趙 帥

(山西省能源發(fā)展中心，山西 太原 030006)

軟巖是軟弱、破碎、松散、膨脹、流變、強(qiáng)風(fēng)化蝕變及高地應(yīng)力巖體的總稱。隨著我國煤礦資源的不斷減少，我國煤礦開采深度不斷增加，開采范圍不斷擴(kuò)大，開采遇到的軟巖情況越來越多，軟巖問題成為了我國煤礦開采過程中不得不面臨的一個(gè)難點(diǎn)問題，特別是煤礦軟巖巷道的支護(hù)一直是困擾煤礦生產(chǎn)和建設(shè)的重大難題之一[1-3]。長期以來，國內(nèi)外專家、學(xué)者對軟巖巷道的支護(hù)技術(shù)開展了大量的研究工作，取得了一大批理論和技術(shù)應(yīng)用成果。何滿潮等通過對高應(yīng)力軟巖巷道變形原理進(jìn)行研究，認(rèn)為巷道圍巖強(qiáng)度低和膨脹性強(qiáng)是導(dǎo)致高應(yīng)力軟巖巷道變形破壞的主要原因[4，5]；黃炳香等認(rèn)為軟巖巷道圍巖裂隙擴(kuò)展、破裂巖體長時(shí)擴(kuò)容、軟巖流變與結(jié)構(gòu)性變形是軟巖巷道圍巖變形的主要原因[6]；李學(xué)華等從巷道的布置層位、保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)、支護(hù)方案及受采動(dòng)影響狀況等方面入手進(jìn)行研究，提出了“以錨注加固為基礎(chǔ)，關(guān)鍵部位進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)”的“非均勻支護(hù)”新技術(shù)[7]；孫利輝等提出了巷道底板“錨索束+淺深孔注漿”的底鼓治理方案[8]；王衛(wèi)軍等[9-11]通過現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬，提出了采用高強(qiáng)度錨桿、強(qiáng)力錨索、注漿加固圍巖的高阻讓壓和高強(qiáng)度支護(hù)技術(shù)，并根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和耦合支護(hù)原理，確定了合理的各支護(hù)環(huán)節(jié)的支護(hù)時(shí)間。上述研究為我國煤礦軟巖巷道治理體系提供了有力的技術(shù)支撐，但由于巷道圍巖性質(zhì)、應(yīng)力環(huán)境及地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性，已有的理論不能全部解決底鼓機(jī)理認(rèn)識上的問題，現(xiàn)有的技術(shù)也難以從根本上控制底鼓。因此，本文基于上述研究采用現(xiàn)場調(diào)查、理論分析以及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，探討采空區(qū)下近距離泥質(zhì)軟巖巷道底鼓機(jī)理并提出優(yōu)化支護(hù)方案，以期為類似礦井巷道的理論研究和實(shí)踐提供幫助。

1 工程概況

1.1 煤層地質(zhì)條件

試驗(yàn)煤礦主采煤層自上而下依次為6煤、5煤和1煤，各煤層層位穩(wěn)定，厚度和分布面積均較大。目前，礦井5煤和6煤層已開采完畢，其采掘平面圖如圖1所示。1號煤層埋深約400m，平均煤厚3.2m，煤層傾角4°。本文以1煤集中大巷為對象展開研究，集中大巷位于1號煤層中；沿煤層底板掘進(jìn)，直接頂為0.6m厚的粉砂巖，基本頂為4.6m厚的泥巖，直接底為9.3m厚的鮞狀泥巖，老底為4.7m厚的含鮞粒泥巖白云質(zhì)灰?guī)r。巷道頂板圍巖完整性較好，底板極為破碎。

圖1 礦井采掘布置

1.2 原支護(hù)形式

1煤集中大巷為矩形斷面，巷道頂板和幫部采用錨網(wǎng)對稱支護(hù)，底板無支護(hù)；頂部每排打設(shè)6根頂錨桿及一片4.4m的W型鋼帶，錨桿采用?20mm×2200mm右旋等強(qiáng)螺紋鋼錨桿支護(hù)；幫部采用錨網(wǎng)支護(hù)，錨桿采用?16mm×2000mm等強(qiáng)螺紋鋼錨桿，每排每幫打設(shè)4根。1煤集中大巷支護(hù)方式如圖2所示。

圖2 1煤集中大巷支護(hù)方式(mm)

