新安礦深部軟巖巷道大變形特征及原因

孫曉明，王 冬，王 聰

( 1．深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，北京100083; 2．中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京100083)

新安礦深部軟巖巷道大變形特征及原因

收稿日期: 2013-11-07
基金項目:國家自然科學(xué)基金重點項目( 51134005) ;國家自然科學(xué)基金面上項目( 51374214) ;教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃項目( NCET-07-0800) ;中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目( 2009QL03)
第一作者簡介:孫曉明( 1970-)，男，山東省泰安人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向:巖土工程和軟巖工程力學(xué)，E-mail: xiaoming-s@ 263．net。

孫曉明1，2，王 冬1，2，王 聰1，2

( 1．深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，北京100083; 2．中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京100083)

新安煤礦是在建礦井，煤系地層屬中生代地層。巷道埋深達1 000 m，不僅應(yīng)力高，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，而且煤層頂?shù)装逡阅噘|(zhì)巖石為主，含膨脹性礦物，巖石松散破碎、強度低。巷道開挖后，出現(xiàn)嚴重底臌、折幫和頂沉等非線性大變形破壞現(xiàn)象。運用工程地質(zhì)學(xué)、軟巖工程力學(xué)、黏土礦物學(xué)等多學(xué)科理論，采用工程地質(zhì)調(diào)研、室內(nèi)實驗研究相結(jié)合的手段，對新安礦回風(fēng)石門軟巖巷道的變形破壞特征及其原因進行深入研究。研究認為:深部軟巖巷道所處地質(zhì)環(huán)境和圍巖特征是產(chǎn)生非對稱變形破壞的客觀原因;普通支護的局限性是造成大變形破壞的主觀原因。應(yīng)該有針對性地采用有效支護方式，實現(xiàn)圍巖與支護體在強度、剛度和結(jié)構(gòu)變形三方面的耦合，有效控制變形，保證巷道穩(wěn)定。該研究為下一步有針對性地進行支護設(shè)計提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)性建議。

深部;軟巖巷道;破壞機理;大變形

0引言

新安煤礦位于甘肅省境內(nèi)，新安煤礦+ 535 m回風(fēng)石門設(shè)計長度1 000 m，已施工750 m，該巷道的軟巖問題突出，在掘進過程中受向斜影響較嚴重，均出現(xiàn)了頂板下沉、底臌和兩幫移近、收縮等大變形現(xiàn)象。采用多種傳統(tǒng)普通支護方式，但支護效果不明顯。經(jīng)過多次返修后，在較短的時間內(nèi)又出現(xiàn)大變形破壞現(xiàn)象，底臌仍然嚴重，混凝土開裂，錨桿錨索失效。每米巷道的返修成本近10萬元，很大程度上增加了企業(yè)的成本支出，嚴重影響了企業(yè)的正常生產(chǎn)進度，也制約了煤礦的正式投產(chǎn)。深部軟巖巷道在復(fù)雜地質(zhì)條件的作用下，巷道圍巖變形強烈，變形量大，圍巖大變形嚴重影響錨桿支護的有效使用，給支護帶來很大困難[1-5]。筆者通過現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查、室內(nèi)實驗和理論分析等手段對+ 535 m回風(fēng)石門軟巖巷道的大變形破壞特征進行總結(jié)，分析巷道的大變形破壞機理，為下一步有針對性地支護設(shè)計提供依據(jù)和建議。

1 工程概況

巷道位于+ 535 m水平，巷道所在的巖層與垂直巷道走向和水平巷道的走向均存在一定傾角，約10°，巖石強度低，巷道開挖后，圍巖和空氣中的水分子發(fā)生作用，容易風(fēng)化、軟化、裂隙化，強度隨著暴露的時間而降低[6-7]。已施工巷道均出現(xiàn)嚴重的頂板下沉、幫縮和底臌等問題，頂板下沉呈現(xiàn)出較大的非對稱特征，兩幫出現(xiàn)上折或者下折現(xiàn)象，巷道底臌最大量高達1 800 mm，圍巖的混凝土噴層剝落開裂，部分支護材料(錨桿、錨索)被拉出或拉斷造成支護失效。巷道掘進過程中主要揭露了細砂巖和泥巖，回風(fēng)石門巖層柱狀圖見圖1。

