軟巖水倉變形破壞機(jī)理與支護(hù)技術(shù)

王文江，孫顏頂

(1．中國石化長城能源化工有限公司，北京 100020；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

軟巖水倉變形破壞機(jī)理與支護(hù)技術(shù)

王文江1，孫顏頂2

(1．中國石化長城能源化工有限公司，北京 100020；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

[摘要]針對某整合礦井-400m水平井底水倉底鼓量大的難題，對初始支護(hù)條件下水倉巷道的圍巖變形破壞特征及影響因素進(jìn)行了理論分析，得出水對底板軟巖的軟化是影響該水倉巷道穩(wěn)定的主要因素，模擬了水對巷道底板的軟化作用?；诖耍岢隽巳珨嗝婊炷翝仓ёo(hù)技術(shù)，分析了其及時(shí)封閉圍巖和整體支護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)踐證明，采用全斷面混凝土澆筑支護(hù)后，水倉最大底鼓量降至50.15mm，實(shí)現(xiàn)了對水倉底鼓的有效控制。

[關(guān)鍵詞]軟巖；井底水倉；軟化；底鼓；混凝土澆筑

軟巖是在工程力作用下能產(chǎn)生顯著塑性變形和流變的巖體，常伴有松散性、崩解性和膨脹性等特征[1-2]。此類巖體中的巷道圍巖強(qiáng)度低，斷面收斂量大，極易破壞片漏，導(dǎo)致巷道多次返修，維護(hù)成本高。特別是承擔(dān)著井下安全貯排水的軟巖水倉，一方面其處于密集硐室群的復(fù)雜地質(zhì)條件下，硐室圍巖應(yīng)力場交互影響，軟巖水倉圍巖應(yīng)力分布復(fù)雜；另一方面，水倉貯水滲入巷道底板裂隙，與軟巖內(nèi)部充填物發(fā)生物理、化學(xué)作用，導(dǎo)致圍巖變軟，強(qiáng)度降低[3-4]。某整合礦井-400m水平軟巖水倉底鼓量大，嚴(yán)重影響了礦井的安全生產(chǎn)，故研究其致災(zāi)機(jī)理并提出有效控制措施顯得尤為迫切。

1工程概況

山西汾西某煤礦為整合礦井，主采煤層為9號、10號和11號煤。其中，9號煤層平均厚度為1.34m，11號煤層平均厚度為5.85m。9，10號煤層平均間距為3.55m，10，11號煤層平均間距為4.81m，屬于近距離煤層群。11號煤層內(nèi)生裂隙、外生裂隙均較發(fā)育，煤層呈塊狀，硬度較小，容重為13.7kN/m3。11號煤層底板為鋁土泥巖，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測得鋁土泥巖的抗壓強(qiáng)度為14.41MPa，抗拉強(qiáng)度為2.45MPa，抗剪強(qiáng)度為4.9MPa，遇水變軟，極易膨脹，呈軟巖特征，屬于松軟底板。井底水倉沿11號煤層底板掘進(jìn)，埋深約400m，水倉巷道斷面為直墻半圓拱形，內(nèi)、外水倉長度及水倉入口長度總和為120m，水倉有效容積為960m3，巷道凈高為4.52m，凈寬為3.74m，兩側(cè)直墻凈高為1.65m，凈斷面為10.06m2。

2井底水倉變形破壞特征及影響因素

2.1井底水倉變形破壞特征

井底水倉在有水的環(huán)境下，巷道底板發(fā)生底鼓，底鼓量最大處達(dá)500mm，底角處出現(xiàn)縱向張裂；巷道兩側(cè)直墻下部混凝土局部破碎脫落，部分錨桿外露；巷道拱頂及兩幫的變形量相對較小。

