圍巖燒變對(duì)斜井穩(wěn)定性的影響機(jī)制及其控制研究

劉志恒 袁 永 柯發(fā)宏,2 袁超峰

(1. 煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116； 2. 陜西麟北煤業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司，陜西省寶雞市，721599)

陜北、內(nèi)蒙古、新疆等地區(qū)燒變巖分布廣泛，其巖體裂隙發(fā)育，孔隙率和含水率較高，完整性極差，受擾動(dòng)影響后極易產(chǎn)生流變破壞、頂板垮落冒頂?shù)鹊V山災(zāi)害，是礦山建設(shè)及煤層開采的主要工程地質(zhì)問(wèn)題之一。國(guó)內(nèi)地質(zhì)、資源探勘和煤炭系統(tǒng)針對(duì)燒變巖的成因、分類、水文地質(zhì)特征和工程特性等方面做出大量的理論和工程研究并取得豐碩成果，揭示了燒變巖的空間分布形態(tài)、地球物理特征以及與地下水的作用關(guān)系等，但針對(duì)燒變巖這類特殊軟巖的支護(hù)技術(shù)研究較少。涼水井煤礦2#副斜井在過(guò)燒變巖區(qū)的掘進(jìn)過(guò)程中，產(chǎn)生了不同程度的冒頂、片幫等破壞問(wèn)題，嚴(yán)重威脅礦井施工的安全，因此，解決燒變巖區(qū)的圍巖穩(wěn)定性控制問(wèn)題，提出合理的支護(hù)技術(shù)與參數(shù)，對(duì)保障井筒的長(zhǎng)期穩(wěn)定具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程地質(zhì)特征

1.1 地質(zhì)條件

涼水井煤礦位于陜北榆神礦區(qū)，為承擔(dān)礦井北部區(qū)域輔助運(yùn)輸任務(wù)，礦井設(shè)計(jì)布置2#緩坡副斜井。為加快施工進(jìn)度，從井底基巖段開始反掘，斜井反掘期間揭露巖性以細(xì)粒砂巖和粉砂巖為主，先后穿過(guò)底板粉砂巖、3-1煤層、燒變巖及風(fēng)化巖，其中預(yù)計(jì)穿燒變巖長(zhǎng)度為220 m，如圖1所示。

圖1 斜井地質(zhì)剖面圖

1.2 燒變巖物理特性

基于涼水井煤礦地質(zhì)報(bào)告及補(bǔ)充勘查報(bào)告，揭露燒變巖主要呈現(xiàn)如下特征：巖石燒變后呈棕紅色、紫雜色等，巖層破碎成不規(guī)則塊狀、片狀，整體表現(xiàn)出完整性差、紊亂支離破碎等特性；裂隙孔洞發(fā)育，導(dǎo)水性強(qiáng)，受上方含水層補(bǔ)給影響富水性較強(qiáng)，且遇水松軟易崩塌，嚴(yán)重時(shí)呈流淌狀；巖石含有較高的粘土礦物，具有膨脹特性，極易風(fēng)化潮解，且受采動(dòng)影響敏感；孔隙率和吸水率有所上升，力學(xué)性能大幅降低，大大喪失承載能力。巖石物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

2 巖體燒變對(duì)斜井圍巖穩(wěn)定性影響機(jī)制

2.1 巖體燒變后強(qiáng)度劣化

大量研究和實(shí)踐表明，圍巖松動(dòng)圈厚度可以作為衡量圍巖狀態(tài)及支護(hù)分類的重要指標(biāo)，基于Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則求得圍巖松動(dòng)圈半徑R1為：

式中：R0——巷道半徑，m；

σc——巖體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；

pi——支護(hù)強(qiáng)度，MPa；

m、s——松動(dòng)區(qū)的Hock-Brown常數(shù)；其中：

式中：mi——完整巖石的Hock-Brown常數(shù)，由巖石種類決定；

GSI——巖體完整性的地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)；

D——表征巖體受擾動(dòng)程度因子。

由式(1)、式(2)和式(3)可以看出，圍巖松動(dòng)圈厚度L是一個(gè)與巷道半徑、圍巖強(qiáng)度、支護(hù)強(qiáng)度、巖石性質(zhì)、巖體的完整性和受擾動(dòng)程度因子等因素有關(guān)的復(fù)雜函數(shù)，是一個(gè)多因素影響的系統(tǒng)問(wèn)題，即：

L=f(R0,σc,Pi,mi,GSI,D)

(4)

由式(4)可知，巷道圍巖松動(dòng)圈與巖體完整性和受擾動(dòng)程度因子間的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 松動(dòng)圈厚度與部分參數(shù)關(guān)系