圖1 回風(fēng)石門巖層柱狀圖Fig．1 Stratum histogram of return air roadway

2大變形破壞特征

2. 1以底臌為主的非對稱特征

新安煤礦軟巖巷道底板巖性主要為泥巖和砂質(zhì)泥巖，含有大量膨脹性礦物，暴露浸水后，強度軟化特性明顯，巖層特殊的地質(zhì)條件導(dǎo)致巷道底臌嚴重。加之巷道底板水溝常有工程積水和頂板巖層淋水，巖石遇水體積膨脹，加劇了巷道底臌?；仫L(fēng)石門附近的巷道布置比較密集，在掘進和返修時，易受動荷載的影響，底臌量也隨之加大。因巷道底臌量具有明顯的時間效應(yīng)，巷道底板巖體將持續(xù)流變[8-10]。由于底板巖層在施工完成后長期遭水浸泡，所以施工兩個月后，巷道發(fā)生嚴重底臌，巷道反復(fù)臥底四次。底臌在巷道變形中占據(jù)很大比例，底臌嚴重，底板破壞范圍占巷道1/2左右，且呈現(xiàn)出不對稱變形特征。巷道底臌量平均達到1 500～1 800 mm，見圖2a。

2. 2頂?shù)装宄尸F(xiàn)非對稱收縮特征

巷道表面位移的變形，經(jīng)歷三個階段，從加速變形發(fā)展到緩慢減速，進而發(fā)展到以一定恒定速度變形，圍巖達到穩(wěn)定狀態(tài)需要的時間較長，圍巖與支護體共同作用的強度低于所受到的載荷。巷道開挖后，頂板部位的豎直向應(yīng)力陡降為零，巷道受水平方向較強的側(cè)向擠壓作用，導(dǎo)致傾斜巖層頂板發(fā)生剪切破壞[11-12]。頂板左肩處出現(xiàn)明顯破碎狀剝落，部分下沉區(qū)域呈現(xiàn)兜狀，且頂板巖層發(fā)生顯著錯動位移和向內(nèi)擠壓，見圖2b。

2. 3幫部變形呈現(xiàn)非對稱內(nèi)擠錯位特征

幫部變形是該礦軟巖巷道變形破壞的一個重要特點。圍巖裂隙發(fā)育，巖體較破碎，大量膨脹性較強的伊/蒙混層在開挖暴露后，巖體發(fā)生持續(xù)性流變。在復(fù)雜應(yīng)力影響下，位于巖層間的軟弱結(jié)構(gòu)面處，當(dāng)幫部與巖層夾角為銳角時，出現(xiàn)向下錯位滑動或內(nèi)擠，當(dāng)夾角為鈍角時，出現(xiàn)向上錯位滑動或內(nèi)擠[13]。兩幫變形多為非對稱內(nèi)擠和錯位，最大擠出量達1 200 mm，見圖2c。

2. 4支護材料大量失效呈現(xiàn)力學(xué)破壞特征

由于傳統(tǒng)錨桿、錨索支護力低，巷道中出現(xiàn)大量拉出、拉斷等失效現(xiàn)象，見圖2d。巷道的非對稱變形加劇了支護材料折斷、剪斷現(xiàn)象，部分托盤與桿體脫離，部分錨桿、錨索嵌入巖壁，鋼筋網(wǎng)與托盤連接部分多處被崩斷，導(dǎo)致鋼筋網(wǎng)失去作用。錨桿、錨索、金屬網(wǎng)等支護材料的破壞特點表明，支護材料難以承受巷道圍巖的非對稱大變形破壞，呈現(xiàn)出巷道圍巖和支護材料在變形剛度和強度上不協(xié)調(diào)的特征。

圖2 巷道大變形破壞現(xiàn)象Fig．2 Failure phenomena of large deformation of roadway

3大變形破壞原因分析

3. 1 圍巖礦物成分

根據(jù)新安煤礦+535 m回風(fēng)石門所取巖石樣品作的物化實驗和微觀實驗，可以作以下分析:

( 1)樣品的全巖礦物X射線衍射分析實驗結(jié)果見表1。黏土礦物和石英是樣品的主要礦物成分。其中，黏土礦物總量平均含量為54. 5%，最大值達到61. 7%;石英的總量為37. 3%～57. 4%，平均含量為43. 6%。由此可知巷道圍巖具有較大的膨脹性。

