富水軟巖巷道穩(wěn)定性控制技術研究

殷齊浩，李春廷，李廷春，薛克龍，高啟強

(1.山東科技大學 山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東 青島 266590；2.上海廟礦業(yè)有限責任公司新上海一號煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 016215)

目前隨著東部煤炭資源的不斷減少，資源開發(fā)開始向西部地區(qū)轉移。西部地層多以白堊系及侏羅系軟巖為主，巖層多為泥巖及泥砂巖互層，此類巖體具有強度低、膠結差等特點[1-4]。在該類富水軟巖巷道開挖過程中，圍巖在地下水作用下強度降低，容易出現(xiàn)大變形，對圍巖的穩(wěn)定性控制帶來諸多難題[5-6]。特別在西部鄂爾多斯地區(qū)有1/4的礦井頂板是變質程度不高的泥質砂巖，在無水的情況下，巖體強度較大；但此類巖石遇水后將出現(xiàn)泥化現(xiàn)象，強度急劇降低，成為影響此類礦井掘進的重要因素[7]。

眾多學者在軟巖穩(wěn)定性控制方面已開展了大量研究工作。王渭明等[8]在弱膠結軟巖巷道中提出了錨網(wǎng)索耦合支護方案；李為騰等[9]分析了地應力等級、圍巖強度等級因素對軟巖巷道變形量、塑性區(qū)范圍等的影響規(guī)律；李廷春等[10]分析了泥化弱膠結軟巖地層中矩形巷道的變形破壞過程；李金蘭等[11]通過數(shù)值模擬驗證了軟巖巷道幫底錨注支護技術的有效性；王襄禹等[12]認為造成富水弱膠結巷道圍巖變形破壞的主要原因是頂板含水層，并提出圍巖綜合控制技術；李樹剛等[13]對軟巖易風化巷道提出全斷面支護并及時封閉的控制原則；YANG R等[14]認為造成巷道變形的主要原因為黏土礦物含量高，以及支護不匹配；高云峰[15]在軟巖巷道中采用錨(索)網(wǎng)等多介質聯(lián)合支護，在工程實際中取得良好效果。但目前對于富水條件下軟巖巷道的穩(wěn)定性控制技術還缺乏一定的研究，隨著我國西部礦區(qū)開采范圍的增加，保證此類巷道的圍巖穩(wěn)定性將變得越發(fā)重要。

根據(jù)新上海一號煤礦113082工作面運輸巷建設資料，深入分析地下水對軟巖巷道圍巖及支護結構的影響，并提出圍巖穩(wěn)定性控制對策。

1 工程地質條件

1.1 水文地質概況

113082工作面運輸巷沿八煤層掘進，八煤層處于侏羅系延安組地層中，含水類型為粗粒砂巖孔隙水，較為富水，但富水性不穩(wěn)定，分布不均勻。該巷道主要受八煤層頂?shù)装迳皫r水的影響，施工的局部頂、底板存在淋水、涌水現(xiàn)象，預計最大涌水量為 20 m3/h，正常涌水量為8.5 m3/h，該含水層作為礦井的主要含水層之一，對巷道的掘進有直接的影響。

1.2 煤層及頂?shù)装鍘r性

通過井下鉆孔取芯，八煤層厚度平均為3.10 m，傾角為3°～5°，煤層堅固性系數(shù)f=1,頂?shù)装鍘r性特征如表1所示。頂?shù)装鍘r體以砂巖及砂質泥巖為主，砂巖透水性強，砂質泥巖吸水后易膨脹軟化，這對圍巖支護帶來困難。

2 地下水影響分析

2.1 對圍巖的影響

該煤礦位于鄂爾多斯地區(qū)，煤層屬侏羅系延安組地層，整個基巖段砂巖以泥質膠結為主。砂質泥巖在含水量極少的狀態(tài)下強度較高，表現(xiàn)出堅硬砂巖的特性，但是遇水后容易崩解泥化，強度下降。同時，距八煤層頂?shù)装搴畬拥木嚯x較近，在掘進時會受到延安組含水層的直接影響。

富水巷道開挖前，圍巖體處于較大的水頭壓力作用下，孔隙水壓力較高。由有效應力原理可知，雖然圍巖總應力較大，但骨架的有效應力較低。巷道開挖后，圍巖臨空面的孔隙水壓力相比開挖前迅速降至大氣壓值，導致圍巖內有效應力大大升高，對于自身性質較差的巖體極易超過其強度，導致巷道圍巖表面的裂隙向深部擴展、貫通，并產(chǎn)生新的裂隙。隨著巷道圍巖的破裂向深部擴展，塑性變形區(qū)不斷擴大，從而使本來就比較軟弱的巖體更加容易發(fā)生失穩(wěn)破壞[16]。同時，隨著圍巖裂隙的擴張，形成貫通的水力通道，巖體內的泥質成分與水發(fā)生泥化反應，降低巖體的黏聚力和摩擦因數(shù)，弱化巖體強度，降低承載力及巖體的長期強度，圍巖塑性區(qū)擴大，不利于軟巖巷道的穩(wěn)定。

