開灤膨脹軟巖巷道變形機理及控制對策

楊 拓，劉建莊，李 準，薛福祥，劉樹弟

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院 河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室，河北 唐山 063210；2.開灤(集團)有限責(zé)任公司，河北 唐山 063018)

深部巷道存在原巖應(yīng)力高、巖溶水壓高、地質(zhì)構(gòu)造多、水文條件復(fù)雜等典型特點，加之巷道斷面在通風(fēng)、運輸和預(yù)留變形的要求下有加大趨勢，導(dǎo)致巷道支護技術(shù)面臨較大挑戰(zhàn)，錨固失穩(wěn)、支架變形、冒頂坍塌時有發(fā)生，給煤礦生產(chǎn)帶來重大損失。應(yīng)對上述技術(shù)難題，我國學(xué)者開展了大量的理論推導(dǎo)、實驗測試、礦壓監(jiān)測、支護構(gòu)件升級、工程實踐優(yōu)化等工作[1-6]。何滿潮、郝育喜等通過采用“恒阻裝置+鋼筋網(wǎng)+底角注漿錨桿”的方法有效控制了沙吉海礦的軟巖巷道大變形問題[7，8]，王連國、魏夕合等通過錨注方法提升了軟巖巷道支護結(jié)構(gòu)的整體承載能力[9，10]，柏建彪等在古漢山礦提出了“主動卸壓+注漿”的方案，使圍巖膨脹變形能得到有效釋放，提高了圍巖整體性和強度[11，12]，張農(nóng)等分析了朱集煤礦巷道注漿效果不佳的主要原因，優(yōu)化了巷道圍巖的滯后注漿參數(shù)[13]，陳輝等通過在底板開卸壓槽并進行二次加強支護維護了車集礦28采區(qū)軌道巷的穩(wěn)定性[14]。本文在上述研究基礎(chǔ)上，采用微觀和力學(xué)特性測試的方法，結(jié)合開灤礦區(qū)林南倉煤礦-850m回風(fēng)斜井工程實際，對膨脹性軟巖巷道的變形機理進行深入分析，提出具有針對性的控制對策，以期為類似巷道施工提供借鑒。

1 工程概況

開灤林南倉煤礦地處薊玉煤田，礦井主要巷道層位巖性較脆，裂隙發(fā)育，以灰色或灰白色泥質(zhì)砂巖為主，該類巖石具有膨脹性強，黏土礦物含量高，屬于典型的軟化膨脹圍巖。-850回風(fēng)斜井初始設(shè)計為-650～-900m水平，設(shè)計工程量790m，其中下山工程量720m，傾角19.5°～22°，巷道層位設(shè)計在煤12底板以下10～15m巖層中。整條巷道最大涌水量預(yù)計為4.2m3/min，正常涌水量為1.0m3/min。采用13.36m2金屬拱形支架、鋪設(shè)鋼網(wǎng)進行臨時支護，“?20mm×2000mm錨桿+100mm噴漿”作為永久支護。由于受斷層影響，致使巷道逐漸偏離設(shè)計層位，當(dāng)巷道施工到下部時，依次穿越12#、11#、9#煤層。施工中巷道揭露顯示，區(qū)域受12#煤底板及F1斷層裂隙含水層影響較大，構(gòu)造切割頻繁，沿原生構(gòu)造裂隙和巷道開挖裂隙導(dǎo)滲的頂板砂巖裂隙水，造成圍巖吸水軟化與膨脹，巷道初掘后變形速度快，29U拱形支架15～20d即變形失穩(wěn)，導(dǎo)致后期無法行車，底板多次臥底放壓依然不能穩(wěn)定，巷道的軟化流變性表征明顯。之后經(jīng)多方論證，最終確定將標高上提至-850m。

2 微觀特性和宏觀變形分析

2.1 圍巖礦物成分分析

為從微觀結(jié)構(gòu)和礦物成分方面探究圍巖軟化膨脹機理，采用型號為Quanta°250°環(huán)境掃描電子顯微鏡系統(tǒng)(美國FEI)和D/MAX-rA型X射線衍射儀進行巖樣形貌觀測及礦物成分測定。實驗條件為室溫23°，濕度62%，依據(jù)沉積巖中粘土礦物和常見非粘土礦物X衍射分析方法(SY/T 5163—2010)，得到樣品的衍射圖譜曲線，對照標準衍射圖譜特征值進行物相分析，可得出各樣品中粘土礦物成分含量，見表1。

