皮里青煤礦斜井穿厚松散層圍巖分段支護(hù)技術(shù)研究

李 季，丁自偉

(西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

在我國(guó)西部地區(qū)[1-3]，煤層大多埋深淺，上覆厚松散層且基巖薄，地層膠結(jié)程度極低，巖石強(qiáng)度低，遇水泥化，遇風(fēng)軟化現(xiàn)象嚴(yán)重。在此類巖層中進(jìn)行斜井開(kāi)挖工程，由于圍巖自穩(wěn)能力差，變形劇烈，而井筒對(duì)圍巖的穩(wěn)定性要求高，勢(shì)必會(huì)給斜井井筒的圍巖控制帶來(lái)一系列的難題。近年來(lái)，眾多專家學(xué)者對(duì)此類地質(zhì)條件下的井巷圍巖控制進(jìn)行了有益的探索。文獻(xiàn)[4]研究了深厚含水松散層的工程性質(zhì)、變形及其在井筒破壞治理工程中的應(yīng)用，提出了深部粘土存在強(qiáng)變?nèi)趺婧蜕畈空惩痢吧?、下限?qiáng)度”的概念和選取方法。文獻(xiàn)[5]針對(duì)某斜井的弱膠結(jié)未成砂巖的地質(zhì)條件，提出了一種利用挑頂斜井空間轉(zhuǎn)換施工隧道初支結(jié)構(gòu)的方法。文獻(xiàn)[6]針對(duì)斜井圍巖破碎變形嚴(yán)重的特點(diǎn)，在分析其原因的基礎(chǔ)上提出了U 型鋼支架、壁后充填、錨網(wǎng)噴、錨注的耦合支護(hù)方式。文獻(xiàn)[7]揭示了極弱膠結(jié)地層巷道圍巖力學(xué)及變形破壞特征，提出了工字鋼、“鋼筋網(wǎng)+混凝土襯砌”的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。文獻(xiàn)[8]研究了厚礫石層斜井圍巖破壞機(jī)理，分析了圍巖壓力和位移變化規(guī)律。以上研究，對(duì)厚回填土下斜井穿厚松散層圍巖變形規(guī)律和支護(hù)技術(shù)的研究卻鮮有觸及，因此研究該類地質(zhì)條件下的圍巖變形破壞規(guī)律和支護(hù)技術(shù)，有著重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 工程概況

國(guó)投伊犁皮里青煤礦設(shè)計(jì)產(chǎn)量為3.0Mt/a，開(kāi)采煤層埋深300m左右，需要從地表斜向下施工一對(duì)主副斜井，長(zhǎng)度分別為1117m和1194m，傾角均為5.5°左右。井筒表土上方有一層回填土，由附近露天煤礦排土場(chǎng)回填土構(gòu)成，且井筒圍巖地質(zhì)賦存條件為薄基巖厚松散層，基巖膠結(jié)程度低，物理力學(xué)參數(shù)極差。

目前井筒掘進(jìn)支護(hù)形式為“16#工字鋼U型棚+網(wǎng)噴混凝土”支護(hù)，由于井筒圍巖地質(zhì)條件的特殊性，井筒部分圍巖還是出現(xiàn)了不同程度的礦壓顯現(xiàn)，主要表現(xiàn)為頂板下沉和兩幫移近明顯，導(dǎo)致了工字鋼U型棚棚腿扭曲，棚頂出現(xiàn)扁平，甚至發(fā)生“V”形破壞和噴射混凝土層的不同程度的開(kāi)裂。為了保證井筒的安全，礦方不斷縮小棚間距，重新進(jìn)行混凝土的噴射，此外對(duì)于棚頂破壞嚴(yán)重的支架，架設(shè)單體支柱進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。如此一來(lái)，不僅嚴(yán)重影響了井筒的掘進(jìn)速度，同時(shí)導(dǎo)致了支護(hù)成本的增加。

1.2 井筒圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估

皮里青礦井筒地層主要由以下五組巖層構(gòu)成：

1)回填土松散層組。層段由露天煤礦剝離物組成，為塊狀的砂巖、泥巖及松散的粉土加雜堆積，未沉穩(wěn)，鉆進(jìn)時(shí)漏漿，遇水濕陷。呈散體結(jié)構(gòu)，平均揭露厚度40.44m，為極不穩(wěn)定型。