1.3 巷道圍巖變形破壞特征

采用原支護(hù)方案，1煤集中大巷兩幫和底板變形量較大。兩幫局部變形量在0.4～1.5m，而底板底鼓范圍區(qū)域較大，一般底鼓量在1m左右，局部最大底鼓量可達(dá)到1.2m，變形嚴(yán)重。底板經(jīng)過一次挖底，十余天后底鼓變形量又達(dá)到1m左右，并且底板巖石帶有一定的膨脹性，屬于軟巖巷道底鼓問題。若此狀況不斷延續(xù)，將嚴(yán)重影響正常的煤礦生產(chǎn)。

2 巷道圍巖失穩(wěn)因素分析

巷道圍巖破壞受到自然因素和技術(shù)因素的影響。自然因素包括圍巖性質(zhì)、地應(yīng)力場、巖石強(qiáng)度、地質(zhì)構(gòu)造、巖體的完整性等；技術(shù)因素包括支護(hù)結(jié)構(gòu)、巷道尺寸、巷道斷面形狀、煤柱留設(shè)等，而自然因素是導(dǎo)致巷道圍巖破壞的最直接原因。

2.1 圍巖物理力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)現(xiàn)場開采情況和巖性的觀察以及井田地質(zhì)柱狀圖，查表獲得H-B準(zhǔn)則中煤、巖體的經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度σci、完整系數(shù)mi值、地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI值，結(jié)合開挖擾動(dòng)因子D，輸入RocData軟件中得到H-B強(qiáng)度參數(shù)mb，s[12]。除了得到H-B準(zhǔn)則巖石參數(shù)外，還得到了等效的M-C準(zhǔn)則參數(shù)，包括內(nèi)聚力c，內(nèi)摩擦角φ。結(jié)合彈性模量E和巖體泊松比v，利用式(1)和式(2)計(jì)算出體積模量K和切變模量G，由此可以得到數(shù)值模擬所需完整的巖石材料參數(shù)，見表1。

表1 巖體力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)

(1)

(2)

式中，E為彈性模量，GPa；K為體積模量，GPa；v為泊松比；G為切變模量，GPa。

根據(jù)巖體力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)可知，1煤集中大巷底板物理力學(xué)強(qiáng)度較低，巖性軟弱，這也是巷道底板極為破碎的直接原因，另外，底板遇水膨脹，強(qiáng)度進(jìn)一步降低。

2.2 地應(yīng)力場分析

巷道大變形治理的前提條件是要掌握地應(yīng)力分布情況，按照地應(yīng)力測試要求，需要在未受工程擾動(dòng)影響的掘進(jìn)頭進(jìn)行測試，但是該礦井5煤已經(jīng)回采結(jié)束，巷道并未出現(xiàn)大變形的情況，且開采完畢實(shí)現(xiàn)了對下伏1煤的卸載，但是1煤兩條垂直的巷道均出現(xiàn)較大變形，因此，利用區(qū)域地質(zhì)動(dòng)力規(guī)劃方法可推斷該礦周邊存在異常地質(zhì)構(gòu)造[13]，因此，在現(xiàn)場實(shí)測大變形與破壞的基礎(chǔ)上，可利用計(jì)算機(jī)對地應(yīng)力進(jìn)行反演計(jì)算。

根據(jù)1煤層空間位置關(guān)系，利用有限元軟件ANSYS建立模型，模型的長×寬×高為100m×10m×68.4m，共223440個(gè)單元和248039個(gè)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)格大小從集中大巷向外逐步增加，模擬采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算，集中大巷位于煤層正中，根據(jù)礦上實(shí)際尺寸4.6m×3.2m進(jìn)行開挖。為了確定1煤的地應(yīng)力環(huán)境，保持Z方向應(yīng)力10MPa不變，X方向正應(yīng)力梯度設(shè)定為10MPa、12MPa、14MPa、16MPa、18MPa、20MPa，Y方向正應(yīng)力梯度設(shè)定為10MPa、12MPa、14MPa、16MPa、18MPa、20MPa，兩兩交叉，由此設(shè)計(jì)出36組數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)。通過數(shù)據(jù)分析可以得到1煤集中大巷地應(yīng)力條件為σz=10MPa、σx=18MPa、σy=12MPa。該區(qū)域的應(yīng)力場不僅受到自重應(yīng)力的影響，還受到水平應(yīng)力的影響，這對巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的影響具有明顯的方向性。

其中，pG代表政府設(shè)定的目標(biāo)價(jià)格。農(nóng)戶按照目標(biāo)價(jià)格和市場價(jià)格之間的差額獲得差價(jià)補(bǔ)貼T。即pG=pd+T。

