高地應(yīng)力軟巖下山非對(duì)稱(chēng)變形機(jī)理與控制研究

王天祿，王維國(guó)，劉 嘯，2，劉 帥，2

(1.興義市工業(yè)和科學(xué)技術(shù)局，貴州 興義 562400；2.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

近年來(lái)隨著煤礦開(kāi)采強(qiáng)度不斷增大，多數(shù)礦井逐步轉(zhuǎn)向深部開(kāi)采，由此帶來(lái)的“三高一擾動(dòng)”問(wèn)題給礦井生產(chǎn)帶來(lái)了新的技術(shù)難題。尤其當(dāng)埋深達(dá)700m以上時(shí)，淺部支護(hù)表現(xiàn)穩(wěn)定的巷道，進(jìn)入深部后圍巖表現(xiàn)出軟巖特性，已有的支護(hù)措施不足以滿(mǎn)足圍巖穩(wěn)定性要求[1-5]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者從圍巖賦存結(jié)構(gòu)、原巖應(yīng)力場(chǎng)、工程應(yīng)力分布以及支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)軟巖的力學(xué)作用出發(fā)，開(kāi)展了大量研究。分析各因素對(duì)圍巖變形的影響，提出了諸多圍巖控制理論并積累了豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[6-10]。支護(hù)措施方面：王衛(wèi)軍等從控制圍巖集中應(yīng)力轉(zhuǎn)移和縮小圍巖破碎區(qū)范圍等方面考慮，提出了高強(qiáng)度錨桿、強(qiáng)力錨索、注漿加固圍巖的高阻讓壓和高強(qiáng)度支護(hù)技術(shù)[11]；李海燕等研發(fā)了新型高預(yù)應(yīng)力錨索及其配套工藝，可有效阻止開(kāi)挖后圍巖的快速變形，并提出了以新型高預(yù)應(yīng)力錨索和注漿錨桿為核心的聯(lián)合控制技術(shù)[12]；王琦等針對(duì)三軟煤層沿空巷道結(jié)構(gòu)復(fù)雜、圍巖易膨脹、軟化特點(diǎn)，提出以錨注為核心的“U型棚+注漿錨桿+注漿錨索”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)[13]；支護(hù)原理方面：柏建彪等提出了主動(dòng)有控卸壓方法，釋放圍巖膨脹變形能，將高應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移，減小淺部圍巖應(yīng)力[14]；余偉健等針對(duì)深部軟弱圍巖的“錨噴網(wǎng)+錨索”聯(lián)合支護(hù)特點(diǎn)，提出由主壓縮拱(錨桿支護(hù))和次壓縮拱(密集型錨索支護(hù))共同構(gòu)成的疊加拱承載體力學(xué)模型[15]，并給出初次支護(hù)和二次支護(hù)的承載能力量化解析式。支護(hù)設(shè)計(jì)方面：現(xiàn)有研究成果多是從巷道群中單一巷道穩(wěn)定性出發(fā)，研究其圍巖變形特征及支護(hù)對(duì)策，忽略了鄰近巷道或工作面等采掘工程對(duì)其圍巖破裂失穩(wěn)機(jī)理及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響[16]。

本文基于劉橋一礦非對(duì)稱(chēng)變形失穩(wěn)特征，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù)值模擬綜合研究方法，分析圍巖賦存稟賦、原巖應(yīng)力場(chǎng)、支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、鄰近采掘工程擾動(dòng)對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響并提出相應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，通過(guò)工業(yè)性試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)方案的合理性進(jìn)行證明。

1 下山巷道工程概況

1.1 工程背景

劉橋一礦位于安徽省皖北礦區(qū)，采用立井多水平集中大巷布置方式。主要開(kāi)采4#和6#煤層，兩煤層間距60～80m，煤系地層平均傾角13°。各煤層單獨(dú)布置準(zhǔn)備巷道，工作面采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤法進(jìn)行回采。4#煤和6#煤II水平在采工作面埋深均已超過(guò)800m，現(xiàn)向1000m埋深掘進(jìn)。以Ⅱ66輔助下山為工程背景，該下山位于6#煤頂板，周?chē)删蚬こ谭植紡?fù)雜。除鄰近4#煤、6#煤綜采工作面外，輔助下山附近還有軌道下山、回風(fēng)下山。輔助下山與鄰近巷道、回采工作面空間關(guān)系如圖1所示。