2)第四系松散層組。層段由第四系風(fēng)積粉土(厚度6.60～39.00m)及沖洪積砂礫石(厚度4.68～6.30m)組成。該層巖石無(wú)膠結(jié)，疏松多孔，為散體結(jié)構(gòu)巖體，為極不穩(wěn)定型。

3)古近系粉質(zhì)粘土軟弱巖組。地層為一套巨厚層的磚紅色粉質(zhì)粘土(厚度37.60～42.00m)，地層近散體結(jié)構(gòu)，易發(fā)生膨脹、壓縮沉降、坍塌滑移等工程地質(zhì)問(wèn)題，為極不穩(wěn)定型。

4)侏羅系強(qiáng)風(fēng)化帶碎裂結(jié)構(gòu)巖組。主要由泥巖、砂巖及砂礫巖構(gòu)成，屬極不穩(wěn)定型，厚度為10.62～197.65m，泥巖具可塑狀態(tài)，質(zhì)軟；砂巖及砂礫巖多呈松散狀。

5)侏羅系西山窯組中段層狀碎屑含煤軟巖組。組巖性為泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖、煤層及煤線等，為不穩(wěn)定型，厚度0～125.46m。巖石單軸抗壓強(qiáng)度小于30MPa，軟化系數(shù)多小于0.75，屬軟弱巖石，易軟化。

圍巖類別分析是分析圍巖穩(wěn)定的一種重要方法，也是采礦工程一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容。本文采用修正的BQ分類法[9，10]進(jìn)行圍巖等級(jí)劃分，為數(shù)值模擬和確定支護(hù)參數(shù)提供依據(jù)。選取井筒的五個(gè)具有代表性的斷面進(jìn)行圍巖分級(jí)。通過(guò)對(duì)BQ值計(jì)算并進(jìn)行修正，并根據(jù)修正后的值劃分斜井圍巖等級(jí)，分級(jí)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 斜井圍巖分級(jí)

通過(guò)表1可以看出：①V級(jí)圍巖包括表土段和風(fēng)化基巖段，占全斜井長(zhǎng)度的40.99%；②IV級(jí)圍巖包括穩(wěn)定基巖段和煤層段，占全斜井長(zhǎng)度的59.01%。綜上，斜井圍巖變化大，性質(zhì)各異，IV級(jí)圍巖所占比例較高，需根據(jù)井筒不同的圍巖特征和圍巖等級(jí)提出與之相適應(yīng)的支護(hù)方法。

1.3 井筒圍巖變形破壞規(guī)律

根據(jù)井筒圍巖現(xiàn)場(chǎng)變形破壞情況，結(jié)合圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)評(píng)估結(jié)果，可將斜井圍巖變形破壞規(guī)律歸結(jié)如下：

1)井筒拱頂圍巖承載能力弱。井筒表土層上方為露天礦回填土，呈散體結(jié)構(gòu)，無(wú)承載能力，導(dǎo)致其在重力作用下，將自身重量傳遞給井筒圍巖。而井筒圍巖主要為黃土、粉質(zhì)泥土、泥巖、砂巖及粉砂巖，其膠結(jié)程度低甚至基本沒(méi)有膠結(jié)，呈散體結(jié)構(gòu)，物理力學(xué)參數(shù)差。巖層由于強(qiáng)度極低，加之上覆回填土重力作用，巖層完整性遭到破壞，很難形成有效的承載結(jié)構(gòu)。

2)井筒幫部圍巖破壞嚴(yán)重。由于井筒頂拱圍巖基本沒(méi)有承載能力，因此井筒頂拱的壓力向兩幫轉(zhuǎn)移，加之兩幫圍巖自身強(qiáng)度較低，因此在頂拱巖層的壓力作用下，幫部出現(xiàn)了應(yīng)力集中，尤其是幫腳位置應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯，導(dǎo)致幫部圍巖發(fā)生大范圍的塑性破壞，致使井筒實(shí)際跨度增大，使幫部承受的頂拱壓力不斷增大，如此反復(fù)，導(dǎo)致幫部的圍巖進(jìn)入惡性循環(huán)破壞。

