深井軟弱圍巖巷道多重耦合控制技術(shù)研究

謝福星，賀 文

(1.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013； 2.煤炭科學(xué)研究總院 建井研究分院，北京 100013)

隨著煤炭資源開采技術(shù)及裝備水平的提升，我國(guó)礦井建設(shè)正逐步向深井化、大型化發(fā)展[1-2]。其中，深井高水平應(yīng)力碎裂巷道是一類特殊巷道[3-4]，由于斷層褶曲極度發(fā)育，圍巖被大量原生構(gòu)造和采動(dòng)裂隙切割成碎裂結(jié)構(gòu)，同時(shí)水平應(yīng)力突出成為最大主應(yīng)力[5-6]，此類巷道開掘后圍巖擴(kuò)容、碎脹大變形、冒頂，以及支護(hù)系統(tǒng)損毀等問題不斷變化[7-8]。因此，開展深部高水平應(yīng)力碎裂圍巖條件下巷道變形破壞機(jī)制分析，并找出合理、科學(xué)的圍巖控制對(duì)策，對(duì)于實(shí)現(xiàn)此類巷道安全高效生產(chǎn)具有重要意義。

筆者以邢東礦-980 m大巷為研究對(duì)象，結(jié)合該礦高水平應(yīng)力碎裂圍巖復(fù)雜地質(zhì)條件，研究其變形破壞特征及機(jī)制，提出針對(duì)性的深井碎裂圍巖控制對(duì)策，實(shí)現(xiàn)-980 m大巷長(zhǎng)期穩(wěn)定。

1 工程背景

邢東礦平均埋深1 040 m，屬于千米深井，-980 m大巷為采區(qū)大巷，服務(wù)于多個(gè)工作面。巷道依次穿過灰?guī)r、2#煤層、粉砂巖等多個(gè)地質(zhì)層位，巖性及厚度變化較大，且原生裂隙發(fā)育，巷道圍巖在開掘后呈碎裂狀態(tài)，地質(zhì)構(gòu)造密集，實(shí)測(cè)-980 m大巷所處區(qū)域最大主應(yīng)力——水平方向應(yīng)力為45 MPa，測(cè)壓系數(shù)接近2，最大水平主應(yīng)力的大致方位N16.9°W～N29.2°W，非最佳布置方位，對(duì)大巷的成型和穩(wěn)定性帶來了挑戰(zhàn)。綜合各不利因素，確定-980 m大巷為千米深井構(gòu)造地帶軟弱巷道，需要對(duì)其破壞機(jī)制和控制對(duì)策展開研究。

2 礦壓顯現(xiàn)實(shí)測(cè)

2.1 巷道宏觀礦壓顯現(xiàn)表征

-980 m大巷采用MG335錨桿支護(hù)不到1 a，便出現(xiàn)圍巖大變形和支護(hù)損毀現(xiàn)象：頂板圍巖存在由水平擠壓運(yùn)動(dòng)造成的明顯擠壓破碎帶，破碎帶沿巷道走向延伸10～34 m，圍巖膨脹變形顯著，最大下沉量1.0～2.0 m，多處構(gòu)造復(fù)雜地段出現(xiàn)嚴(yán)重頂板垮冒，最大冒高5～8 m，造成巷道全斷面阻塞；兩幫擠出變形嚴(yán)重，尤以中部偏上部位變形最為突出，最大變形量1.0 m；整體底鼓嚴(yán)重，底板最大鼓起量超過0.5 m，變形后底板呈中部高兩側(cè)低的圓弧形。錨桿扭彎、脫落，托盤損壞，鋼筋梁壓彎，鋼筋網(wǎng)撕裂，襯砌開裂現(xiàn)象普遍，局部出現(xiàn)錨索剪斷現(xiàn)象。后期改用MG500高強(qiáng)螺紋錨桿支護(hù)仍出現(xiàn)大變形破壞，斷面由4.5 m×3.1 m變?yōu)?.1 m×1.8 m(寬×高)，支護(hù)損毀現(xiàn)象嚴(yán)重，不得不專門安排巷修隊(duì)伍進(jìn)行長(zhǎng)期整修。

