經(jīng)來旺，嚴(yán) 悅

(1.安徽理工大學(xué) 礦山工程力學(xué)與支護技術(shù)研究所，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大學(xué) 力學(xué)與光電物理學(xué)院，安徽 淮南 232001)

隨著我國煤炭開采深度的不斷增大，井下機電硐室等結(jié)構(gòu)的圍巖應(yīng)力也在不斷地增大，巖石的蠕變效應(yīng)也越來越顯著[1-4]，底鼓現(xiàn)象十分突出，嚴(yán)重的底鼓不僅危及到硐室內(nèi)機電裝備的安全運營，還嚴(yán)重地危及到煤礦的安全生產(chǎn)[5-7]。雖然多年來誕生了眾多關(guān)于井下巷道和硐室底鼓控制的研究成果[8-11]，但工程地質(zhì)環(huán)境的多樣性和不斷拓深的開采水平都一再擴展了這一領(lǐng)域的研究空間，從而也將這一領(lǐng)域的理論和技術(shù)水平不斷地向前推進。以皖北礦區(qū)鄒莊煤礦-800m水平機電硐室為研究對象，細(xì)致地分析了底鼓變形破壞的力學(xué)機理，并基于圍巖承載結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性原理給出了底鼓變形控制的力學(xué)機理與治理技術(shù)。

1 工程概況

淮北礦區(qū)鄒莊煤礦-800m水平機電硐室長78m，硐室兩端為14m長的小斷面(凈寬×凈高=3200mm×3200mm)；中間為50m長的大斷面(凈寬×凈高=5000mm×3800mm)，硐室斷面形狀為馬蹄形，初始支護設(shè)計是錨網(wǎng)噴支護。

硐室竣工之時，底板即發(fā)生明顯底鼓，頂板漿皮也出現(xiàn)大范圍炸裂現(xiàn)象，不得不實施底板淺層注漿和二次錨網(wǎng)噴注工程。然而，底鼓和圍巖變形并沒有停止，半年之后，巷道底鼓量已超過870mm，機電設(shè)備傾斜嚴(yán)重；同時，巷道兩幫大幅內(nèi)收且嚴(yán)重向內(nèi)傾斜，頂板也再次發(fā)生嚴(yán)重的大范圍炸皮開裂。半年后即開展了第一次“刷幫臥底”大修。

大修一年后，巷道再次嚴(yán)重變形，底鼓量高達(dá)910mm，兩幫幫底內(nèi)移量達(dá)760mm，同時拱腰部位也變形嚴(yán)重，多處混凝土噴層碎裂掉落或懸掛于鋼筋網(wǎng)上。考慮到該硐室服務(wù)期限較長，故決定將其中的機電設(shè)備暫時搬離以便于徹底治理圍巖變形，研究更科學(xué)合理的治理方案。

2 硐室圍巖底鼓發(fā)生因素及機理分析

硐室底鼓發(fā)生機理的剖析離不開一系列與之相關(guān)的因素，其中主要的因素是圍巖巖性軟弱、高地壓、底板水害和支護方案的不合理，逐一剖析引發(fā)底鼓的力學(xué)機理。

鄒莊煤礦-800m水平機電硐室綜合柱狀圖如圖1所示，圖中顯示巷道位于一厚達(dá)9.75m的泥巖層之中。由表1中的實驗數(shù)據(jù)可知，泥巖的平均抗壓強度為14.05MPa；細(xì)砂巖的平均抗壓強度為29.23MPa。如此差的巖性使得圍巖的自承載能力較低，這是該硐室圍巖發(fā)生嚴(yán)重變形的一個主要原因。另外，面臨如此軟弱圍巖的條件，底板卻無任何支護措施，發(fā)生底鼓自然在情理之中。

圖1 鄒莊煤礦-800m水平機電硐室綜合柱狀

表1 巖石抗壓強度測試

鄒莊煤礦-800m水平機電硐室所在地地表標(biāo)高為30m，硐室頂板標(biāo)高-735.4m、底板標(biāo)高-740.5m，實際埋藏深度為-765m，層位較深，原始地應(yīng)力較大，豎向地應(yīng)力達(dá)18.75MPa。另外，硐室與東翼皮帶大巷近垂直空交，次生地壓相互影響，應(yīng)力集中程度進一步提高。

圍巖性質(zhì)和地應(yīng)力是衡量圍巖穩(wěn)定性的兩個關(guān)鍵因素，盡管此處地應(yīng)力絕對數(shù)值不算大，但相對于強度如此低的圍巖，其相對數(shù)值已是非常高。這是圍巖變形嚴(yán)重的又一重要因素。