2.3 巷道擾動(dòng)分析

巷道圍巖穩(wěn)定性往往受到其他巷道、采煤工作面等的影響，并且地下巖體處在復(fù)雜和強(qiáng)烈的自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力場中，巷道開挖和煤層開采會(huì)引起應(yīng)力的重新分布，地下賦存的煤層或巖層在應(yīng)力作用下，體積和形狀發(fā)生變化而產(chǎn)生變形。假設(shè)圍巖為均質(zhì)，各向同性，線彈性，無蠕變，原巖應(yīng)力為各向等壓，采用研究平面應(yīng)變問題的方法，得到支承壓力的影響半徑約為5r(r為巷道半徑)[14]。

1煤集中大巷寬4.6m，高3.2m，用半徑為2.8m的外接圓代替矩形斷面，可得支承壓力的影響范圍為14m，1煤集中大巷與4煤層之間的距離為26.6m，其遠(yuǎn)大于擾動(dòng)距離，因此可以忽略煤層開采對1煤集中大巷的擾動(dòng)影響。

3 巷道底鼓機(jī)理

礦井1煤集中大巷底板為9.3m厚的鮞狀泥巖，且底板敞開無支護(hù)，破壞范圍較大，圍巖遇水膨脹，強(qiáng)度進(jìn)一步降低，這是巷道發(fā)生底鼓的主要原因之一。其次，文獻(xiàn)[15]研究了水平應(yīng)力對巷道底鼓的影響，認(rèn)為側(cè)壓系數(shù)大于1時(shí)巷道底鼓量較大，由前述分析可明確得到1煤集中大巷的應(yīng)力場特征，說明此特征也是巷道發(fā)生底鼓的另一主要原因。

3.1 遇水膨脹型底鼓

巖石遇水膨脹的主要原因在于含有粘土礦物，與底板巖石的成分有關(guān)，巷道底板巖石含蒙脫石、伊利石或其混層等膨脹性軟巖成分時(shí)，則表現(xiàn)為遇水膨脹型底鼓形式。文獻(xiàn)[16]對遇水膨脹型底鼓的底鼓量進(jìn)行估算，其底鼓量為：

(3)

式中，h1為底板遇水膨脹底鼓量，m；M為底板巖層自由膨脹率，%；L為底板圍巖松動(dòng)圈厚度，m；q為原巖應(yīng)力，MPa；σc為巷道圍巖單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

3.2 應(yīng)力型底鼓

巷道開挖后會(huì)引起應(yīng)力的重新分布，其簡化后的力學(xué)模型如圖3所示，巷道圍巖處于高應(yīng)力狀態(tài)，1煤集中大巷地應(yīng)力特征明顯，這些應(yīng)力造成底板發(fā)生破壞，從而出現(xiàn)應(yīng)力型底鼓。

圖3 巷道開挖后圍巖力學(xué)分析模型

文獻(xiàn)[17]以彈性力學(xué)為基礎(chǔ)，將此問題看作以楔形體演變的半平面問題，得到應(yīng)力型底鼓量為：

(4)

3.3 總底鼓量計(jì)算

將1煤集中大巷底板巖層參數(shù)代入式(3)和式(4)，利用Mathcad進(jìn)行計(jì)算，其中M取30%，b取8m，c取17m，得到h1、h2分別為0.39m和0.53m，該結(jié)果也充分說明1煤集中大巷主要為遇水膨脹型底鼓和應(yīng)力型底鼓。

4 聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

4.1 支護(hù)方式選擇

1)斷面形狀不同，巷道圍巖的破壞形式和破壞類型會(huì)有明顯的不同[18]。矩形巷道容易形成應(yīng)力集中，實(shí)際考慮礦方經(jīng)濟(jì)、運(yùn)輸和開挖難度，將巷道斷面形狀改為拱形，同時(shí)縮小巷道斷面尺寸。

2)高地應(yīng)力作用下，需要充分發(fā)揮圍巖的自承能力，尤其對于軟巖巷道，需要進(jìn)行全斷面支護(hù)，對底板為泥巖的1煤集中大巷應(yīng)考慮注漿措施，使破碎圍巖膠著成整體[19]。