2.2 對支護結構的影響

1)對錨固強度的影響：砂質泥巖在水作用下發(fā)生泥化現(xiàn)象，巖體強度大幅度下降。對于錨固長度相同的錨桿，當圍巖強度降低時，錨桿的錨固點位置降低，錨固強度下降。

2)銹蝕的影響：巷道支護結構基本上為金屬材料，與水作用會加速支護結構的銹蝕進程。一方面是對桿體的銹蝕，降低桿體抗拉強度，使其過早出現(xiàn)破斷；另一方面是對托盤的銹蝕，若托盤及連接螺母銹蝕嚴重，錨(索)桿預應力大幅度降低，錨固效果將大幅度下降。

3 富水軟巖巷道穩(wěn)定性控制方案

3.1 變形控制機理

根據(jù)采準巷道礦壓理論，在各方等壓條件下，假設巷道半徑為r，塑性區(qū)半徑為R，巷道變形分析模型如圖1所示。

巷道圍巖塑性區(qū)半徑R及周邊位移u計算公式如下[17]：

(1)

(2)

(3)

式中:R為塑性區(qū)半徑，m；r為巷道半徑，m；p0為原巖應力，MPa；Pi為支護強度，MPa；C為圍巖的黏聚力，MPa；φ為圍巖的內摩擦角，(°)；μ為圍巖泊松比；K為側壓系數(shù)；E為圍巖彈性模量，GPa；σc為圍巖單軸抗壓強度，MPa；η為巖體擴容梯度。

由式(1)、(2)可以得出，巷道的塑性區(qū)范圍、收斂量與圍巖的物理力學參數(shù)密切相關。在E=2 GPa，η=2，μ=0.3，φ=30°，C=4 MPa的條件下，巷道圍巖收斂量與支護強度的關系如圖2所示。由圖2 可見，當支護強度為0.0 MPa時，巷道圍巖收斂量為0.31 m；而當支護強度為0.6 MPa時，巷道圍巖收斂量降低至0.18 m。

在p0=20 MPa，Pi=0 MPa，E=2 GPa，η=2，μ=0.3的條件下，巷道周邊的塑性區(qū)半徑、圍巖收斂量與巖體黏聚力C、內摩擦角φ的關系如圖3、圖4所示。由圖3～4可以看出，隨著C、φ值的不斷增大，巷道圍巖的變形量明顯減小。因此，巷道開挖后應盡量減小圍巖自身的強度損失，維護巷道的穩(wěn)定性。

圖4 巷道塑性區(qū)半徑、收斂量與圍巖內摩擦角關系

3.2 巷道穩(wěn)定性控制方案

由上述分析可知，對于富水軟巖巷道，首先應該采取有效的控水措施，盡量減小水對圍巖強度及支護結構的影響，維護圍巖原有強度和支護強度；其次，采取針對性支護措施，設計合理的支護參數(shù)。

1)有效控水措施：水的作用會劣化圍巖強度，同時影響錨固劑、支護構件的物理力學性能，降低支護強度。因此，在巷道掘進時應該加強對水的管理，采取導、疏相結合的控水措施。

2)全斷面、多手段聯(lián)合支護：軟巖巷道在開挖初期具有變形量大、變形速率快等不利于巷道穩(wěn)定性的特點。在巷道開挖后應及時恢復全斷面上的徑向應力，限制圍巖的徑向位移。同時，根據(jù)圍巖不同部位的變形特點，采用不同支護手段，達到最優(yōu)支護效果。另外，增加預緊力，采用高強錨桿(索)支護體系，選取合理錨固參數(shù)，發(fā)揮圍巖自承能力。

4 現(xiàn)場應用

4.1 控水措施

在巷道一側開設疏導孔及時疏導頂板水，疏導孔內不安裝錨桿或錨索。當頂板淋水時可在巷道內淋水處鋪設金屬網(wǎng)雨布，將頂板水引入水溝里。如果巷道內出水嚴重，則在巷道低洼處設置沉淀池及水池，并通過水泵及時排出積水。

提前排放頂板水，減小地下水對巷道圍巖力學性質的影響，同時也可降低頂板錨孔內的出水速度、減少出水量，減小水對支護結構的影響。通過水泵將積水及時排出，盡量降低水對底板表面及附近圍巖的影響。