2.2 深部圍巖礦壓顯現(xiàn)特征

對(duì)-980 m大巷頂板進(jìn)行鉆孔窺視，不同深度頂板巖層碎裂情況如圖1所示。由圖1可知，頂板深度 0～3.0 m內(nèi)圍巖極度破碎，超過錨桿支護(hù)范圍(l=2.4 m)，錨固體系整體失效；頂板深度3.0～6.0 m內(nèi)橫向裂隙較多，圍巖離層、錯(cuò)位的可能性大；頂板深度超過6.0 m的圍巖裂隙較少，穩(wěn)定性尚好?？梢?980 m大巷變形破壞為由表及里漸次破壞，破碎范圍大。

(a)深度1.0 m (b)深度3.0 m 深度6.0 m圖1 不同深度圍巖狀態(tài)

綜上所述，受多次采動(dòng)影響，巷道表面圍巖大范圍破碎，頂板嚴(yán)重下沉，底板強(qiáng)烈鼓起，兩幫非對(duì)稱破壞現(xiàn)象明顯，且隨著時(shí)間增加及受相鄰工作面回采影響，巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境將會(huì)進(jìn)一步惡化，變形破壞將持續(xù)加劇。因此，需在相鄰工作面回采前對(duì)巷道進(jìn)行針對(duì)性的強(qiáng)化控制，尤其針對(duì)巷道薄弱環(huán)節(jié)(頂板和煤柱幫)的治理，是保證巷道安全穩(wěn)定的關(guān)鍵。

3 深井軟巖巷道圍巖破壞機(jī)制

3.1 深井巷道圍巖破壞路徑分析

高水平應(yīng)力是引起深井軟巖巷道破壞的主要誘因，對(duì)圍巖的破壞主要體現(xiàn)在頂?shù)装錥9]，如圖2所示。巷道開挖使得煤體中的水平應(yīng)力向頂?shù)装遛D(zhuǎn)移并形成動(dòng)態(tài)高水平集中應(yīng)力，在高水平集中應(yīng)力作用下，頂?shù)装鍦\部圍巖經(jīng)歷“離層→彎曲→破裂→破碎”的動(dòng)態(tài)過程[10]，圍巖破碎后其力學(xué)性能驟變，傳遞高水平應(yīng)力的能力明顯降低，使得水平應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移引發(fā)更深層次圍巖破碎。淺部圍巖破碎后受到的水平應(yīng)力擠壓作用下降[11]，破碎巖塊間產(chǎn)生的摩擦力隨之下降從而難以平衡圍巖自重，在無支護(hù)或支護(hù)弱的條件下將發(fā)生頂板垮冒，形成自然平衡拱。

圖2 深井軟巖巷道圍巖破壞過程

3.2 圍巖變形演化規(guī)律數(shù)值模擬分析

采用FLAC3D數(shù)值軟件進(jìn)一步分析水平應(yīng)力[12]對(duì)-980 m大巷圍巖位移、塑性區(qū)的影響規(guī)律，分別計(jì)算分析不同側(cè)壓系數(shù)λ(λ為1.2、1.6、1.8、2.0)影響下巷道圍巖的演化過程。

3.2.1 圍巖深部塑性區(qū)演化特征

圖3為不同測(cè)壓系數(shù)λ影響下圍巖塑性區(qū)分布云圖。由圖3可知：①當(dāng)λ為1.2時(shí)，巷道圍巖塑性區(qū)分布較均勻，淺部圍巖主要為張拉破壞、拉剪復(fù)合破壞，深部圍巖主要為剪切破壞；②當(dāng)λ由1.2增大到1.6時(shí)，頂?shù)装逅苄詤^(qū)明顯大于兩幫，頂?shù)装鍦\部圍巖過渡為拉剪復(fù)合破壞，兩幫淺部圍巖過渡為張拉破壞；③當(dāng)λ增大到2.0時(shí)，頂?shù)装逅苄詤^(qū)深度進(jìn)一步加劇，頂?shù)装鍑鷰r剪切破壞范圍大幅度增加?？梢姡S著測(cè)壓系數(shù)λ的增加(水平應(yīng)力的增加)，巷道圍巖塑形區(qū)主要分布在頂?shù)装宸秶?，頂?shù)装逅苄詤^(qū)呈自然平衡拱狀，并隨著λ的增大，自然平衡拱的高度和寬度均增長(zhǎng)明顯。