表1礦物X射線衍射全巖分析結(jié)果Table 1 Results of X-Ray diffraction of full rock mineral %

( 2)樣品的黏土礦物X射線衍射分析實驗結(jié)果見表2。樣品中所含黏土礦物主要是以高嶺石為主，其次為伊/蒙混層和伊利石等礦物。其中，高嶺石總量平均值為44．0%，最大值為57%;伊/蒙混層的總量平均值為39. 6%，最大值為44%;伊利石的總量平均值為13. 8%，最大值為20%。由上述參數(shù)可知，這些巖石樣品屬膨脹性軟巖，遇水后巖石更易軟化，造成巖石強度變低，進而影響巷道圍巖穩(wěn)定性。

表2礦物X射線衍射黏土礦物分析結(jié)果Table 2 Results of X-Ray diffraction of clay mineral %

3. 2 圍巖結(jié)構(gòu)

圍巖巖體結(jié)構(gòu)對巷道穩(wěn)定性也有較大的影響。宏觀方面，巷道所處巖層裂隙比較發(fā)育，泥化、砂化嚴重，導(dǎo)致巷道大變形、難支護。泥化、砂化照片見圖3。微觀方面，利用電子顯微技術(shù)對圍巖的微觀結(jié)構(gòu)進行分析，微觀結(jié)構(gòu)掃描圖片見圖4。

圖3 圍巖泥化、砂化現(xiàn)象Fig．3 Argillization and desertification of surrounding rock

由圖4可看出，高嶺石或者伊蒙混層礦物在樣品顆粒表面呈片狀、無序混層排列，有的充填于微裂隙中。巖石中含有溶蝕孔、微裂隙，且較發(fā)育，連通性好，部分含有長石、方解石晶體等。

3. 3 應(yīng)力場

3. 3. 1 自重應(yīng)力的影響

隨著巷道埋深的增大，巷道所受垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力增大，巷道變形破壞差異較大[14]。文中回風(fēng)石門埋深為750 m，自重應(yīng)力18. 75 MPa，達到了軟巖巷道的臨界深度，表明巷道已進入高應(yīng)力非線性大變形狀態(tài)[15]。

3. 3. 2 構(gòu)造應(yīng)力的影響

新安煤礦+535 m回風(fēng)石門巷道所處位置為北偏東45°，根據(jù)地應(yīng)力實測資料，其最大主應(yīng)力的方位角為66°，最大主應(yīng)力與巷道的夾角約為21°，最大主應(yīng)力方向處于回風(fēng)石門巷道布置的不利位置。在構(gòu)造應(yīng)力的影響下，巷道出現(xiàn)頂板的非對稱大變形。又因+535 m水平的主石門、回風(fēng)石門和膠帶運輸石門三條巷道間距較小，應(yīng)力場相互疊加，產(chǎn)生工程偏應(yīng)力影響。圍巖的應(yīng)力差對巷道圍巖的擴容也有一定的影響，一般情況，在構(gòu)造應(yīng)力顯著的情況下，巷道兩幫的破壞和底板的破壞較為顯著。

3. 4 巖層傾角

當(dāng)巖層結(jié)構(gòu)和應(yīng)力條件給定時，下肩頂部巖層穩(wěn)定性主要取決于節(jié)理面的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角[16]。在巖層結(jié)構(gòu)面強度較低時，隨著巖層傾角的增大，在鈍角區(qū)域，幫角部位巖體的法向應(yīng)力降低，剪切變形沿軟弱面或剪切面發(fā)生，致使巖體在幫角部位發(fā)生沿滑移面方向的變形[17]。而且，該滑動導(dǎo)致頂角部位切向應(yīng)力降低，致使滑移范圍擴大，巖層抗彎能力較低，導(dǎo)致頂角處巖體發(fā)生擠壓拉裂。

圖4 巖石電鏡掃描圖片F(xiàn)ig．4 SEM pictures of surrounding rock

在結(jié)構(gòu)面的影響下，在法向應(yīng)力和結(jié)構(gòu)面強度軟弱時，巷道的上肩部成了最易失穩(wěn)的關(guān)鍵部位[17-18]，而下肩部巷道受結(jié)構(gòu)面影響較弱，穩(wěn)定程度較高。在巖性較差、支護體和圍巖出現(xiàn)不耦合等情況時，易發(fā)生下肩部首先開裂破壞，造成頂板變形的不對稱。

