軟巖巷道圍巖變形規(guī)律及支護(hù)方案研究

尚偉鵬

（鄭州中興集團(tuán)鄭興煤業(yè)有限公司，河南 鄭州 452370）

軟巖巷道圍巖強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)完整性差，圍巖易風(fēng)化，在軟巖巷道開挖后圍巖變形速率快，變形量大，且隨時(shí)間變化變形量會(huì)持續(xù)增加[1]，大大提高了礦井生產(chǎn)成本，增加安全隱患。許多學(xué)者針對(duì)不同情況下巷道圍巖的破壞進(jìn)行了穩(wěn)定性研究[2-4]。本文以鄭興煤礦為研究背景，通過對(duì)馬頭門處巷道圍巖變形進(jìn)行觀測(cè)分析，研究軟巖巷道變形規(guī)律，確定合理的支護(hù)方案。

1 工程背景

鄭興煤業(yè)地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)豫西地層分區(qū)之嵩箕小區(qū)，區(qū)域主要地層為奧陶系、石炭系上統(tǒng)、二疊系和第四系，其中石炭系和二疊系為主要含煤地層。構(gòu)造位置為華北板塊南部、嵩箕構(gòu)造區(qū)北部的嵩山背斜北翼。礦區(qū)位于偃龍煤田上莊井田西端淺部，處于嵩箕構(gòu)造區(qū)嵩山大背斜的北翼。偃龍煤田構(gòu)造特點(diǎn)以高角度正斷層為主，局部伴有小型褶曲；地層走向東西，傾角4°～18°；太原組菱鐵質(zhì)泥巖至砂鍋窯砂巖底為主要含煤段；中下部由灰黑色泥巖、深灰色細(xì)粒砂巖及煤層組成，砂巖以硅泥質(zhì)膠結(jié)為主，層理較發(fā)育，層面含大量白云母片和炭質(zhì)；主要可采煤層為賦存于山西組下部的二1煤層（厚煤層）；頂部以淺灰色含紫斑或暗斑的泥巖為主，夾砂質(zhì)泥巖和砂巖。

鄭興礦巷道圍巖均為軟巖，支護(hù)較為困難。軟巖具有可塑性、膨脹性、崩解性、流變性和易擾動(dòng)性的特點(diǎn)，在壓力的作用下，會(huì)產(chǎn)生不可逆的塑性形變，導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度較低，變形較大。因此，合理的支護(hù)方案對(duì)礦井安全生產(chǎn)、提高經(jīng)濟(jì)效益尤為重要。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試樣制備

為測(cè)試巷道圍巖的力學(xué)特征，通過在巷道頂?shù)装宀扇∧軌虼韼r石特征的巖樣，并在實(shí)驗(yàn)室制取成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的巖石試樣，其規(guī)格為兩種：（1）細(xì)粒砂巖和砂質(zhì)泥巖試樣形狀為圓柱體，制作成兩種規(guī)格：Φ50 mm×100 mm、Φ50 mm×50 mm；（2）泥巖試樣制作為立方體：50 mm×50 mm×100 mm、50 mm×50 mm×50 mm。

2.2 試驗(yàn)過程

圍巖的基本力學(xué)參數(shù)是巖石分類的重要依據(jù)，是進(jìn)行井巷工程支護(hù)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。因此，施工前進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性判定、巷道和采場(chǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)必須先行獲取圍巖的基本力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行巖石分類。本次通過利用巖石力學(xué)伺服試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)試樣進(jìn)行單軸壓縮、全應(yīng)力-應(yīng)變壓縮、三軸壓縮等試驗(yàn)，得到巖石的詳細(xì)力學(xué)特征。

2.2.1 抗壓強(qiáng)度測(cè)定

巖石抗壓強(qiáng)度是巖石力學(xué)最常用的參數(shù)之一，本試驗(yàn)采用位移控制法進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。巖石抗壓程度的指標(biāo)用巖石的堅(jiān)固性系數(shù)f 來表示，即單軸抗壓強(qiáng)度除以10。經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)定（如圖1），該礦井的巖石試樣的單軸抗壓強(qiáng)度最大為28 MPa，最低為16 MPa，固其堅(jiān)固性系數(shù)最大為2.8，最小為1.6，堅(jiān)固性系數(shù)平均值為2.2。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知巖石試樣均屬軟巖。

巖石受壓縮時(shí)的變形特征通常用彈性模量和變形模量等巖石變形參數(shù)來表示。從單軸壓縮試驗(yàn)全應(yīng)力-應(yīng)變曲線可看出巖石應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系并非完全的線性關(guān)系，因此在不同階段應(yīng)用不同的參數(shù)進(jìn)行表述。曲線直線段的斜率即為彈性模量，原點(diǎn)50%抗壓強(qiáng)度點(diǎn)連線的斜率為變形模量。彈性模量Eτ、變形模量E50以及泊松比μ 之間的關(guān)系如下式：

式中：Eτ為彈性模量；E50為變形模量；Δ σ、Δ ε 為應(yīng)力、應(yīng)變?cè)隽浚沪?0為0.5 倍抗壓強(qiáng)度處的應(yīng)力值；ε50為σ50處的軸應(yīng)變值；Δ σP、Δ εP為曲線上直線段應(yīng)力、應(yīng)變均值。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果并將其代入上式可得，巖石試樣的彈性模量平均值為11.7 GPa，變形模量平均值為8.6 GPa，泊松比平均值為0.26。