圖3 不同λ影響下圍巖塑形區(qū)分布特征

3.2.2 圍巖表面位移演化特征

數(shù)值計(jì)算過程中通過對(duì)巷道頂?shù)装寮皟蓭捅砻嫖灰七M(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以得到側(cè)壓系數(shù)λ對(duì)巷道表面位移的影響關(guān)系，如圖4所示。

圖4 側(cè)壓系數(shù)對(duì)巷道表面位移的影響關(guān)系

由圖4可以看出：①當(dāng)λ=1.0時(shí)，巷道頂板下沉量為441 mm，底板鼓起量為351 mm，兩幫相對(duì)位移量為285 mm；②當(dāng)λ增長(zhǎng)到2.0時(shí)，巷道頂板下沉量為 1 200 mm，底板鼓起量為1 068 mm，兩幫相對(duì)位移量為998 mm；③在λ由1.0增長(zhǎng)到2.0的過程中，頂板下沉量、底板鼓起量及兩幫相對(duì)位移量分別增長(zhǎng)了1.72倍、2.04倍、2.50倍。綜上可知，隨著作用于巷道的水平應(yīng)力值增大，巷道各部位圍巖的表面位移增長(zhǎng)顯著，巷道頂板下沉量近似呈指數(shù)增長(zhǎng)，巷道底板鼓起量及兩幫相對(duì)位移量近似呈線性增長(zhǎng)，高水平應(yīng)力對(duì)-980 m大巷圍巖位移變形影響顯著。

4 巷道圍巖穩(wěn)定性控制原理及對(duì)策方案

4.1 深部軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性控制原理

基于深部軟巖巷道圍巖破壞機(jī)制及水平應(yīng)力對(duì)巷道深部塑性區(qū)、表面位移的影響分析，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)-980 m大巷多次返修失敗的礦壓顯現(xiàn)特征，認(rèn)為 -980 m 大巷圍巖本身節(jié)理裂隙充分發(fā)育，圍巖黏聚力和抗拉強(qiáng)度較低，圍巖自穩(wěn)能力極差，短時(shí)間內(nèi)形成大范圍破碎，且由于水平應(yīng)力突出、巷道斷面設(shè)計(jì)不合理等因素使得淺部圍巖變形進(jìn)一步加劇，試驗(yàn)巷道僅采用常規(guī)的錨網(wǎng)噴支護(hù)根本無法保證巷道穩(wěn)定，導(dǎo)致圍巖中的高水平應(yīng)力繼續(xù)向頂?shù)装鍌鬟f，引起更深層次圍巖破壞。因此，采取合理的支護(hù)措施控制圍巖初期大變形，提高圍巖承載能力，限制高水平應(yīng)力對(duì)深部圍巖的破壞是實(shí)現(xiàn)-980 m大巷長(zhǎng)期穩(wěn)定的關(guān)鍵。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)生產(chǎn)條件、圍巖失穩(wěn)破壞機(jī)制分析，以及相關(guān)理論和工程實(shí)踐，確定-980 m大巷圍巖控制對(duì)策如下：巷道開掘初期碎脹變形強(qiáng)烈[13-14]，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行高強(qiáng)度支護(hù)，形成具有一定強(qiáng)度和剛度的承載結(jié)構(gòu)[15-16]，參與圍巖應(yīng)力調(diào)整過程，限制圍巖初期大變形；待釋放一定變形壓力后，采取二次支護(hù)措施[17-18]，提供最終支護(hù)強(qiáng)度，抑制圍巖永久變形和破壞的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)巷道長(zhǎng)期穩(wěn)定；同時(shí)對(duì)深淺部破碎圍巖采取強(qiáng)度強(qiáng)化措施[19]，提高破碎圍巖整體強(qiáng)度，并對(duì)底板等薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行有效支護(hù)[20]，提高圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