3)井筒拱頂變形嚴(yán)重。由于井筒頂拱圍巖基本沒(méi)有承載能力，故其壓力轉(zhuǎn)向兩幫，導(dǎo)致井筒兩幫圍巖應(yīng)力集中，圍巖破壞深度增加。兩幫圍巖破壞深度的增加，將導(dǎo)致井筒實(shí)際跨度的增加，頂拱兩端的支撐點(diǎn)向兩幫深部不斷轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致頂拱變形進(jìn)一步加大。

2 斜井穿厚松散層圍巖分段支護(hù)技術(shù)

2.1 現(xiàn)有支護(hù)方式誤區(qū)分析

井筒原有掘進(jìn)支護(hù)方式為“16#工字鋼U型棚+網(wǎng)噴混凝土”支護(hù)，U型棚由三段16#工字鋼組成，棚間距由800mm不斷縮小至500mm。結(jié)合厚回填土下斜井穿厚松散層圍巖的變形破壞規(guī)律，可以看出原有支護(hù)方式存在以下三方面的誤區(qū)：

1)支護(hù)體不能使拱頂形成有效地承載結(jié)構(gòu)。皮里青礦斜井井筒拱頂圍巖承載能力弱，無(wú)法形成有效地承載能力，而皮里青礦斜井井筒原有支護(hù)方式為16#工字鋼U型棚支護(hù)，屬于被動(dòng)支護(hù)，無(wú)法主動(dòng)對(duì)井筒圍巖進(jìn)行支護(hù)，使頂拱圍巖形成有效承載結(jié)構(gòu)。

2)支護(hù)體抗扭能力差。通過(guò)研究皮里青礦厚回填土下斜井穿厚松散層圍巖變形破壞規(guī)律可以看出，皮里青礦斜井井筒幫部圍巖均出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致幫部圍巖破碎，變形量相對(duì)較大，而16#工字鋼U型棚屬于工字鋼支架，其抗扭能力較差，必然會(huì)導(dǎo)致支護(hù)體出現(xiàn)扭曲變形。

3)支護(hù)方式經(jīng)濟(jì)性差。通過(guò)核算原有支護(hù)成本為大約20000元/m，而現(xiàn)有支護(hù)體的支護(hù)強(qiáng)度校核[11-13]發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有支護(hù)體的實(shí)際載荷只有極限載荷的60%左右，且圍巖控制效果不理想。因此，原有支護(hù)方式造成了支護(hù)強(qiáng)度浪費(fèi)，且每米支護(hù)成本高，導(dǎo)致斜井井筒支護(hù)費(fèi)用居高不下。

2.2 不同地質(zhì)條件圍巖段支護(hù)方式的選擇

由于表土段和基巖段上覆40～60m厚的回填土，而圍巖變形破規(guī)律顯示頂板難以形成有效地承載結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致井筒頂部壓力較大。而井筒圍巖分級(jí)結(jié)果顯示，表土層和風(fēng)化基巖段屬于V類圍巖，破碎，易風(fēng)化，圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)極差。若實(shí)行錨網(wǎng)噴，錨桿(索)錨固力得不到保障。因此表土段和風(fēng)化基巖段必須使用具有高承載能力剛性金屬支架。

熱軋型鋼在抗彎截面模量、斷面利用率和總模量等參數(shù)比礦用工字鋼和U型棚更優(yōu)[14]。鋼筋網(wǎng)和混凝土可以和圍巖形成整體，充填井筒表面裂隙，減少裂隙深部圍巖的破壞，有效地隔絕空氣和水的作用，防止由于巖體風(fēng)化、水解破壞井筒圍巖完整性，造成圍巖強(qiáng)度降低，保持井筒穩(wěn)定性。同時(shí)考慮支架的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性因素，決定選用“16#普通熱軋型鋼U型棚+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土”對(duì)表土段和風(fēng)化基巖段進(jìn)行支護(hù)。

相比于表土段和風(fēng)化基巖段，基巖段圍巖條件較好?；鶐r段圍巖為膠結(jié)程度低的泥巖、砂巖和粉砂巖，現(xiàn)場(chǎng)錨桿拉拔力試驗(yàn)顯示，基巖段錨桿拉拔力均可達(dá)到8t以上，考慮到其圍巖變形規(guī)律，決定在基巖段運(yùn)用錨網(wǎng)噴技術(shù)進(jìn)行支護(hù)，使井筒頂部巖層形成一定的承載結(jié)構(gòu)，降低支護(hù)成本，提高掘進(jìn)速度。