巷道底板錨索孔的鉆孔過程表明幾乎底鼓嚴(yán)重的巷道底板中均蘊含有大量的水，含水范圍一般位于距底板下方0.5～4.5m的范圍內(nèi)，通常情況下鉆取一個深度7m左右、直徑80～90mm的垂直鉆孔，突水量約1～2t。這部分水主要來源于圍巖中靜態(tài)裂隙水的緩慢滲入、巷道掘進施工用水的聚積等。聚積在底板中的水對泥質(zhì)底板巖石具有巨大的軟化效應(yīng)，強度軟化系數(shù)高達(dá)0.08[12]。

由于底板巖性的大幅軟化，其承載能力嚴(yán)重削弱，松動圈范圍逐漸向深部擴展，從而使得硐室圍巖整體松動圈的外邊界形狀呈現(xiàn)出縱向尺寸較大、橫向尺寸較小的情況，如圖2(a)所示。這一推測隨著底板錨索鉆機的問世也被反復(fù)地證實，因為依據(jù)鉆機鉆進的阻力和速度變化可以確定底板松動圈的邊界范圍。

泥質(zhì)底板巖石在浸水軟化的過程中，會逐漸發(fā)生裂解，裂解的過程中體積會膨脹，由于底板松動圈的左右和下方邊界都是固定邊界，體積膨脹所導(dǎo)致的巖體變形位移的方向只可能是底板上方，從而導(dǎo)致底鼓發(fā)生。很多底鼓治理案例表明，底板含水松動圈的深度通常在底板下方4.0～5.0m范圍，如此大范圍巖體浸水裂解發(fā)生的體積膨脹量是一個非常大的數(shù)值，故相應(yīng)的底鼓量自然不可輕視。

巷幫失穩(wěn)內(nèi)移擠壓底板軟化巖體發(fā)生底鼓。為了更清楚地剖析底鼓發(fā)生的多重因素，現(xiàn)將松動圈從巖體中分離出去來單純地分析松動圈外圍承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性情況。

分離了松動圈后的圍巖如圖2(b)所示。依據(jù)彈性理論不難理解處于較大地應(yīng)力場中的這一豎向的近似橢圓孔最易失穩(wěn)破壞之處是左右兩幫，當(dāng)失穩(wěn)發(fā)生后兩幫會逐漸發(fā)生內(nèi)移，巷道底板以下部分的兩側(cè)幫的向內(nèi)位移勢必會擠壓已經(jīng)軟化后的底板松動圈內(nèi)的巖體，由于受擠壓的巖體只能發(fā)生向上的位移，于是底鼓發(fā)生。

圖2 松動圈

綜上所述，底鼓發(fā)生的因素并不是單一的，除了上述主要影響因素之外，某些具有膨脹性的巖石底板也會導(dǎo)致底鼓的發(fā)生[13，14]，但大多數(shù)情況下，上述4大因素是底鼓發(fā)生的主要因素，且4大因素之間也不是相互獨立的，彼此之間相互關(guān)聯(lián)，對底鼓的發(fā)生有相互促進的作用。下面依據(jù)底鼓發(fā)生的主要因素來研究分析底鼓控制的機理與措施。

3 底鼓控制機理研究

上述4大底鼓發(fā)生因素可以劃分為可控因素和難控制因素兩大類，其中高地壓屬于難控制因素，這類因素的共同特點是難以采取有效措施降低其影響程度；另外3個因素屬可控因素，這類因素的共同特點是可以通過某些措施有效地降低其影響程度。對于難控制因素，通常情況下沒有必要采取控制措施；對于可控因素則需要研究相應(yīng)措施降低其影響程度。

3.1 巖體改性

即通過注漿等手段將松散破碎的圍巖重新膠結(jié)，使之物理力學(xué)性質(zhì)提高。依據(jù)彈性力學(xué)理論[15]可知注漿改性后的巖體，在同一個應(yīng)力場中，其徑向應(yīng)力分布規(guī)律曲線的增長速度會大幅度提高，如圖3所示。

圖3 圍巖徑向應(yīng)力分布與松動圈關(guān)系

M點徑向應(yīng)力增大的直接效應(yīng)是該位置處的偏應(yīng)力值大幅降低，相應(yīng)的計算表達(dá)式見公式(2)—(4)。

注漿前彈性區(qū)內(nèi)邊界處偏應(yīng)力：

(σθ)M-(σρ)M-(σρ)M=2q-2(σρ)M

(2)