表1 粘土礦物成分含量 %

從表1可見，粘土礦物含量在50%～80%左右，礦物類型以蒙脫石、高嶺石和伊蒙混層為主，其中11#煤底蒙脫石和高嶺石各占約50%，12#煤頂伊蒙脫混層占61%，12#煤底蒙脫石為主。蒙脫石具有很強的吸水特性，其吸水率可達20%～80%，高嶺石吸水軟化性強，富含水解軟化的蒙脫石、高嶺石和伊蒙混層，是該類圍巖水化失穩(wěn)的物質(zhì)基礎(chǔ)[15]。

2.2 圍巖微觀結(jié)構(gòu)分析

三種巖樣放大8000倍時的SEM照片如圖1所示，巖樣中微米級、納米級微裂隙均較為發(fā)育，其中1#樣本顆粒松散堆積，孔洞狀連通孔隙發(fā)育，局部板狀顆粒間出現(xiàn)狹縫狀孔隙，板狀顆粒相互支撐形成的不規(guī)則連通孔隙；3#樣本微米級孔隙和裂隙最為發(fā)育，裂隙邊緣具有明顯的荷葉狀和花瓣狀疊層結(jié)構(gòu)，層面之間構(gòu)成寬的狹縫狀連通孔隙，2#次之。三個樣本內(nèi)部顆粒之間缺乏化學(xué)膠結(jié)物，孔隙在深部均相互連通，導(dǎo)致頂板砂巖裂隙水微浸潤通道和空間暢通，宏觀上吸水強，水解軟化與膨脹的進程快，這是巷道圍巖軟化和支護失穩(wěn)的主要機理。

圖1 巖樣SEM照片

2.3 圍巖變形宏觀分析

-850回風(fēng)斜井變形量大，穩(wěn)定時間短，存在可觀測特征的長期流變，淺表圍巖裂隙充分，破碎區(qū)拓展導(dǎo)致錨固力衰減，大范圍錨桿低阻失效，最終失去對錨固區(qū)的結(jié)構(gòu)支撐作用，拱形支架變形特征為全斷面大變形收縮，-850回風(fēng)斜井變形情況如圖2所示。究其原因，巷道頂板砂巖裂隙水量較大，圍巖中原生裂隙及開挖裂隙相互貫穿，為水的浸潤和滴滲流動提供了大量通道，導(dǎo)致圍巖的水解膨脹和軟化，原錨固結(jié)構(gòu)弱化失穩(wěn)，巷道支架將承受較高的圍巖壓力，最終突破系統(tǒng)穩(wěn)定強度將導(dǎo)致失穩(wěn)發(fā)生。巷道翻修揭露顯示，圍巖破碎區(qū)大多超過錨桿根部，未出現(xiàn)錨桿大量破斷現(xiàn)象出現(xiàn)，因此，支護強化的重點將是錨桿長度的調(diào)整和錨固性能的提升。

圖2 -850回風(fēng)斜井變形情況

3 抗壓試驗研究

采用TAW-2000型電液伺服巖石三軸試驗機進行單軸和常規(guī)三軸抗壓試驗，共計測定干樣和飽水樣2種。圍壓根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果選取0～25MPa間6組。

巖樣實驗破壞方式如圖3所示。單軸壓縮時，干濕巖樣的破壞均表現(xiàn)為豎向劈裂紋，說明該條件下主導(dǎo)圍巖失穩(wěn)的方式為拉破壞；在5～25MPa圍壓下，巖石破壞呈現(xiàn)出斜向剪切單裂紋或?qū)斿F裂紋，表明該條件下主導(dǎo)圍巖失穩(wěn)的方式為庫倫剪切破壞。

圖3 巖樣實驗破壞方式

巖樣三軸實驗結(jié)果如圖4所示。干巖樣的單軸抗壓強度78.8MPa，隨著圍壓的增大，其抗壓強度逐漸上升至231.1MPa，且5MPa圍壓以上極限軸應(yīng)變在0.7%～0.8%間。濕巖樣單軸抗壓強度49.7MPa，隨著圍壓的增大，其抗壓強度逐漸上升至202.6MPa，且5MPa圍壓以上極限軸應(yīng)變在0.4%～0.9%間。可見，干巖樣在三軸壓縮下具備較高承載能力，隨著圍壓增至25MPa，極限應(yīng)力可達200MPa以上，水對低圍壓試件的軟化作用極其顯著，單軸抗壓強度軟化系數(shù)為63.1%(低于75%)，耐軟化性極差。軸應(yīng)變曲線在塑性后期有一個明顯的峰后跌落段，殘余強度隨圍壓增大呈現(xiàn)增大趨勢。