由圖2可以看出，涼水井煤礦2#副斜井燒變巖區(qū)原巖為粉砂巖，塊狀結(jié)構(gòu)，整體強(qiáng)度和完整性較好，GSI基本達(dá)到70以上，松動(dòng)圈厚度為0.5～1.5 m左右，屬較穩(wěn)定圍巖；巖體燒變后基本為碎裂結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)石等不穩(wěn)定礦物風(fēng)化成粘土礦物，遇水后更是軟化成泥糊狀，開挖后易坍塌，地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)不足50，松動(dòng)圈厚度大于3.0 m，屬極軟圍巖，支護(hù)不當(dāng)時(shí)極易失穩(wěn)。巖體燒變前強(qiáng)度和完整度較高，隨受擾動(dòng)程度增加，松動(dòng)圈厚度增幅很小；巖體燒變后，地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)降低，受擾動(dòng)因子對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響顯著增加。燒變巖體采用炮掘工藝掘進(jìn)時(shí)，爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波加劇圍巖裂隙的產(chǎn)生和擴(kuò)展，一方面降低了圍巖的完整性，另一方面增加了巖體受擾動(dòng)程度，圍巖從暴露到完全喪失穩(wěn)定性甚至產(chǎn)生冒落的時(shí)間急劇縮短，斜井開掘后，有時(shí)甚至來(lái)不及實(shí)施支護(hù)，表面便出現(xiàn)較大變形；松動(dòng)圈厚度大幅增大，深處圍巖也會(huì)發(fā)生較大位移，巖體間的相互作用力減小，塑性區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，最終導(dǎo)致圍巖整體大面積失穩(wěn)。

2.2 裂隙水弱化作用

掘進(jìn)工作面位于薩拉烏蘇組中等富水區(qū)，掘進(jìn)過(guò)程中伴有滴水、淋水現(xiàn)象，出水量大，巖體基本為飽水狀態(tài)。根據(jù)表1中的力學(xué)參數(shù)，利用FLAC3D模擬軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，模型尺寸為40 m×20 m×40 m，側(cè)壓系數(shù)取1.2，模型四周及底部固定約束，上邊界施加2.6 MPa面力等效上覆巖層重力。模擬結(jié)果分別如圖3、圖4和表2所示。

圖3 圍巖塑性區(qū)分布

圍巖狀態(tài)頂板/mm底板/mm幫部/mm干燥9.9410.7610.70飽水149.62140.87128.96

由模擬結(jié)果可知，燒變巖在干燥狀態(tài)下，塑性區(qū)擴(kuò)展深度為0.2 ～0.7 m左右，最大垂直應(yīng)力為8.06 MPa，位于斜井底角處，頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟炕驹?0 mm左右；燒變巖在飽水狀態(tài)下，頂板及兩幫塑性區(qū)擴(kuò)展深度為2.2～2.7 m，底板達(dá)到3.6 m，最大垂直應(yīng)力為4.23 MPa，主要分布在兩幫距斜井表面約2.0 m處，較干燥情況下頂?shù)装寮皟蓭偷蛻?yīng)力區(qū)有明顯增加，圍巖變形量增幅達(dá)到12～15倍。

圖4 圍巖垂直應(yīng)力分布

綜上所述，燒變巖在干燥狀態(tài)下雖然較原巖強(qiáng)度有所降低，但仍具有一定的承載能力。由于地下裂隙水的存在，在水-巖力學(xué)耦合作用下加劇了裂隙的發(fā)育程度，圍巖抗剪強(qiáng)度及力學(xué)性能進(jìn)一步降低；水—巖物化耦合作用下巖體內(nèi)膠結(jié)物被沖刷、溶解，降低了巖體塊與塊之間力的聯(lián)系，加劇了大塊巖體的崩解、膨脹和泥化。此外，在開挖后圍巖尚未全封閉時(shí)，受潮巖體在水壓的作用下更易向自由面移動(dòng)，發(fā)生流變現(xiàn)象。

3 燒變圍巖斜井支護(hù)技術(shù)研究

3.1 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

3.1.1 合理注漿堵水

研究認(rèn)為，消除或減弱掘進(jìn)過(guò)程中裂隙水對(duì)巖體的弱化影響的關(guān)鍵是減少裂隙水與圍巖作用的機(jī)會(huì)，通過(guò)對(duì)涌水量大的區(qū)段采用預(yù)注漿堵水加固，封堵圍巖裂隙，改變上覆巖層水的流動(dòng)路徑，降低斜井圍巖的含水率，以減少水對(duì)圍巖的軟化和沖刷，提高圍巖的強(qiáng)度。

