深部傾斜巖層巷道變形分析與控制

林 海，趙志偉，康一強，李 昂，王 越

(中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)

隨著淺部資源儲存量日益減少，我國礦井開采逐漸進入深部。在深部高地應力環(huán)境中，巷道開挖后圍巖變形速率快、變形量大，發(fā)生沖擊地壓的頻率增加，流變特性顯著[1-2]。其中，對于深部傾斜巖層巷道所產(chǎn)生的非對稱破壞，采用傳統(tǒng)的淺部支護方法容易發(fā)生非對稱大變形，導致巷道結構失穩(wěn)，難以保證圍巖長期穩(wěn)定。

為此，許多學者針對深部傾斜巷道圍巖的變形機理和控制技術進行了大量研究[3-6]。孫曉明等[7]認為深部傾斜巖層巷道斷面與巖層傾斜方向的鈍角部位是產(chǎn)生非對稱變形破壞的關鍵部位；楊帆等[8]對急傾斜軟硬互層巷道進行研究，并提出急傾斜軟硬互層巷道圍巖的穩(wěn)定技術；王炯等[9]對深部穿層巷道非對稱變形機理和控制技術進行研究，提出了錨網(wǎng)索+底角錨桿的支護技術，在現(xiàn)場取得了良好應用；范明建等[10]對大傾角復合巖層巷道圍巖進行研究，提出全斷面強力錨網(wǎng)支護與注漿加固為一體的控制技術；王襄禹等[11]對弱面影響下深部傾斜巖層巷道非對稱變形進行研究，通過采用分階段動態(tài)控制技術，強化弱面及圍巖整體強度與承載能力。上述研究解決了大量工程問題，但均未從巖層傾角的角度分析深部傾斜巖層巷道破壞的原因，因此有必要針對巖層傾角對深部巷道變形的影響規(guī)律進行研究，進一步完善深部傾斜巖層巷道的控制技術。

九龍礦北翼二水平軌道大巷為典型深部傾斜巖層巷道，掘進期間圍巖非對稱大變形顯著、底鼓嚴重、支護結構大量破損，給井下正常安全生產(chǎn)帶來極大影響。本文在現(xiàn)場調研基礎上，針對不同巖層傾角，分析深部傾斜巖層巷道的變形破壞規(guī)律，提出深部傾斜巖層巷道控制原理，采用針對性支護方案來保證巷道的長期穩(wěn)定。

1 工程背景

1.1 工程概況

峰峰九龍礦北翼二水平軌道大巷埋深近千米，屬于典型深部軟巖巷道。巷道斷面形狀為直墻半圓拱，凈斷面尺寸為4 400 mm×3 800 mm，拱高為2 200 mm，沿巖層走向布置，掘進過程中揭露的巖層主要為砂質泥巖、3#煤層和泥巖，掘進過程中巖層傾角大小不定，平均為19°。3#煤層平均厚度為0.6 m，屬于穩(wěn)定煤層。巷道底板為泥巖，厚度為3.0 m，直接頂為砂質泥巖，厚度為3.0 m，老頂為細砂巖，厚度為17 m。

1.2 原支護方案及圍巖變形特征

在施工前期，巷道采用錨網(wǎng)噴+錨索聯(lián)合支護。錨桿尺寸為Φ20 mm×2 400 mm，間排距為700 mm×700 mm，兩幫靠近底角處各布置一根與水平呈30°的幫角錨桿；采用Φ21.6 mm×8 000 mm的1 860 MPa級1×7股預應力鋼絞線，拱頂每排布置3根錨索，間排距為1 500 mm×1 500 mm；全斷面噴射厚度為150 mm的C20混凝土。二次支護采用U36鋼支架，凈規(guī)格4 400 mm×3 800 mm，每架分4節(jié)使用，棚距700 mm。原支護方案如圖1所示。

圖1 原支護方案Fig.1 Original support scheme

巷道開挖后，圍巖非對稱變形特征顯著，圍巖變形長期保持在較高速率，變形特征總結如下所述。

1) 礦壓顯現(xiàn)劇烈。巷道開挖后圍巖迅速變形，初期變形量最高可達20 mm/d；流變特性顯著，圍巖變形時間長，多次返修仍然效果不佳，巷道的維護成本居高不下，且仍然難以滿足井下正常生產(chǎn)。