圖1 輔助下山及周?chē)删蚬こ炭臻g布置

輔助下山距離6#煤頂板24m，主要位于細(xì)砂巖中，部分區(qū)段穿層掘進(jìn)，穿層巖性包括鋁質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)細(xì)砂巖、粉砂巖等?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)顯示，巷道兩幫及頂板圍巖完整性較好，底板極為軟弱破碎。

1.2 原支護(hù)參數(shù)及變形破壞特征

Ⅱ66輔助下山斷面形狀為直墻半圓拱，寬4.0m，中線(xiàn)高3.6m，巷道掘出后，先以U29型鋼支架作為基本支護(hù)，后輔以錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)，原支護(hù)方案如圖2所示。

圖2 輔助下山原支護(hù)方案(mm)

型鋼支架間距為600mm，由3節(jié)拱搭接而成，搭接長(zhǎng)度500mm。螺紋鋼錨桿間排距為800mm×800mm，錨索間排距1200mm×1600mm，分別由鋼筋梯子梁連接。

采用上述支護(hù)方案，輔助下山在采掘過(guò)程中發(fā)生嚴(yán)重變形，輔助下山變形破壞特征如圖3所示，頂?shù)鬃畲笠平繛?48mm，兩幫最大移近量為866mm。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查顯示，巷道頂板出現(xiàn)臺(tái)階式下沉，錨桿、錨索被拉斷或剪斷發(fā)生區(qū)域超過(guò)巷道延深長(zhǎng)度1/3，巷道底鼓嚴(yán)重并帶動(dòng)兩幫內(nèi)移，近軌道下山側(cè)巷幫變形明顯小于于另一側(cè)，整體呈非對(duì)稱(chēng)性，部分風(fēng)水管路拖架擠壓斷裂。

圖3 輔助下山變形破壞特征

2 輔助下山變形失穩(wěn)機(jī)理分析

巷道圍巖穩(wěn)定性主要受工程地質(zhì)條件和生產(chǎn)條件影響。工程地質(zhì)條件是指圍巖賦存條件、物理力學(xué)性質(zhì)以及礦井涌水、地溫等。生產(chǎn)條件主要是指巷道周?chē)删蚬こ谭植紶顩r以及與其他巷道、采煤工作面等采掘工程的時(shí)空關(guān)系。

2.1 圍巖物理力學(xué)特性

在6#煤頂板取70m巖芯并進(jìn)行室內(nèi)力學(xué)測(cè)試，獲得輔助下山圍巖物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。結(jié)果顯示，輔助下山圍巖完整性較差，物理力學(xué)強(qiáng)度較低。

表1 圍巖物理力學(xué)性質(zhì)

由于輔助下山圍巖主要為細(xì)砂巖，對(duì)細(xì)砂巖進(jìn)行CT掃描并開(kāi)展三維重構(gòu)如圖4所示。巖樣中存在較多光滑板狀裂隙，微裂隙的存在極大削弱了的其物理力學(xué)強(qiáng)度。X射線(xiàn)衍射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，細(xì)砂巖中存在富含伊利石、長(zhǎng)石和綠泥石，均為親水性礦物，遇水后顯著降低巖體強(qiáng)度。

圖4 細(xì)砂巖孔隙裂隙分布

2.2 原巖應(yīng)力測(cè)試及分析

地應(yīng)力是驅(qū)動(dòng)地下工程變形、失穩(wěn)的源動(dòng)力，為保證支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性，首先應(yīng)掌握該區(qū)域準(zhǔn)確的地應(yīng)力分布特征。采用空心包體應(yīng)變法在II66采區(qū)水平變電所泵房開(kāi)展了原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)，測(cè)試設(shè)備及所獲巖芯如圖5所示，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

圖5 地應(yīng)力測(cè)試設(shè)備及所獲巖芯

表2 原巖應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

當(dāng)原巖應(yīng)力值在18～32MPa時(shí)，可認(rèn)為該區(qū)域?yàn)楦邞?yīng)力區(qū)，原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)顯示，水平變電所泵房最大主應(yīng)力為31.87MPa，最小主應(yīng)力為19.77MPa，且均為水平應(yīng)力，表明該區(qū)域以構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)為主。側(cè)壓系數(shù)λ為1.6，水平地應(yīng)力非均勻系數(shù)ζ為1.51。最大主應(yīng)力方位角為N233°E，在進(jìn)行巷道布置時(shí)，需重點(diǎn)考慮最大主應(yīng)力與巷道軸線(xiàn)夾角。