圖4 巖樣三軸實驗結(jié)果

4 巷道變形控制對策

針對-850回風(fēng)斜井富粘土礦物圍巖，以灰白色砂巖為主，通過分析其礦物成分、微觀結(jié)構(gòu)及其物理力學(xué)特性，確定了多層次錨卸注的強力支護對策，以多層次密集錨桿形成的錨固體作為支護承載的主體，通過在巷道底角開挖卸壓槽實現(xiàn)巷道初掘后的快速讓壓和裂隙激發(fā)，為緊跟的兩層次注漿提供漿液擴展通道，及時固結(jié)峰后讓壓的淺表圍巖裂隙，有效阻斷水對巖體深度浸潤或浸泡，將部分失效的錨桿二次粘結(jié)，實現(xiàn)2.0～2.4m錨固區(qū)的強化承載，保證巷道塑性區(qū)和破碎區(qū)圍巖自穩(wěn)。

根據(jù)圍巖遠場應(yīng)力、裂隙發(fā)育、滲水情況，多層次錨卸注支護方案如圖5所示，具體參數(shù)設(shè)計為：巷道斷面預(yù)留200～400mm的變形量，錨桿規(guī)格為?20mm×2400mm，第一層間排距800mm×800mm，實時監(jiān)測巷道變形發(fā)展情況，每發(fā)生100mm的頂板、底板或幫部收斂位移即可實施下一層次錨桿支護，在上層空擋間打設(shè)，在第二層次錨桿打設(shè)完畢后，進行卸壓槽開挖，每個卸壓槽打3根錨桿，同時打第一層注漿錨桿?20mm×2400mm，間排距2500mm×2500mm，頂幫5根，底板3根；以表面收斂位移100mm的時機作為啟動二次高壓注漿指標，第二層注漿錨桿頂幫6根，卸壓槽各一根，兩次注漿的水泥標號P.O42.5，水灰比0.7～1.1，注漿壓力為1.5～2.5MPa。

圖5 多層次錨卸注支護(mm)

通過采用多層次注漿改性，阻斷了水對膨脹性軟巖的物化作用，同時使巷道淺部圍巖的峰后殘余強度得到顯著提升，后期在開灤礦區(qū)典型區(qū)域巷道的一次施工和一次翻修中成功應(yīng)用。采用十字斷面法，將測點布置在巷道幫頂及底板正中，觀測頻度為2～3d一次，經(jīng)過為期120d的巷道表面收斂位移觀測，發(fā)現(xiàn)巷道頂?shù)装遄畲笫諗苛?00mm，收斂速度穩(wěn)定在0.8mm/d，兩幫最大收斂量87mm，收斂速度穩(wěn)定在0.6mm/d。

5 結(jié) 論

1)經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研和微觀測試，粘土礦物含量達50%～80%左右，以蒙脫石和高嶺石為主，微裂隙較為發(fā)育，巷道變形失穩(wěn)的內(nèi)在機制為高粘土礦物含量的圍巖在深部開挖應(yīng)力作用下，沿宏觀和細觀裂隙水化膨脹，進而導(dǎo)致原錨固結(jié)構(gòu)弱化失穩(wěn)。

2)通過對干濕巖樣在不同圍壓下的抗壓實驗，發(fā)現(xiàn)水對低圍壓試件的軟化作用極其顯著，單軸抗壓強度軟化系數(shù)為63.1%，耐軟化性極差，應(yīng)采用注漿加固對圍巖進行改性，實現(xiàn)錨固區(qū)的強化承載。

3)經(jīng)現(xiàn)場工程實踐表明，增大巷道前期變形空間允許值，通過卸壓槽快速釋放淺表松動區(qū)膨脹應(yīng)力，多層次注漿填充原生和開挖裂隙，阻斷了水對巖體的膨脹軟化作用，取得了顯著的工程效果。