2) 兩幫非均勻大變形。兩幫突出明顯，最大移進量約為1 000 mm；受巖層產(chǎn)狀影響，圍巖非均勻變形顯著，頂板右側拱肩下沉，部分頂板出現(xiàn)冒漏，變形量較大。

3) 底鼓嚴重。巷道底板為強度較低的泥巖，原支護方案對底板支護強度低，在高地應力作用下底鼓十分嚴重，最大底鼓量約為500 mm，對巷道鋪設軌道施工影響較大。

4) 支護結構大量損壞。隨著圍巖變形量增大，常見錨桿托盤崩落現(xiàn)象，鋼筋混凝土噴層撕裂，鋼支架柱腿彎曲，支護結構大量損壞降低了對圍巖的支護阻力。

1.3 圍巖成分分析

巷道圍巖成分分析采用D/MAX2500型X射線衍射儀對。測試結果表明，巷道的幫部和直接底為泥巖，礦物成分中高嶺石的含量為21%，伊利石/蒙脫石的混合層含量為69%，這類巖石屬于膨脹性軟巖，遇水時極易發(fā)生膨脹降低圍巖強度，不利于巷道整體的穩(wěn)定與維護。

2 傾斜巖層巷道破壞特征的數(shù)值模擬

2.1 建立數(shù)值模型

不同區(qū)域的巖層傾角是變化的，掌握不同傾角巖層對巷道變形的影響規(guī)律，是提出合理支護方案的基礎。為了研究巖層傾角對深部巷道變形的影響，以北翼二水平軌道大巷的地質條件為基礎，建立8個不同巖層傾角的計算模型，巖層傾角分別為15°、25°、35°、45°、55°、65°、75°、90°。模型的尺寸為50 m×50 m×1 m，巷道的埋深為980 m，模型頂部為自由表面，并賦予圍巖自重，在模型的兩側施加相應的地應力，設定初始的約束條件，本次模擬采用的本構模型為Mohr-Coulomb模型。各巖層物理力學參數(shù)見表1。

表1 巖體材料物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters ofrock mass materials

2.2 模擬結果及分析

如圖2所示，不同巖層傾角下巷道圍巖剪應力分布特征如下所述。

1) 當巖層傾角在15～45°之間時，隨著巖層傾角增加，巷道頂板右拱肩和底板左側的剪應力集中區(qū)域逐漸減?。幌锏理敯遄蠊凹绾偷装逵覀鹊募魬袇^(qū)域逐漸增加。

2) 當巖層傾角大于45°時，隨著巖層傾角增加，巷道頂板右拱肩和底板左側的剪應力集中區(qū)域不斷增加，頂板左拱肩和底板右側的剪應力集中區(qū)域逐漸減小。

3) 巖層傾角為45°時是關鍵轉折點，此時頂板右拱肩和底板左側剪應力集中區(qū)達到最低值，而頂板左拱肩和底板右側達到峰值。

如圖3所示，不同巖層傾角下巷道圍巖塑性區(qū)分布特征如下所述。

1) 當巖層傾角為15°時，在高地應力、圍巖巖性、巖層傾角共同影響下，塑性區(qū)主要分布在巷道兩幫和底板位置，左右兩幫的塑性區(qū)深度為6 m，底板中間塑性區(qū)最大深度達7.5 m，頂板塑性區(qū)深度為2 m。

2) 隨著巖層傾角的增加，頂板的塑性區(qū)范圍逐漸加大，兩幫的塑性區(qū)范圍逐漸減小，當巖層傾角大于45°時，塑性區(qū)形狀向“瘦高”型發(fā)展；隨著巖層傾角繼續(xù)增大，頂板的塑性破壞加大，兩幫的塑性破壞減小，底板一直保持較大變形。

3) 當巖層傾角為90°時，巷道頂?shù)装宓钠茐姆秶^大，兩幫破壞范圍小，巷道頂板和底板破壞深度分別為5.5 m和6.5 m，左右兩幫的破壞深度分別為3.5 m和1.5 m。

4) 不同傾角巖層對塑性區(qū)分布具有誘導作用，塑性區(qū)易沿巖層層間擴展，塑性區(qū)分布近似沿著巖層層面法向中心對稱分布。

圖2 不同巖層傾角下巷道圍巖剪應力圖Fig.2 Shear stress diagram of surrounding rock of roadway at different dip angles of rock strata