2.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

現(xiàn)有支護(hù)措施，無(wú)論是U型鋼被動(dòng)支護(hù)，還是錨網(wǎng)索等主動(dòng)支護(hù)，均是在圍巖表面或是淺部區(qū)域形成具有自穩(wěn)能力的承載結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，大多注重提高支護(hù)體的強(qiáng)度、剛度而忽略承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。已有研究表明，U型斷面頂板拱結(jié)構(gòu)承載能力遠(yuǎn)高于兩幫梁結(jié)構(gòu)，而拱結(jié)構(gòu)的承載能力又受梁結(jié)構(gòu)制約，一旦梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，拱結(jié)構(gòu)承載能力隨之急劇降低[17，18]。輔助下山斷面形狀為直墻半圓拱形，其支護(hù)結(jié)構(gòu)可抽象為可動(dòng)鉸支座的二鉸拱模型，鉸鏈處具有三個(gè)自由度，該結(jié)構(gòu)抗側(cè)壓能力較差。在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將支護(hù)結(jié)構(gòu)中的可動(dòng)鉸支座改進(jìn)為固定鉸支座，如圖6所示。

圖6 可縮性支架失穩(wěn)模式

W.J.Gale研究提出，深井水平應(yīng)力通常大于鉛直應(yīng)力，地下空間開(kāi)挖后，應(yīng)力在圍巖內(nèi)重新分布，垂直應(yīng)力通常向幫部轉(zhuǎn)移，水平應(yīng)力通常頂?shù)装遛D(zhuǎn)移。垂直應(yīng)力主導(dǎo)幫部圍巖破壞，水平應(yīng)力主導(dǎo)頂?shù)装鍑鷰r破壞[17，18]。Ⅱ66采區(qū)最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，方向?yàn)镹233°E，與輔助下山軸線(xiàn)夾角為71°，輔助下山頂、底板承受較高水平作用。原支護(hù)方案未采取控底措施使得底板成為巷道失穩(wěn)突破口，底臌嚴(yán)重進(jìn)而帶動(dòng)幫墻失穩(wěn)、頂板拱結(jié)構(gòu)承載能力降低，最終導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)。

2.4 圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析

Ⅱ66輔助下山先后受到下山巷道群巷間掘進(jìn)擾動(dòng)、4#煤層工作面回采、6#煤層工作面回采影響?；冖?6采掘工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬下山巷道群開(kāi)挖、臨近工作面回采，獲得輔助下山圍巖變形演化規(guī)律。

2.4.1 應(yīng)力場(chǎng)分析

下山巷道群掘出后圍巖垂直應(yīng)力等值線(xiàn)如圖7所示。由圖7可知，巷道群巷間應(yīng)力疊加顯著，輔助下山圍巖應(yīng)力呈現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)性。應(yīng)力峰值為40MPa，右側(cè)峰值應(yīng)力影響范圍較小，圍巖由淺入深形成應(yīng)力降低區(qū)、增高區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)。左側(cè)峰值應(yīng)力影響范圍較大，受軌道下山影響不存在原巖應(yīng)力區(qū)。

4#煤、6#煤工作面回采完成后巷道群圍巖垂直應(yīng)力如圖8所示，由圖8可知，巷道群巷間應(yīng)力集中程度顯著提升，輔助下山左側(cè)圍巖應(yīng)力峰值增加到48MPa，增長(zhǎng)20%。右側(cè)應(yīng)力峰值增長(zhǎng)為43.7MPa且向圍巖深部轉(zhuǎn)移，說(shuō)明圍巖塑性范圍增大。

圖7 掘巷后垂直應(yīng)力等值線(xiàn)

圖8 4煤、6煤回采完成巷道群圍巖垂直應(yīng)力等值線(xiàn)

2.4.2 位移場(chǎng)分析

下山巷道群掘進(jìn)完成后輔下山圍巖位移如圖9所示，由圖9可知，輔助下山變形呈現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)性，整體偏于右側(cè)，巷道左幫最大位移量為200mm，右?guī)秃偷装遄畲笪灰屏窟_(dá)300mm。

圖9 巷道群掘出后輔助下山圍巖位移等值線(xiàn)

4#煤、6#煤工作面開(kāi)挖后輔助下山圍巖位移如圖10所示，由圖10可知，輔助下山變形加劇，最大位移量增加至400mm，增加33%，整體變形仍偏于右側(cè)。鄰近工作面的開(kāi)挖加劇了巷道失穩(wěn)。