注漿后彈性區(qū)內(nèi)邊界處偏應(yīng)力：

注漿后彈性區(qū)內(nèi)邊界處偏應(yīng)力減小量：

由于彈性區(qū)內(nèi)邊界處偏應(yīng)力值減小幅度較大，減小后的偏應(yīng)力值一旦小于圍巖發(fā)生不穩(wěn)定蠕變所需要的臨界值(長期強度值)，彈性區(qū)巖體的不穩(wěn)定蠕變即刻會停止[16，17]，此時松動圈也會因為外圍巖體的穩(wěn)定而自行穩(wěn)定下來。因此，巖性的改變會有效地抑制圍巖的變形。

對于巷道底板而言，因其內(nèi)含有的大量靜態(tài)水嚴(yán)重軟化了底板巖石，注漿的改性作用就越發(fā)顯著，一方面通過注漿可以有效的擠走底板水使得底板巖體不再遭受水的浸泡，另一方面漿液有效地對底板松散巖體實施了重新膠結(jié)強化，從根本上改變了底板巖性，對抑制底鼓的發(fā)生具有重要作用[18]。

3.2 增強表面支護強度

此處需要借助液壓缸效應(yīng)剖析一下表面強度對提高松動圈承載力的影響。液壓缸的承載力主要由缸內(nèi)液體來實現(xiàn)，但缸內(nèi)液體實現(xiàn)巨大承載力需要一個先決條件，即液體在承受巨大壓力時依然可以保持絕對的穩(wěn)定性，如若不能保證絕對的穩(wěn)定性，無論何種液體將連自身的重力都承載不了，會瞬間變形流向位置較低之處。液壓缸內(nèi)的液體之所以可以承受巨大壓力，關(guān)鍵在于缸壁給予了它足夠的穩(wěn)定性。

巷道圍巖松動圈內(nèi)的巖體盡管已經(jīng)裂隙貫通，自身承載力大幅降低，但若我們能夠給其一個強度很高的猶如液壓缸缸體一樣的表面支護強度，使其內(nèi)破碎巖體具有很高的穩(wěn)定性，則松動圈的承載力就會大幅提升。目前的支護方式中，無論錨網(wǎng)索噴支護方式還是棚架支護方式都可以實現(xiàn)這一點。

長期以來，軟巖巷道之所以容易發(fā)生底鼓，主要原因之一就是巷道底板缺少支護手段，無法形成較高的表面支護強度。

3.3 穩(wěn)定性控制

穩(wěn)定性控制在巷道圍巖控制措施的研究中極其重要，舉一簡單案例：如圖4所示，有兩個不同形狀的環(huán)，一個圓環(huán)和一個橢圓環(huán)，兩環(huán)受到同樣大小的靜水壓力作用時，穩(wěn)定性明顯不同，其中(a)環(huán)的穩(wěn)定性要遠(yuǎn)大于(b)環(huán)。依據(jù)彈性理論不難斷定(b)環(huán)最容易喪失穩(wěn)定性的地方是左右兩側(cè)，同理可知較科學(xué)的提升其穩(wěn)定性的辦法是在其左右兩側(cè)分別增設(shè)相互對稱的支點，如圖4(c)所示。對于大多數(shù)軟巖巷道而言，因浸水軟化的緣故，底板一定范圍內(nèi)巖體強度降低的幅度很大，此時圍巖的主要承載結(jié)構(gòu)逐漸地演化成了豎向尺寸遠(yuǎn)大于橫向尺寸的形狀，在定性分析時可將其近似地作為一個橢圓孔看待，此時巷道兩側(cè)基于穩(wěn)定性增設(shè)的支點可以通過水平幫錨索實現(xiàn)。

圖4 靜水壓力下不同形狀環(huán)穩(wěn)定性比較

4 實施方案

基于上述控制機理分析，針對-800m水平機電硐室的二次大修，此處采取的主要措施有以下幾個方面。

4.1 注漿改性

此處的注漿包含兩個部分：幫頂注漿和底板驅(qū)水注漿。

4.1.1 幫頂注漿

在“刷幫臥底”工序完成一個星期后實施注漿，巷道斷面范圍內(nèi)布置7個注漿孔，其中1#、2#、3#、4#、5#將巷道幫頂?shù)确譃樗姆荩?#、3#、4#孔沿巷道表面法線方向，1#、5#鉆孔與水平面呈30°夾角，具體間距布置如圖5所示。