2.3 支護(hù)方式對(duì)井筒圍巖控制效果的數(shù)值模擬研究

為了驗(yàn)證兩種支護(hù)方式的合理性，利用FLAC3D對(duì)兩種支護(hù)方式下的井筒圍巖的塑性區(qū)和位移進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。模型上部施加巖層自重，左右邊界為水平位移約束，底部邊界為固定位移約束，頂部為自由邊界，施加應(yīng)力邊界條件，圍巖物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2，本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫模型，錨桿索采用FLAC3D中的錨索結(jié)構(gòu)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)，金屬支架采用FLAC3D中的殼型結(jié)構(gòu)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)[15-17]。

2.3.1 金屬支架支護(hù)效果分析

金屬支架支護(hù)下表土段圍巖塑性破壞及位移圖如圖1所示，由圖1可以看出，表土段使用金屬支架支護(hù)時(shí)，由于金屬支架支護(hù)承載能力高，承擔(dān)了一部分頂板壓力，使頂板轉(zhuǎn)移給兩幫的壓力減少，因此金屬支架支護(hù)下兩幫最大塑性區(qū)半徑有所減小，而頂?shù)装逅苄詤^(qū)并沒(méi)有變化。同時(shí)使用金屬支架，表土段表面最大位移大幅減小，頂板最大位移減小了73.4%，幫部最大位移減小了67.7%。因此在表土段使用金屬支架支護(hù)，可以對(duì)圍巖提供較高的支護(hù)阻力，可以大幅減小圍巖位移，較好地控制圍巖變形。

表2 圍巖力學(xué)參數(shù)表

圖1 金屬支架支護(hù)下表土段圍巖塑性破壞及位移圖

金屬支架支護(hù)下風(fēng)化基巖段圍巖塑性破壞及位移圖如圖2所示，由圖2可以看出，在風(fēng)化基巖段，與表土段相比風(fēng)化基巖段圍巖條件較好，因此使用金屬支架支護(hù)時(shí)，金屬支架的高強(qiáng)支護(hù)力，減小了頂板轉(zhuǎn)移到兩幫的壓力，對(duì)圍巖的惡性破壞有所改善，因此風(fēng)化基巖段圍巖最大塑性區(qū)半徑都有所減少。同時(shí)，頂板的最大位移量減小了79.7%，兩幫最大位移減小了64.4%。因此在風(fēng)化基巖段使用金屬支架支護(hù)，可以減小圍巖的惡性破壞，有效減小圍巖的位移，控制圍巖效果良好。

圖2 金屬支架支護(hù)下風(fēng)化基巖段圍巖塑性破壞及位移圖

2.3.2 錨網(wǎng)噴支護(hù)效果分析

錨網(wǎng)噴支護(hù)下穩(wěn)定基巖段圍巖塑性破壞及位移圖如圖3所示，由圖3可以看出，在穩(wěn)定基巖段，使用錨網(wǎng)噴支護(hù)后，由于錨桿索的協(xié)調(diào)支護(hù)，圍巖塑性區(qū)分布范圍有所減少，并且塑性區(qū)呈均勻化分布。同時(shí)由于錨桿索為主動(dòng)支護(hù)，頂板發(fā)生最大位移的范圍減小，盡在頂板深部0～1m范圍內(nèi)，此外頂板中深部圍巖位移量較小，頂板最大位移量減小了59.6%，兩幫最大位移均發(fā)生在淺部位移，深部圍巖位移量很小，兩幫最大位移量減小了35%。因此基巖段使用錨網(wǎng)噴支護(hù)時(shí)，由于錨桿索的協(xié)調(diào)主動(dòng)支護(hù)，發(fā)揮中深部圍巖的承載能力，控制中深部圍巖的位移，有效減小圍巖的破壞。