圖10 4煤、6煤回采完成輔助下山垂直應(yīng)力等值線(xiàn)

3 支護(hù)方案優(yōu)化

基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果和變形失穩(wěn)機(jī)理分析，提出優(yōu)化支護(hù)方案。

對(duì)于非對(duì)稱(chēng)變形失穩(wěn)巷道，支護(hù)的關(guān)鍵在于加強(qiáng)關(guān)鍵部位的控制。應(yīng)力集中程度較高和變形的始發(fā)部位均為關(guān)鍵支護(hù)區(qū)域，需增大支護(hù)強(qiáng)度。同時(shí)對(duì)于深井軟巖巷道，圍巖塑性圈范圍較大，應(yīng)以深淺孔組合注漿為核心，為錨桿、錨索提供可靠著力點(diǎn)，限制峰值應(yīng)力轉(zhuǎn)移。針對(duì)Ⅱ66輔助下山，提出打底板錨桿(索)和分區(qū)注漿來(lái)抑制底鼓，同時(shí)在幫腳增設(shè)錨桿并結(jié)合錨梁在肩窩和幫部位置對(duì)型鋼支架鎖棚來(lái)加強(qiáng)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。優(yōu)化后支護(hù)方案如圖11所示。

圖11 輔助下山優(yōu)化支護(hù)方案

巷道重新起底刷擴(kuò)后，選用U29型鋼支架作為臨時(shí)支護(hù)，打錨桿聯(lián)合型鋼卡纜對(duì)棚腿加強(qiáng)支護(hù)。錨桿選用Φ22mm×2500mm中空組合注漿錨桿，間排距為800mm×800mm，預(yù)緊力大于60kN。底板錨索選用Φ22mm×6500mm中空注漿錨索，幫部及頂板錨索規(guī)格為Φ22mm×9200mm，間距、排距為3000mm，預(yù)緊力大于160kN，優(yōu)化方案采用雙層金屬網(wǎng)，規(guī)格為1600mm×900mm，輔助下山優(yōu)化支護(hù)方案如圖11所示。

輔助下山為非對(duì)稱(chēng)變形，右側(cè)位移整體高于左側(cè)。優(yōu)化后方案支護(hù)斷面共布置9根中空注漿錨索，重點(diǎn)在右側(cè)肩窩進(jìn)行了加密。底板施作2根底腳注漿錨桿，右側(cè)幫腳施作2根幫腳注漿錨桿。錨索結(jié)合錨梁在肩窩和幫部位置對(duì)U型鋼棚進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)，錨梁采用20#槽鋼制作，相鄰錨梁上下交錯(cuò)布置。錨桿采用1.5MPa低壓注漿，膠結(jié)破碎區(qū)圍巖，錨索采用4MPa高壓注漿，膠結(jié)塑性區(qū)圍巖，間隔9d。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

采用上述方案對(duì)輔助下山重新進(jìn)行支護(hù)。現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果良好，在鄰近工作面回采后未發(fā)生大面積垮落失穩(wěn)，保障了礦井安全高效生產(chǎn)。通過(guò)鉆孔窺視對(duì)圍巖塑性區(qū)進(jìn)行觀察，在0.7～2.6m范圍內(nèi)，圍巖完整性保持良好，如圖12所示。

圖12 優(yōu)化方案鉆孔窺視結(jié)果

5 結(jié) 論

1)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，輔助下山底板軟弱破碎，巷道非對(duì)稱(chēng)變形顯著。現(xiàn)場(chǎng)取芯時(shí)，成孔困難，圍巖完整性較差。室內(nèi)力學(xué)測(cè)試顯示，圍巖強(qiáng)度較低，屬軟弱巖層。X射線(xiàn)衍射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，細(xì)砂巖中存在富含伊利石、長(zhǎng)石和綠泥石等親水性礦物。

2)地應(yīng)力實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，Ⅱ66輔助下山處于高原巖應(yīng)力區(qū)，最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力且與巷道軸線(xiàn)夾角呈70°，不利于圍巖穩(wěn)定。

3)數(shù)值分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)相近，輔助下山受鄰近采掘工程擾動(dòng)影響較大，是其呈現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)破壞的主要原因。

4)基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和變形失穩(wěn)機(jī)理分析，采用“注漿錨桿+注漿錨索”多層次組合控制措施，同時(shí)對(duì)U型支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)，工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果較好，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)需求。