圖5 幫頂注漿孔及底板淺孔注漿孔布置(mm)

4.1.2 底板驅(qū)水注漿

由于巷道底板長期浸水，松動圈較大且強度很低，若直接進行L=7800mm的深孔注漿，會導(dǎo)致撮孔、鉆不易取出、鉆取出后塌孔等事故，故先進行L=3000mm的淺孔注漿，間排距為1.6m×2.1m，如圖5所示。一周之后在淺孔位置進行L=7800mm的深孔注漿，間排距為1.6m×1.6m。注漿管與錨索綁扎在一起，在實施底板深孔注漿的同時，底板錨索自動完成全長錨固。注漿管采用內(nèi)徑20mm，外徑21.3mm的薄鐵皮管，錨索直徑為22mm，考慮到鉆桿拔出，鉆孔直徑會快速收縮，選取的鉆頭型號直徑為75mm，此型號鉆頭鉆孔約85～90mm，鉆孔結(jié)束立即插入注漿管與錨索。

4.2 錨索補強方案

4.2.1 幫頂補強方案

幫頂補強方案如圖6(a)所示，其中兩幫各2根，頂部3根。錨索端頭采用樹脂藥卷錨固劑(Z2355)與圍巖連接，此處錨索錨固力至少為200kN。

圖6 補強錨索布置方案(mm)

4.2.2 底板補強方案

具體方案如圖6(b)所示，錨索上段設(shè)置U型鋼短梁作為托盤，29U型鋼梁放置在溝槽內(nèi)，溝槽高度300mm，目的是使錨索頂部和鋼梁距離巷道底板50～100mm，底板注漿的同時進行全長錨固，在錨索與U型鋼之間添加鋼墊板或錨桿托盤(長×寬×厚=100mm×100mm×10mm)做墊襯。

5 效果分析

5.1 測站內(nèi)測點設(shè)置

硐室的大斷面部分共設(shè)置3個測試斷面，每個測試斷面間距15m，中間斷面位居大斷面的中間。每個斷面內(nèi)設(shè)置6個測點，分別設(shè)置在底角、拱角和頂?shù)滋?，如圖7所示。

圖7 斷面內(nèi)各測點的位置設(shè)置

本次測量工作所用的測量工具為JSS30A型數(shù)顯收斂計。該收斂儀的分辨率為0.01mm，能精確測量巷道的變形量，監(jiān)測時間69d，每4d監(jiān)測一次，具體結(jié)果如圖8所示。

圖8 斷面變形速率動態(tài)規(guī)律折線

5.2 觀測結(jié)果與分析

觀測數(shù)據(jù)表明，在整個觀測期間，鄒莊煤礦-800m水平機電硐室底角移近的平均速率為0.013mm/4d；拱角移近的平均速率為0.004mm/4d；頂?shù)灼骄冃嗡俾蕿?.014mm/4d。從變形速率來看巷道變形非常小。此外，變化速率的動態(tài)變化規(guī)律顯示巷道各部位的變形速率呈逐漸減小態(tài)勢，第47d起變形速率即在0～0.01mm/4d之間擺動，表明巷道基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，按照8a的服務(wù)期考慮，整個服務(wù)期內(nèi)該硐室無需再修復(fù)。

6 結(jié) 論

1)圍巖巖性軟弱、高地壓、底板水害及支護方案不合理是深水平硐室底鼓發(fā)生的主要因素，本文基于此深入剖析了底鼓發(fā)生的力學(xué)機理。

2)從底鼓發(fā)生的主要影響因素入手，給出了深水平硐室底鼓的控制機理，包括注漿巖體改性、采用錨網(wǎng)索噴或棚架支護來增強表面支護強度、設(shè)置水平幫錨索實現(xiàn)巷道穩(wěn)定性控制等，通過這些措施控制圍巖變形，達(dá)到控制巷道整體穩(wěn)定性，包括抑制底鼓的效果。

3)基于控制機理，從注漿改性和錨索補強兩方面制定鄒莊煤礦-800m水平機電硐室的二次大修方案，給出了底板錨索錨注一體化技術(shù)，為底板錨索支護手段的順利實施奠定了基礎(chǔ)。

4)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)表明，該抑制底鼓的技術(shù)方案簡便易行、效果顯著，充分論證了研究成果的科學(xué)性與正確性，該成果不僅可以用于高應(yīng)力軟巖機電硐室底鼓控制機理與技術(shù)的研究，而且可以用于井下水倉、大斷面高應(yīng)力軟巖巷道底鼓控制機理與技術(shù)的研究。