǒng)可形成整體抵抗高水平應力擠壓導致的底鼓變形，實測大巷底鼓最大變形為202 mm，錨注支護有效控制了深部高應力富水黏土軟巖強烈底鼓問題。