4.2 聯(lián)合支護方案

1)頂板采用W型鋼帶、錨桿、錨索、金屬網(wǎng)支護。其中錨桿采用?22 mm×2 800 mm高強螺紋阻尼錨桿，間排距700 mm×700 mm，每根錨桿選用3卷MSZ2550樹脂錨固劑(有水時用K2550樹脂錨固劑)進行錨固；錨索采用?17.8 mm×7 000 mm普通錨索，間排距1 400 mm×1 800 mm，每根錨索選用 5卷 MSZ2550樹脂錨固劑(有水時用K2550樹脂錨固劑)進行端錨；金屬網(wǎng)采用?6 mm的Q235鋼筋焊接的網(wǎng)孔為100 mm×100 mm的經(jīng)緯網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格為 2 520 mm×720 mm，搭接長度為100 mm。

2)兩墻采用鋼筋梯配合錨桿支護。其中鋼筋梯采用?12 mm圓鋼加工，鋼筋梯必須與頂部第1根錨桿(靠近兩墻)固定且置于W型鋼帶的上面；錨桿支護參數(shù)與頂板相同。

3)底板采用?20 mm×2 500 mm全螺紋錨桿，間排距700 mm×700 mm，用鋼筋網(wǎng)配鋼筋梯支護，噴漿封閉。

4)高強錨桿轉矩不小于300 N·m，錨固力不小于80 kN；螺紋錨桿轉矩不小于200 N·m，錨固力不小于80 kN；錨索預緊力不小于120 kN。

5)噴漿砼強度等級為C20，全斷面進行噴漿，噴層厚度100 mm。

巷道斷面支護情況如圖5所示。

圖5 巷道斷面支護示意圖

5 數(shù)值模擬預測分析

5.1 模型建立

為驗證方案的可行性，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行計算，該模型尺寸為50 m×25 m×2 m，材料參數(shù)如表2所示。在模型中間開挖直墻半圓拱巷道，其寬5.2 m、墻高2.5 m?？紤]到地下水對圍巖的影響，將模型中巷道周邊泥巖及砂質泥巖的材料參數(shù)折減30%。巷道開挖后，按照4.2節(jié)支護方案進行全斷面一次性支護。巖層采用Mohr-Coulomb模型，上覆巖層的重力按照均布荷載的形式施加在模型上邊界，模型共劃分22 635個單元，26 240個節(jié)點，具體模型如圖6所示。

表2 圍巖力學參數(shù)

圖6 巷道模擬模型

5.2 預測分析

計算過程中對巷道變形量、塑性區(qū)范圍進行監(jiān)測，以巷道開挖后80 d作為計算終止標準?；诒O(jiān)測結果繪制垂直和水平位移云圖、最大和最小主應力云圖、塑性區(qū)范圍、位移發(fā)展曲線圖，如圖7～8所示。

(a)水平位移云圖

(b)垂直位移云圖

(c)最小主應力云圖

(d)最大主應力云圖

(e)塑性區(qū)范圍

圖8 巷道變形發(fā)展曲線

由圖 7(a)、(b)可知，當巷道完成支護后，淺部圍巖的位移量大于深部圍巖的位移量。

由圖7(c)、(d)、(e)可知，巷道頂、底板出現(xiàn)了小范圍受拉區(qū)，最大拉應力為0.794 MPa;模擬計算求得巷道頂板松動圈范圍為 1.95 m，兩幫松動圈范圍為1.56 m;底板砂質泥巖下方0.7 m厚的煤層，其強度較低，出現(xiàn)小范圍塑性區(qū)。圍巖松動圈范圍均小于錨桿設計長度，充分說明該設計方案的合理性，能夠有效維護巷道圍巖的穩(wěn)定。

由圖8可知，巷道開挖40 d后巷道收斂變形逐漸趨于穩(wěn)定。開挖80 d后，頂板、底板及兩幫最終位移量分別為10.95、7.87、8.55 mm。巷道位移量呈現(xiàn)對稱分布，頂板位移量大于兩幫位移量，巷道底板位移量最小。上述數(shù)據(jù)充分說明該設計方案能夠有效控制圍巖的變形。

6 結論

1)新上海一號煤礦113082工作面運輸巷屬典型的軟巖巷道，影響巷道穩(wěn)定性的主要因素為圍巖強度低,以及周邊地下水的影響。

2)富水軟巖巷道在施工時受到地下水的作用，巷道開挖后圍巖強度下降，長期強度降低，塑性區(qū)范圍增大，加劇圍巖的變形。另外，地下水的侵蝕會造成支護結構的錨固能力降低。

3)針對富水軟巖巷道可采用以下措施維持其穩(wěn)定性：首先采取導、疏結合的控水措施，減小對原有圍巖強度的影響，降低對支護結構的損害；另外采用全斷面、多手段聯(lián)合加固的支護手段，有效控制圍巖變形，有利于實現(xiàn)巷道的長期穩(wěn)定。

4)根據(jù)數(shù)值模擬計算結果，巷道頂板、底板及兩幫最終位移量分別為10.95、7.87、8.55 mm，說明該方案能夠有效控制圍巖的變形，保持巷道的穩(wěn)定性。