4.2 針對(duì)性控制對(duì)策與方案

依據(jù)上述圍巖控制原理，結(jié)合類似巷道工程實(shí)踐，提出-980 m大巷控制對(duì)策：

1)巷道斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)?？紤]到-980 m大巷圍巖碎裂特性、高水平應(yīng)力及可縮性環(huán)形支架施工等因素，將巷道斷面設(shè)計(jì)為三心拱形，三心拱形巷道受力均勻，與巷道圍巖自然平衡拱輪廓相似，能夠更好地承載。

2)采用高預(yù)應(yīng)力錨桿索支護(hù)。高預(yù)應(yīng)力錨桿能夠較好地錨固巷道淺部碎裂圍巖，加強(qiáng)淺部碎裂圍巖的整體承載性能，再配合高強(qiáng)錨索深部錨固的作用，進(jìn)而提高巷道深、淺部圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的共同承載能力。

3)采用高強(qiáng)可縮性環(huán)形支架進(jìn)行二次支護(hù)。在發(fā)揮錨桿索主動(dòng)支護(hù)作用的同時(shí)，應(yīng)同樣重視可縮性環(huán)形支架的被動(dòng)支護(hù)作用，高強(qiáng)環(huán)形支架能夠在圍巖變形的第一時(shí)間內(nèi)限制其劇烈變形，降低圍巖變形的作用力集中于錨桿索結(jié)構(gòu)上，使整個(gè)承載結(jié)構(gòu)受力更均勻。

4)圍巖滯后注漿加固。注漿是改變圍巖碎裂性質(zhì)的有效途徑，加固漿液將均勻聯(lián)結(jié)各碎裂巖體，在直接提高碎裂巖體強(qiáng)度的同時(shí)為圍巖—支護(hù)承載體的形成奠定了完整圍巖、均勻承載的力學(xué)基礎(chǔ)。

采用上述支護(hù)對(duì)策，通過提高圍巖—支護(hù)系統(tǒng)共同承載能力，控制圍巖碎裂變形，提高圍巖傳遞、承受各向應(yīng)力的能力，可避免軟弱圍巖松動(dòng)破碎向深部發(fā)展。-980 m大巷圍巖針對(duì)性控制方案如圖5 所示。

圖5 -980 m大巷圍巖針對(duì)性控制方案圖

4.3 現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)

在現(xiàn)場(chǎng)開展工業(yè)性試驗(yàn)，并對(duì)-980 m大巷圍巖進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)，在針對(duì)性控制方案實(shí)施初期，-980 m大巷頂?shù)装逑鄬?duì)位移最大變形速率為3 mm/d，但僅持續(xù)了30 d(施工初期)；針對(duì)性加固工程實(shí)施60 d后，頂?shù)装遄冃嗡俾驶究刂圃? mm/d內(nèi)；-980 m大巷針對(duì)性圍巖控制方案實(shí)施2 a后，與實(shí)施初期相比圍巖變形總量沒有較大的增長(zhǎng)，巷道頂板累計(jì)下沉值為121 mm，兩幫相對(duì)位移累計(jì)值為134 mm，底板無明顯鼓起現(xiàn)象，可以看出-980 m大巷軟弱碎裂圍巖控制效果良好。

5 結(jié)論

1)數(shù)值模擬表明水平應(yīng)力對(duì)深井軟巖巷道圍巖變形影響顯著，尤其是對(duì)頂?shù)装鍑鷰r變形的影響更為劇烈，隨著水平應(yīng)力的增大，頂板下沉量呈指數(shù)型增長(zhǎng)，底板鼓起量及兩幫相對(duì)位移量呈線性增長(zhǎng)。

2)深部軟巖巷道圍巖變形破壞的直接誘因?yàn)楦咚綉?yīng)力，同時(shí)圍巖原生裂隙發(fā)育、支護(hù)方案針對(duì)性差加劇了圍巖破壞由淺部向深部發(fā)展的趨勢(shì)。

3)基于控制圍巖初期大變形，提高圍巖承載能力，限制高水平應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移的支護(hù)思路，提出了由“斷面優(yōu)化+高預(yù)應(yīng)力錨桿索+高強(qiáng)可縮性環(huán)形支架+滯后注漿加固”的圍巖穩(wěn)定性控制對(duì)策及方案，工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明該技術(shù)可有效解決深井高水平應(yīng)力巷道圍巖控制難題。