2.2井底水倉變形破壞影響因素

2.2.1水的影響

水倉底板為鋁土泥巖，屬膨脹性軟巖底板。此類巖石遇水軟化，體積膨脹，承載力弱。作為貯排水硐室的水倉巷道，一方面在其開挖時(shí)，底板軟巖在水平集中應(yīng)力作用下產(chǎn)生壓曲、變形，巷道涌水通過裂隙滲入巖層內(nèi)部，與巖石礦物發(fā)生物理、化學(xué)作用，改變了巖石顆粒之間的接觸形態(tài)，降低了巖石的內(nèi)摩擦角及黏聚力，進(jìn)而使巖石的力學(xué)強(qiáng)度降低，進(jìn)一步加劇水倉巷道的底鼓破壞[5]；另一方面底板鋁土泥巖吸水膨脹，其膨脹變形帶來圍巖應(yīng)力的增高響應(yīng)，促使巷道持續(xù)大變形破壞，更加惡化了巷道圍巖支護(hù)條件[6-8]。

2.2.2圍巖應(yīng)力環(huán)境

水倉頂板上方10m左右為房柱式開采的9號煤層，近距離煤層開采擾動下的支承壓力與原巖應(yīng)力及水弱化的綜合作用，使得水倉巷道圍巖原有及次生裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展、貫通，并極易產(chǎn)生局部冒落和離層。但由于9號煤層厚度較薄，礦壓顯現(xiàn)較為緩和，且水倉頂板及兩幫不受水的弱化影響，初始支護(hù)下的圍巖強(qiáng)度大于圍巖應(yīng)力，從而抑制了巷道頂板及兩幫的大幅度變形破壞；而水倉巷道底板底角應(yīng)力集中，且軟弱巖層吸水產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，致使巷道底板變形、破壞、釋壓。長時(shí)間持續(xù)底鼓破壞將影響巷道頂板及兩幫的圍巖穩(wěn)定。

2.2.3巷道施工因素

水倉原有支護(hù)方式為錨噴網(wǎng)，而常規(guī)錨噴網(wǎng)支護(hù)形成的承壓拱承載能力相對較弱，且受施工質(zhì)量影響較大。特別對于水倉軟巖底板，一方面由于其對水的敏感性強(qiáng)，巷道開挖后未能及時(shí)噴混凝土而潮解軟化；另一方面水倉底板原混凝土厚度較薄，未能承載底板因膨脹釋放的壓力而變形破壞。

綜上分析，對水倉底板軟化變形破壞機(jī)理的研究具有重要意義。

3水倉底板軟化變形破壞的數(shù)值模擬分析

根據(jù)該礦的地質(zhì)條件及所需模擬的內(nèi)容，確定底板遇水軟化的數(shù)值模擬選用FLAC3D軟件，并將模型簡化為平面應(yīng)變問題。模型總尺寸為40m×2m×40m，共劃分為8560個(gè)單元，11105個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，巷道圍巖重點(diǎn)研究區(qū)域網(wǎng)格劃分較密，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，根據(jù)礦井實(shí)際生產(chǎn)條件，模型上部邊界所施加的垂直應(yīng)力為10.8MPa，左右邊界X方向位移固定，前后邊界Y方向位移固定，底部邊界Z方向位移固定。建立的底板軟化數(shù)值模型如圖1所示。

圖1　底板軟化數(shù)值模型

水倉底板軟化變形破壞模擬后的巷道圍巖垂直應(yīng)力分布云圖如圖2所示，巷道圍巖塑性區(qū)分布特征如圖3所示。

圖2　巷道圍巖垂直應(yīng)力分布云圖

圖3　巷道圍巖塑性區(qū)分布特征

從圖2和圖3中可以看出，當(dāng)?shù)装鍩o水軟化時(shí)，圍巖壓應(yīng)力峰值主要集中在巷道兩幫，但兩幫塑性區(qū)很小，說明巷道兩幫圍巖并沒有破壞，仍具有承載能力；底板中部最大拉應(yīng)力區(qū)及塑性區(qū)范圍較小，且拉應(yīng)力向下傳遞的范圍淺；由此說明，原支護(hù)方案在巷道底板無水軟化情況下，可以保持巷道的穩(wěn)定性，且據(jù)現(xiàn)場實(shí)測，掘進(jìn)初期巷道變形不大。當(dāng)巷道底板受水的影響而發(fā)生軟化時(shí)，巷道兩幫圍巖壓應(yīng)力峰值有向深部轉(zhuǎn)移的趨勢，巷道底板中部拉應(yīng)力區(qū)及塑性區(qū)范圍大，且向深部傳遞的范圍大，巷道底鼓嚴(yán)重。有水軟化時(shí)底板中線處的垂直位移量如圖4所示，由圖4可知，巷道底板受水軟化時(shí)底鼓量為370mm，巷道底板影響范圍為4m，然后趨于穩(wěn)定。