圖3 不同巖層傾角下巷道圍巖塑性區(qū)Fig.3 Plastic zone of surrounding rock of roadway under different dip angles of rock strata

綜上所述，傾斜巖層的傾角在接近水平時，巖體的破壞模式接近于“巖梁”型；當巖層傾角在不超過45°時，巖層層間產(chǎn)生滑移破壞，且靠近巷道拱肩部位巖體的分離、彎曲破壞，二者共同作用；對于傾角大于45°的巖層，破壞模式為巖體沿層間層理面滑移。北翼二水平軌道大巷巖層傾角平均為19°，破壞模式屬于第二種。

3 巷道變形破壞原因

基于以上分析，對巷道圍巖的變形破壞原因分析如下所述。

1) 傾斜巖層層間剪切滑移和靠近拱肩巖體分離、彎曲變形，圍巖非均勻變形顯著。巷道開挖后，圍巖的應力非對稱分布，加劇巖層之間的剪切作用，巷道斷面與巖層的銳角部位法向應力增加，剪切滑移變形小，而鈍角部位法向應力減小，剪切滑移變形較大，是非對稱變形的關鍵部位；靠近頂板右拱肩部位的巖體出現(xiàn)分離和彎曲；二者共同作用導致圍巖非均勻變形。

2) 地應力高，圍巖松軟破碎。北翼二水平軌道大巷最大主應力約為23.4 MPa，方向接近水平方向，現(xiàn)場調研和黏土成分分析表明巷道所在的地層節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖松軟破碎，圍巖的完整性被嚴重破壞，抵抗外界環(huán)境破壞和自承能力下降，導致巷道開挖后圍巖迅速變形失穩(wěn)。

3) 底板支護強度不足，底鼓變形強烈。原方案在底板只鋪設混凝土噴層，沒有錨固措施，這是巷道加固體系的薄弱環(huán)節(jié)；而底板以強度較低的泥巖為主，遇水容易大量膨脹，在高地應力作用下，底板軟弱圍巖向巷道內(nèi)擠壓變形，導致底鼓十分嚴重。

4) 圍巖支護強度低，自承能力差。深部軟巖巷道支護的關鍵在于維護破碎圍巖殘余強度，并調動深處圍巖的承載實現(xiàn)協(xié)同承載。錨桿的錨固力不足，對圍巖施加的支護阻力不夠，隨著圍巖變形增大，錨桿容易發(fā)生破斷失效；錨索預緊力低，無法調動深部圍巖的承載能力。

4 深部傾斜巖層巷道圍巖穩(wěn)定技術

基于以上對巷道破壞特征和原因的分析，對于新掘進巷道必須堅持強力支護、薄弱圍巖加強支護、控制底鼓與二次支護為核心的控制技術，使巷道圍巖和支護結構共同承載，才能保障圍巖長期的穩(wěn)定。

1) 高強度高預應力控制。采用高預緊力錨桿和高強度預應力錨索，通過提高錨桿的強度和預緊力，利用其初撐力較高和增阻速度快的特點，將松動的圍巖巷壁變成一個剛柔并濟的殼體，再通過高強度預應力錨索將松動巖體錨固在深部穩(wěn)固的圍巖里。

2) 非均勻變形控制。實施非對稱支護，在圍巖變形關鍵部位加強支護；根據(jù)傾斜巖層的產(chǎn)狀，在變形較大的右拱肩部位進行針對性加強支護，協(xié)調圍巖的非均勻變形。

3) 控制底鼓。加大巷道底板的支護力度，控制底鼓變形；該巷道底鼓類型為擠壓流動型底鼓，采用剛度較大的幫角錨桿阻止兩幫應力向底板傳遞，利用錨索切斷底板基腳部位塑性滑移線，底板錨索利用槽鋼梁連接起來，形成預應力錨索桁架，從而控制底鼓變形。

4) 全斷面噴射C20混凝土。在巷道掘進過程中，安設錨桿錨索后，及時噴射混凝土，隔絕水源，避免將圍巖長期暴露在外部環(huán)境中，防止圍巖遇水膨脹軟化；鋼筋網(wǎng)布置在噴層中，使混凝土與圍巖緊密結合，充分發(fā)揮圍巖的支承作用。