3. 5 支護措施

巷道前期掘進和返修支護過程中采用了多種支護形式，包括錨網(wǎng)噴支護、錨網(wǎng)索支護、鋼筋混凝土支護等。但使用過的支護方式都未能對巷道變形控制得很好，巷道圍巖變形量和速度都比較大，最終均以失敗告終，出現(xiàn)網(wǎng)兜、錨桿(索)拉斷、頂沉以及底臌等大變形現(xiàn)象。這反映出圍巖和支護體并未在強度、剛度和結(jié)構(gòu)變形三方面達到理想的耦合狀態(tài)。分析如下:

( 1)普通支護難以適應(yīng)軟巖巷道大變形特征。以有代表性的錨網(wǎng)索支護方式為例，支護材料選用?22 mm螺紋鋼錨桿、?18. 9 mm鋼絞線錨索、金屬網(wǎng)，支護斷面為對稱支護，但巷道變形卻呈現(xiàn)出非對稱性。該支護方式并沒有將非對稱變形作為重點進行加強支護，而是采用傳統(tǒng)的普通均勻支護方式，導(dǎo)致易變形嚴重的部位承受集中荷載，使得支護材料不能充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用，個別部位的荷載集中將導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)的失效。

( 2)普通的錨桿(索)延伸率太低，不能滿足軟巖巷道的大變形。由于圍巖及軟巷道圍巖不可避免地要發(fā)生大變形，而普通螺紋鋼錨桿和鋼絞線錨索的延展性不能承受巷道的大變形，錨桿(索)被拉斷現(xiàn)象頻頻發(fā)生，導(dǎo)致巷道發(fā)生冒頂、底臌等嚴重后果。

( 3)回風(fēng)石門底板無支護是加重巷道失穩(wěn)的主要原因之一。回風(fēng)巷道由于承受較高的構(gòu)造應(yīng)力，兩幫和頂板有支護而底板無支護，勢必造成底板首先向巷道內(nèi)部擠出，同時兩幫角處圍巖體發(fā)生塑性滑移，使得兩幫收縮，繼而頂板受擠而失穩(wěn)。

4結(jié)論

( 1)回風(fēng)石門大變形破壞問題突出，呈現(xiàn)以底臌、頂沉、全斷面收縮、支護材料破壞等為代表的變形破壞特征。

( 2)深部軟巖巷道所處的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境(復(fù)雜應(yīng)力場、采動影響等)和巷道圍巖特征(礦物成分、巖體結(jié)構(gòu)、巖層傾角、強膨脹、低強度等)是軟巖巷道產(chǎn)生非對稱大變形破壞的客觀原因。

( 3)巷道采用的傳統(tǒng)普通支護方式是巷道產(chǎn)生非對稱大變形破壞的主觀原因。普通支護的局限性、普通錨桿延伸率低、底板無支護等是造成該巷道大變形破壞的主要原因。

( 4)在系統(tǒng)分析巷道所處的地質(zhì)環(huán)境和巷道圍巖特性的基礎(chǔ)上，必須采用現(xiàn)場、實驗和理論多手段方法，有針對性地采取有效的支護方式，實現(xiàn)圍巖與支護體在強度、剛度和結(jié)構(gòu)變形三方面的耦合，可以有效控制圍巖變形，保證巷道的穩(wěn)定性。

[1]何滿潮，景海河，孫曉明．軟巖工程力學(xué)[M]．北京:科學(xué)出版社，2002．

[2] 何滿潮，謝和平，彭蘇萍，等．深部開采巖體力學(xué)研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24( 16) : 2803-2813．

[3] 何滿潮．深部的概念體系及工程評價指標(biāo)[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24( 16) : 2854-2858．

[4] 何滿潮，王曉義，劉文濤，等．孔莊礦深部軟巖巷道非對稱變形數(shù)值模擬與控制對策研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，27( 4) : 673-678．