3.1.2 支護(hù)方式選擇

由于圍巖強(qiáng)度低，松動(dòng)破壞范圍大，普通的錨桿支護(hù)錨固區(qū)一般都在圍巖的塑性區(qū)或破碎區(qū)內(nèi)，可錨性與錨固力較低，難以適應(yīng)巷道的非線性大變形，無(wú)法實(shí)現(xiàn)錨桿預(yù)期支護(hù)效果。U型鋼支架作為骨架結(jié)構(gòu)和混凝土共同形成封閉承載機(jī)構(gòu)是一種有效的支護(hù)方式，但圍巖來(lái)壓快時(shí)存在滯后效應(yīng)，同時(shí)對(duì)于提高圍巖強(qiáng)度、充分發(fā)揮圍巖自承能力方面作用有限。研究表明，超前管棚不僅能起到物理上的剛性支撐作用，還可以通過(guò)結(jié)合注漿技術(shù)提高圍巖力學(xué)參數(shù)和完整性、改善圍巖受力狀態(tài)，同時(shí)可封堵裂隙，有效隔水，在裂隙發(fā)育、巖體破碎、斷層較多等IV～VI級(jí)圍巖條件下效果顯著。

3.1.3 支護(hù)設(shè)計(jì)及工藝流程

綜合前文分析，針對(duì)燒變巖體物理力學(xué)特性，支護(hù)的關(guān)鍵不在于開挖后的支護(hù)強(qiáng)度和時(shí)機(jī)，更重要的是消除開挖前圍巖本身強(qiáng)度劣化，充分發(fā)揮圍巖承載能力。因此提出“管棚撞契+U型鋼”一次支護(hù)，“砌碹+壁后注漿”二次支護(hù)的支護(hù)方案，具體工藝流程為：先探后掘、注漿堵水、超前管棚、短掘短支(挖掘機(jī)破巖，U25型鋼支護(hù))、二次襯砌。

3.2 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

3.2.1 注漿參數(shù)設(shè)計(jì)

注漿材料選用高水速凝材料，水灰比為1.6∶1～1.8∶1，起始?jí)毫?.8～1.0 MPa，淺孔注漿壓力2.0～2.5 MPa，深孔注漿壓力2.5～3.0 MPa。

注漿孔布置如圖5所示，在工作面前方布置3排3列眼，按不同的設(shè)計(jì)角度向頂板上方傾斜，注漿后可以形成不同的控制范圍，最長(zhǎng)控制范圍約為12 m，漿液擴(kuò)散半徑約1.5 m。鉆孔孔徑65 mm，頂板眼沿巷道拱部輪廓線布置，中間眼距輪廓線900 mm，底排眼距輪廓線1500 mm，鉆孔布置法線均與拱部輪廓線垂直，每掘進(jìn)10 m布置1組注漿眼。

3.2.2 施工斷面支護(hù)設(shè)計(jì)

(1)超前管棚。在迎頭按一定角度在拱基線以上沿巷道輪廓線呈扇形施工超前管棚護(hù)頂。管棚選用6分鋼管，長(zhǎng)3 m，間距300 mm，巷道外沿5°，外留500 mm搭接在支架上，確保超前距最小1000 mm。巷道斷面支護(hù)設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖5 預(yù)注漿孔布置示意圖

(2)架棚、掛網(wǎng)：每開挖500 mm后開始架設(shè)U25型鋼支架，架間距500 mm，頂部掛鋼筋網(wǎng)，并用木背板剎幫背頂。架棚支護(hù)循環(huán)進(jìn)尺500 mm，支架迎山角為1°～2°。

(3)砌碹：二次砌襯選用標(biāo)號(hào)C30砼，壁厚450 mm，滯后初期支護(hù)1.5～4.5 m。

圖6 燒變巖區(qū)斜井?dāng)嗝嬷ёo(hù)設(shè)計(jì)圖

3.3 支護(hù)效果分析

通過(guò)對(duì)4個(gè)測(cè)站為期5個(gè)月的科學(xué)觀測(cè)，斜井的圍巖變形在54 d左右基本達(dá)到穩(wěn)定，其中頂?shù)装逑鄬?duì)移近量增加了24～35 mm，兩幫相對(duì)移近量增加了28～36 mm，圍巖整體變形不大。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)地質(zhì)探勘以及理論、數(shù)值分析，揭示了淺埋燒變巖區(qū)斜井圍巖失穩(wěn)機(jī)理，其中巖石燒變后強(qiáng)度劣化以及裂隙水的軟化作用是影響斜井圍巖穩(wěn)定性的主控因素。

(2)提出預(yù)注漿堵水、“管棚撞契+U型鋼”一次支護(hù)，“砌碹+壁后注漿”二次支護(hù)的支護(hù)方案及施工工藝，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了工程應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了燒變巖區(qū)斜井圍巖的安全控制。

(3)對(duì)于未注漿區(qū)，施工時(shí)可以考慮采用錨索進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)，進(jìn)一步增強(qiáng)“棚+砌碹+注漿”系統(tǒng)的承載能力。