2.2.2 內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角測(cè)定

由于僅有巷道表面存在處于雙向或者受力的情況，而深部巖體則均處于三軸受力狀態(tài)，故本次試驗(yàn)須對(duì)巖石試樣的三軸應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行研究，采用普通三軸試驗(yàn)。由試驗(yàn)結(jié)果可知，在低圍壓條件下，其強(qiáng)度包絡(luò)線近似為直線。試驗(yàn)采用位移控制法，圍壓加載速率為0.1 MPa，先加載圍壓直至達(dá)到預(yù)定值再加載軸壓。部分試樣莫爾應(yīng)力圓參數(shù)如圖2，經(jīng)過計(jì)算巖石試樣的內(nèi)聚力約為12.72 MPa，內(nèi)摩擦角約為29.3°。物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖1 巖石單軸壓縮試驗(yàn)

表1 物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果匯總

3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)及支護(hù)方案驗(yàn)證

為監(jiān)測(cè)巷道圍巖表面收斂量，確定巷道變形特征，選擇合理的支護(hù)方式，驗(yàn)證支護(hù)方案的可行性。設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)對(duì)巷道變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)巷道圍巖條件及其力學(xué)特征[5]，巷道支護(hù)方式采用“錨網(wǎng)索噴+鋼筋混凝土砌襯”支護(hù)。一次支護(hù)采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)，噴射砼強(qiáng)度C20，厚80 mm；二次支護(hù)采用雙層鋼筋混凝土支護(hù)，壁厚500 mm。采用左螺旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋錨桿，規(guī)格Φ22 mm×2400 mm，托板150 mm×150 mm×10 mm，間排距800 mm×800 mm。 采 用Φ21.6 mm×8300 mm 的 高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，間排距為1600 mm×800 mm。

在巷道斷面布置5 個(gè)測(cè)點(diǎn)并布置5 個(gè)測(cè)線用于研究圍巖內(nèi)部變形情況，測(cè)點(diǎn)位置如圖3，并將激光測(cè)距儀安置在1 測(cè)點(diǎn)至5 測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距。

圖2 莫爾—應(yīng)力圓參數(shù)

圖3 巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)和測(cè)線布置圖

由圖4 可知：（1）巷道圍巖變形特征表現(xiàn)為明顯的非對(duì)稱、非均勻性。如在距巷道表面0 m 處，測(cè)線2、測(cè)線4 以及測(cè)線5 變形量均達(dá)到最大值，分別為26.2 mm、12.7 mm、18.8 mm；（2）隨著距巷道表面距離的增大，巷道圍巖變形量也在逐步減小。以測(cè)線1 為例，在距巷道表面0～3 m 左右，巷道圍巖位移量由24.4 mm 急劇降低到6.67 mm，遞減率平均5.91 mm/m；而在距巷道表面3 m 之后，其巷道圍巖位移量逐漸趨于穩(wěn)定?？梢姡锏篱_挖對(duì)于淺部圍巖的擾動(dòng)要明顯高于深部圍巖。

圖4 巷道圍巖深部變形曲線圖

支護(hù)完成后在巷道設(shè)置5 個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)巷道進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)。由圖5 中巷道斷面收斂量可得到巷道圍巖變形量及支護(hù)效果：

（1）在初期支護(hù)施工后，由于圍巖內(nèi)部應(yīng)力及塑性變形得到釋放，其圍巖收斂位移量較大，變形速率可達(dá)0.41 mm/d；在觀測(cè)40 d 之后，其變形速率開始逐漸降低；而在80～140 d 左右，巷道圍巖收斂量雖略有增幅，但已基本趨于穩(wěn)定。

（2）在馬頭門拱部收斂位移量要明顯高于其他部位，測(cè)線5-3 收斂量最大可達(dá)20.5 mm，測(cè)線1-5則為19 mm，而測(cè)線1-4 僅為12 mm，其減小分別為8.5 mm、7 mm，減小率分別為31%、28.6%，相對(duì)收斂量均小于預(yù)警值，可見該支護(hù)方案能夠有效控制巷道圍巖變形，防止巷道頂?shù)装寮皟蓭推茐摹?/p>

圖5 監(jiān)測(cè)斷面收斂位移

4 結(jié)論

該礦巷道圍巖屬軟巖，巷道圍巖易變形，圍巖強(qiáng)度低，圍巖在長(zhǎng)期應(yīng)力作用下具有蠕變性，導(dǎo)致支護(hù)困難。通過研究分析得到巷道圍巖變形規(guī)律，確定了錨網(wǎng)索噴的聯(lián)合支護(hù)方案。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過綜合分析得到：

（1）巷道圍巖變形特征表現(xiàn)為明顯的非對(duì)稱、非均勻性，隨著距巷道表面距離的增大，巷道圍巖變形量也在逐步減?。?/p>

（2）在初期支護(hù)施工后，由于圍巖內(nèi)部應(yīng)力及塑性變形得到釋放，其圍巖收斂位移量較大，后期變形速率不斷減小并趨于穩(wěn)定；

（3）采用“錨網(wǎng)索噴”聯(lián)合支護(hù)的方式巷道圍巖完整性較好，可使巷道圍巖變形量得到有效控制。采用該支護(hù)方式可以有效減少巷道變形，增加巷道服務(wù)年限。