3)增強(qiáng)關(guān)鍵部位的承載能力，對于頂角和底板較為破碎的區(qū)域，采取錨索控制破碎區(qū)域的發(fā)展[20]。

4.2 支護(hù)方案優(yōu)化

將原支護(hù)方案中的頂錨桿替換為?20mm×2200mm的螺紋鋼錨桿，幫錨桿替換為?16mm×2000mm的螺紋鋼錨桿，增加注漿和錨索支護(hù)，巷道支護(hù)如圖4所示。

圖4 巷道支護(hù)方案(mm)

4.3 支護(hù)效果模擬分析

巷道圍巖破壞受到采掘擾動(dòng)的影響，其破壞為一動(dòng)態(tài)過程，為明確其動(dòng)態(tài)演化過程，采用有限元軟件ANSYS建立三維模型，按照表1中各巖層參數(shù)進(jìn)行賦值，使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對巷道支護(hù)方案優(yōu)化前后的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行對比分析。

4.3.1 原支護(hù)條件下巷道圍巖破壞分析

原支護(hù)條件下巷道圍巖塑性區(qū)分布如圖5所示。從圖5中可以看出，巷道兩幫圍巖塑性區(qū)呈對稱分布狀態(tài)，且巷道底板的破壞范圍較大。通過提取數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，巷道兩幫的塑性破壞范圍最大為1.4m，巷道頂板的塑性破壞范圍最大為3.6m，巷道底板的塑性破壞范圍最大為6.9m。

圖5 原支護(hù)條件下巷道圍巖塑性區(qū)分布

4.3.2 支護(hù)方案優(yōu)化后巷道圍巖破壞分析

優(yōu)化巷道布置和支護(hù)方案之后，巷道圍巖塑性區(qū)分布如圖6所示。由圖6可以看出，巷道形狀和支護(hù)方案的改變使巷道圍巖的塑性區(qū)產(chǎn)生了變化，可以看到其頂?shù)装宀糠值乃苄詤^(qū)范圍明顯減??；巷道兩幫塑性區(qū)寬度為0.9m，頂板塑性區(qū)寬度1.8m，底板塑性區(qū)寬度為2.6m，其數(shù)值分別為原支護(hù)方案下的64.3%，50%和37.7%。

圖6 優(yōu)化支護(hù)方案巷道圍巖塑性區(qū)分布

4.4 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

原支護(hù)與優(yōu)化支護(hù)情況下，巷道的變形特征無太大變化，但是數(shù)值上有較大差別。經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明：原支護(hù)情況下，最大底鼓量為950mm左右，總體上底鼓量處于800～1000mm的范圍內(nèi)，而在優(yōu)化支護(hù)情況下巷道底鼓量明顯減小，整體上處于250mm以內(nèi)；原支護(hù)情況下，巷幫兩幫位移量整體上處于75～90mm，而優(yōu)化支護(hù)結(jié)合底板注漿情況下，巷幫位移量整體上處于30～55mm。

綜上分析，優(yōu)化后的支護(hù)方案從三個(gè)方面加強(qiáng)了巷道圍巖的穩(wěn)定性：一是減小了幫部塑性區(qū)的寬度，使其小于幫錨桿長度2.0m，改善了原有支護(hù)方案下幫錨桿失效的問題；二是通過補(bǔ)打頂錨索，改善頂板應(yīng)力條件，使其懸吊在上方穩(wěn)定的巖層中，防止其整體下沉，進(jìn)而減小底鼓量；三是底錨索作用顯著減小了底板塑性區(qū)的范圍，使大部分破碎巖體處于錨索的控制之下。

5 結(jié) 論

1)針對礦井1煤集中大巷存在的軟巖及底鼓問題，通過現(xiàn)場調(diào)查與實(shí)測分析了巷道圍巖變形破壞特征，采用地應(yīng)力反演法得到地應(yīng)力條件為σz=10MPa、σx=18MPa、σy=12MPa。

2)根據(jù)礦井實(shí)際情況對底鼓機(jī)理進(jìn)行分析，得到1煤集中大巷主要為遇水膨脹型底鼓和應(yīng)力型底鼓，并對底鼓量進(jìn)行計(jì)算，所得數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實(shí)測相符。

3)基于巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理，首先對巷道斷面形狀和尺寸進(jìn)行優(yōu)化，再對頂板和兩幫的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，采用錨桿(索)聯(lián)合支護(hù)；增加控底措施，采用錨索和注漿聯(lián)合支護(hù)，支護(hù)方案驗(yàn)證表明，優(yōu)化后的支護(hù)方案使圍巖變形和底鼓得到有效控制，圍巖完整程度顯著提高。