5) 壁后注漿。由于巷道圍巖松軟破碎，巖體的承載能力大幅下降，可以采用注漿填充圍巖內(nèi)部裂隙，使松散破碎的圍巖形成完整的承載圈；漿液沿著錨桿孔流動并對其進行填充，形成了對錨桿系統(tǒng)的分步聯(lián)合全長錨固；錨索錨固長度加大，調動深部圍巖的承載能力，從而提高巷道整體穩(wěn)定性。

5 支護方案

根據(jù)以上分析，提出支護方案如圖4所示，具體支護參數(shù)如下所述。

圖4 支護方案示意圖Fig.4 Schematic diagram of support scheme

1) 錨桿選用Φ20 mm×2 400 mm左旋高強度無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為700 mm×700 mm，每根錨桿配置1根Z2835、1根CK2835和2根K2835樹脂藥卷，兩幫角錨桿和水平方向的角度為30°；設計預緊力不低于70 kN。

2) 錨索采用Φ21.6 mm×8 000 mm的1 860 MPa級1×7股預應力鋼絞線，每根錨索配CK2835、K2360、Z2360樹脂錨固劑各1根；拱頂每排布置3根錨索，間排距為1 500 mm×1 500 mm，右拱肩部布置1根錨索，排距為1 500 mm；底板每排布置3根錨索，采用16#槽型鋼相連，間排距為1 500 mm×1 500 mm，錨索設計預緊力不低于150 kN。

3) 采用U36型鋼可縮拱形支架，每架分四節(jié)使用，彼此搭接長度為600 mm，搭接處用兩副卡纜；卡纜的預緊力矩不低于350 N·m；棚距為700 mm，每排U型鋼之間設置強力拉桿。

4) 噴C20混凝土層封閉圍巖，厚度為150 mm；分兩次噴射，初噴厚度為70 mm，掛Φ6 mm鋼筋網(wǎng)，打完錨索錨桿后，再進行二次噴射；U型鋼棚安置完畢后，噴射一定厚度的混凝土覆蓋。

5) 采用水泥-水玻璃漿液實施全斷面壁后注漿，注漿孔深度為3 000 mm，直徑為45 mm，注漿壓力為3～5 MPa，間排距為1 400 mm×1 400 mm。

圖5為不考慮原巖應力時采用新支護方案的支護應力場分布情況。從圖5可以看到，錨桿錨索的支護應力在圍巖中形成有效疊加，共同發(fā)揮承載作用，有利于深部傾斜巖層巷道的整體穩(wěn)定。

6 工程應用

新支護方案應用到新掘進的巷道支護工程中。在圍巖控制方面，未見圍巖由于膨脹而顯現(xiàn)的局部圍巖非均勻大變形，在現(xiàn)場施工過程中，當出現(xiàn)頂板有淋水區(qū)域，設置水溝及時排水。采用十字布點法對巷道表面位移進行監(jiān)測，得到時間-位移曲線，如圖6所示。由圖6可知，巷道支護25 d內(nèi)圍巖變形比較大；25～65 d，圍巖變形趨于緩和；65 d后巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定。兩幫最大移進量為140 mm，底鼓量為79 mm，頂板最大下沉量為39 mm，在巷道投入使用后穩(wěn)定性較好，能夠保證井下正常安全生產(chǎn)。

圖5 錨桿錨索支護應力場Fig.5 Stress field of bolt and cable support

圖6 巷道圍巖變形曲線Fig.6 Deformation curve of surrounding rock of roadway

7 結 論

1) 九龍礦北翼二水平軌道大巷為深部高地應力傾斜巖層巷道；在高地應力作用下，傾斜巖層層間剪切滑移破壞和靠近拱肩巖體分離和彎曲變形、圍巖松軟破碎、底鼓嚴重，支護結構針對性差，是導致巷道圍巖失穩(wěn)的主要原因。

2) 傾斜巖層在接近水平時，破壞模式接近“巖梁”型彎曲破壞；隨著巖層傾角逐漸增加，破壞模式為沿層間滑移破壞和靠近拱肩部位巖體的分離、彎曲；當巖層傾角大于45°時，破壞模式為巖層層間滑移破壞。

3) 基于以上對巷道變形破壞特征和原因的分析，提出了強力支護、薄弱圍巖加強支護、控制底鼓和二次支護為核心的控制技術，來維護深部傾斜巖層巷道的穩(wěn)定性。工程實踐表明，采取新方案后，巷道變形量顯著減小，非均勻變形得到有效控制，能夠保證巷道的長期穩(wěn)定。