圖4　底板中線處的垂直位移量

4軟巖水倉圍巖支護(hù)技術(shù)

4.1井底水倉巷道錨網(wǎng)噴支護(hù)技術(shù)

巷道開挖后采用錨網(wǎng)噴支護(hù)。錨桿采用規(guī)格為φ22mm×2400mm的樹脂錨桿，錨桿間排距為800mm，采用端頭錨固，每根錨桿采用MSK2355和MSZ2355樹脂藥卷各1卷，錨桿錨固力不低于50kN；金屬網(wǎng)直徑為6.5mm，網(wǎng)孔規(guī)格為100mm×100mm；噴射混凝土強(qiáng)度等級為C20，混凝土厚度為120mm，鋪底混凝土強(qiáng)度等級為C15，混凝土厚度為150mm。巷道錨網(wǎng)噴支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　巷道錨網(wǎng)噴支護(hù)結(jié)構(gòu)

4.2全斷面混凝土澆筑支護(hù)技術(shù)

由上述分析及數(shù)值模擬結(jié)果可知，水倉內(nèi)的水對底板鋁土泥巖的軟化作用是引起水倉巷道底鼓的重要因素。由此，提出在原錨網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行全斷面混凝土澆筑，澆筑厚度為350mm，以加強(qiáng)巷道底板支護(hù)，有效隔絕水對水倉底板的軟化影響。

全斷面混凝土澆筑支護(hù)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：

(1)及時(shí)封閉性水倉底板的鋁土泥巖屬于膨脹性軟巖，遇水易弱化，全斷面混凝土澆筑支護(hù)可及時(shí)有效地封閉圍巖，以防止圍巖風(fēng)化崩解，吸水弱化。

(2)整體支護(hù)性全斷面混凝土澆筑對水倉底板進(jìn)行了加強(qiáng)支護(hù)，促使圍巖形成整體承載拱，圍巖受力均勻，以防止圍巖底板出現(xiàn)局部弱支護(hù)[9]，而造成水倉底鼓，幫裂。

5支護(hù)效果分析

巷道開挖以后及時(shí)進(jìn)行錨網(wǎng)+全斷面混凝土澆筑支護(hù)，隨后設(shè)置測站進(jìn)行巷道變形監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果顯示：水倉巷道頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃嗡俾史謩e近似為0.65mm/d，0.82mm/d和0.59mm/d。60d后巷道基本趨于穩(wěn)定，頂板總下沉量為39.87mm，總底鼓量為50.15mm，兩幫總位移量為35.70mm，實(shí)現(xiàn)了對水倉底鼓的有效控制。

6結(jié)論

(1)水倉初始支護(hù)采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，噴射的混凝土厚度較薄，巷道底板壓曲破壞，水滲入底板裂隙，將底板軟巖弱化，導(dǎo)致底鼓量達(dá)0.5m，進(jìn)而影響巷道兩幫及頂板圍巖的穩(wěn)定性。

(2)通過對水倉巷道變形破壞理論分析與數(shù)值模擬，提出了在原錨網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行全斷面混凝土澆筑支護(hù)技術(shù)，并闡述了其及時(shí)封閉性和整體支護(hù)性的優(yōu)點(diǎn)。通過工程實(shí)踐證明，水倉巷道底鼓量降至50.15m，頂板下沉量降至39.87mm，兩幫位移量降至35.70mm，實(shí)現(xiàn)了對水倉巷道底板的有效控制。

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[責(zé)任編輯：王興庫]

Failure Mechanism and Supporting of Water Sump with Soft Surrounding Rock

[收稿日期]2015-08-31[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.020

[作者簡介]王文江(1977-)，男，遼寧新民人，工程師，主要從事煤炭技術(shù)和安全管理工作。

[中圖分類號]TD353

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]B

[文章編號]1006-6225(2016)03-0075-03

[引用格式]王文江，孫顏頂.軟巖水倉變形破壞機(jī)理與支護(hù)技術(shù)[J].煤礦開采，2016，21(3)：75-77.