圖3 錨網(wǎng)噴支護(hù)下穩(wěn)定基巖段圍巖塑性破壞及位移圖

綜上所述，在表土段和基巖段使用金屬支架支護(hù)時(shí)，由于金屬支架的高承載力，可以有效減小頂板傳遞給兩幫的壓力，使頂板和兩幫的位移量大幅減小。而基巖段使用錨網(wǎng)噴支護(hù)，錨桿索協(xié)調(diào)支護(hù)可以對(duì)圍巖提供主動(dòng)支護(hù)力，調(diào)動(dòng)深部圍巖的承載能力，控制圍巖的惡性破壞。

3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證分段支護(hù)技術(shù)的合理性，在皮里青礦主斜井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)。利用壓力拱理論并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐，確定表土段和風(fēng)化基巖段支護(hù)參數(shù)為：16#普通熱軋型鋼U型棚，排距為800mm，特別破碎段可縮小為排距500～600mm。同時(shí)，根據(jù)錨桿設(shè)計(jì)理論，結(jié)合基巖段圍巖變形規(guī)律，確定基巖段支護(hù)參數(shù)為：錨索錨桿協(xié)調(diào)支護(hù)。每排7根Φ20mm×2250mm無(wú)縱筋全螺紋鋼等強(qiáng)錨桿，間排距為1050mm×800mm。每排2根Φ17.8mm×6300mm的錨索，間排距為2100mm×2100mm。

為了檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果，分別在表土段、風(fēng)化基巖段進(jìn)行了深基點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)，主斜井不同段圍巖頂板深基點(diǎn)位移曲線如圖4所示。

圖4 主斜井不同段圍巖頂板深基點(diǎn)位移曲線

通過(guò)圖4可以看出，表土段和風(fēng)化基巖段在使用16#普通熱軋型鋼U型棚下，在掘進(jìn)后3～4d圍巖基本趨于穩(wěn)定，位移量保持在3cm；而風(fēng)化基巖段在掘進(jìn)后0～6d基本趨于穩(wěn)定，位移量保持在1.1cm，同時(shí)位移主要發(fā)生在0～4m范圍內(nèi)的巖層中，而4m以上的深部位移量很小。主斜井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際掘進(jìn)施工過(guò)程中，累計(jì)節(jié)約支護(hù)成本約434萬(wàn)元，掘進(jìn)速度為原來(lái)的1.6倍，井筒穩(wěn)定性較好，達(dá)到了使用要求。

4 結(jié) 論

1)利用修正的BQ圍巖分類法對(duì)皮里青礦斜井井筒進(jìn)行了圍巖分級(jí)，分級(jí)結(jié)果顯示：V級(jí)圍巖包括表土段和風(fēng)化基巖段，占斜井長(zhǎng)度的40.99%；IV級(jí)圍巖包括穩(wěn)定基巖段和煤層段，占斜井長(zhǎng)度的59.01%。

2)揭示了皮里青礦厚回填土下斜井穿厚松散層圍巖變形破壞規(guī)律為：井筒拱頂圍巖承載能力弱，在回填土荷載作用下，井筒頂拱的壓力向兩幫轉(zhuǎn)移，幫部出現(xiàn)了應(yīng)力集中，尤其是幫腳位置應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，加之兩幫圍巖自身強(qiáng)度較低，導(dǎo)致幫部圍巖發(fā)生大范圍的塑性破壞，致使井筒實(shí)際跨度增大，使幫部承受的頂拱壓力不斷增大，如此反復(fù)，頂拱兩端的支撐點(diǎn)向兩幫深部不斷轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致井筒圍巖進(jìn)入惡性循環(huán)破壞。

3)針對(duì)井筒圍巖變形規(guī)律，并結(jié)合工程實(shí)踐，提出了厚回填土下斜井穿厚松散層圍巖分段支護(hù)技術(shù)：表土層和風(fēng)化基巖段支護(hù)采用“承載力高的16#普通熱軋型鋼U型棚配合鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土”支護(hù)；穩(wěn)定基巖段采用錨桿索協(xié)調(diào)支護(hù)，提高頂部圍巖自穩(wěn)能力，降低支護(hù)成本，提高掘進(jìn)速度。

4)在皮里青礦主斜井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：在使用厚回填土下斜井穿厚松散層圍巖分段支護(hù)技術(shù)后，井筒圍巖變形均在工程允許范圍內(nèi)，符合井筒使用要求，累計(jì)節(jié)約支護(hù)成本約434萬(wàn)元，掘進(jìn)速度提高為原來(lái)的1.6倍。