[5] 何滿潮，孫曉明．中國煤礦軟巖巷道工程支護設(shè)計與施工指南[M]．北京:科學(xué)出版社，2004: 52-60．

[6] 何滿潮，袁 越，王曉雷，等．新疆中生代復(fù)合型軟巖大變形控制技術(shù)及其應(yīng)用[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2013，32( 3) : 433-441．

[7] 孫曉明，何滿潮．深部開采軟巖巷道耦合支護數(shù)值模擬研究[J]．中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，34( 2) : 166-169．

[8] 楊生彬，何滿潮，劉文濤，等．底角錨桿在深部軟巖巷道底臌控制中的機制及應(yīng)用研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，27( 1) : 2913-2920．

[9] 何滿潮，張國鋒，王桂蓮，等．深部煤巷底臌控制機制及應(yīng)用研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28( 1) : 2593-2598．

[10] 方新秋，趙俊杰，洪木銀．深井破碎圍巖巷道變形機理及控制研究[J]．采礦與安全工程學(xué)報，2012，29( 1) : 1-7．

[11] 孫曉明，何滿潮，楊曉杰．深部軟巖巷道錨網(wǎng)索耦合支護非線性設(shè)計方法研究[J]．巖土力學(xué)，2006，27( 7) : 1061-1065．

[12] 孫曉明，何滿潮，馮增強．深部松軟破碎煤層巷道錨網(wǎng)索支護技術(shù)研究[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，2005，33( 3) : 47-50．

[13] 芮偉力，劉榮軍．恒阻大變形錨桿軟巖支護巷道中的應(yīng)用[J]．能源技術(shù)與管理，2012( 5) : 46-47．

[14] 齊 干，何滿潮，劉文濤，等．深部順槽巷道差異性變形破壞特征及原因研究[J]．煤炭工程，2006( 11) : 65-68．

[15] 李占金．鶴煤五礦深部巖巷變形機理及控制對策研究[D]．北京:中國礦業(yè)大學(xué)，2009．

[16] 孫曉明，張國鋒，蔡 峰，等．深部傾斜巖層巷道非對稱變形機制及控制對策[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28 ( 6) : 1137-1143．

[17] 劉文濤，楊生彬，王曉義，等．深部復(fù)雜地質(zhì)條件下礦井交岔點支護關(guān)鍵技術(shù)研究[J]．探礦工程，2006( 11) : 54-57．

[18] 孫曉明，何滿潮，張國鋒，等．鶴壁五礦深部高應(yīng)力軟巖巷道破壞機理及對策[J]．遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2009，28 ( 3) : 393-396．

(編輯 徐 巖)

Research on features and causes of large deformation of deep soft rock roadway in Xin’an coal mine

SUN Xiaoming1，2，WANG Dong1，2，WANG Cong1，2
( 1．State Key Laboratory for Geomechanics&Deep Underground Engineering，Beijing 100083，China; 2．School of Mechanics&Civil Engineering，China University of Mining&Technology，Beijing 100083，China)

This paper is aimed at eliminating the problems resulting from the construction of Xin’an coal mine in the coal-bearing strata classified as the Mesozoic strata．These problems come from the complex geological structure and high stress occurring in depths of 1 000 m; the roof and floor of coal seams dominated by argillaceous rock containing swelling mineral; the surrounding rocks in loose and broken form and of lower intensity; and many destruction phenomena of non-linearity large deformation failure typical of the occurrence of serious floor heave，siding wall shrink and roof sinking due to excavation．The paper underscores an analysis of the features and causes of large deformation failure of soft rock return air roadway，using multidisciplinary theories，such as engineering geology，soft rock engineering mechanics，and clay mineralogy，coupled with many methods including engineering geomechanics analysis，indoor experimental research，and theoretical analysis．The study finds that the geological environment to which deep soft rock roadways are exposed and the characteristics of surrounding rocks objectively result in nonlinearity large deformation failure; the limitation of common support subjectively results in large deformation failure．Out of these arises the necessity of adopting an effective support pattern to achieve the coupling of surrounding rock and support body in intensity，stiffness，and structural deformation，to control the deformation，and to ensure the safety of the roadway．The finding may provide theoretical foundation and guidance for the next support design in Xin’an coal mine．

deep; soft rock roadway; failure mechanism;large deformation

10. 3969/j．issn．2095-7262. 2014. 01. 001

TD353

2095-7262( 2014) 01-0001-05

A