基于水誘因的軟巖劣化效應(yīng)工程特征與控制技術(shù)

呂玉廣，呂文斌，肖慶華，王永寶，夏宇君，張永強，吳 蘇

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州221116；2.內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯016299）

軟巖巷道大變形一直是困擾我國煤礦生產(chǎn)建設(shè)的重大問題之一[1]。國內(nèi)外比較有影響的理論技術(shù)包括圍巖松動圈理論[2]、最佳支護時間理論[3]、關(guān)鍵部分偶合理論[4]、新奧法理論、高預(yù)應(yīng)力強力支護理論[5]、聯(lián)合支護理論[6]、鋼管混凝土強支護技術(shù)[7]等。劉泉聲等[8]認為巖體是否發(fā)生加速蠕變與加載的應(yīng)力水平有關(guān)；許興亮等[9]認為巖石的弱膠結(jié)性和遇水泥化性質(zhì)是工程變形根本原因；劉曉明等[10]發(fā)現(xiàn)軟巖崩解過程是一個分形過程，體積擴容引起巷道變形；王永吉[11]發(fā)現(xiàn)，西部軟巖具有強度低、膠結(jié)差、易水解、易風(fēng)化和高流變等特性；宋朝陽等[12-14]研究發(fā)現(xiàn)，西部弱膠結(jié)砂巖具有二元結(jié)構(gòu)，水的化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕作用致使其細觀結(jié)構(gòu)強度弱化；魏曉剛等[15-17]采用流變損傷力學(xué)理論分析與試驗相結(jié)合的方法研究西部泥巖力學(xué)特性，在含水率相同的條件下，隨著圍壓的增加蠕變應(yīng)變應(yīng)力呈遞增的趨勢；周翠英等[18]認為特殊軟巖工程穩(wěn)定性問題不能單純從力學(xué)耦合角度去認識，必須重視水-巖相互作用的耦合場。

內(nèi)蒙古上海廟能源化工基地是國家級能源化工基地，目前僅有2對開采侏羅紀煤層的礦井建成投產(chǎn)，先后采用過格柵加強巷道底腳支護、鋼管混凝土支護、砼砌碹支護、錨網(wǎng)索噴+U形可縮支架聯(lián)合支護、桁架支護等特殊技術(shù)措施，但效果均不甚佳。多年來探索中發(fā)現(xiàn)，單純依靠支護材料革新、支護構(gòu)件細觀創(chuàng)新和支護體系參數(shù)調(diào)整，難以從根本上解決軟巖劣化效應(yīng)問題。如果不從源頭上解決“水”的問題，劣化效應(yīng)難以得到根本性控制。為此，提出“治軟先治水”、“大水防控、小水管理”等治理理念和技術(shù)措施，收到了較好的工程效果。為此介紹近年來一些經(jīng)驗做法，對區(qū)內(nèi)待建礦井有切實的借鑒意義，對西北侏羅紀煤田開發(fā)同樣有借鑒意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 能源化工基地概況

上海廟能源化工基地規(guī)劃14對礦井，規(guī)劃總產(chǎn)能4 500萬t/a。其中5對礦井開采石炭二疊系煤層，9對礦井開采侏羅系延安組煤層。侏羅紀煤田已建成2對礦井，其中新上海一號煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力400萬t，榆樹井煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力300萬t/a。2個井田南北相連，開采煤層、地質(zhì)條件、采煤方法等相同。上海廟能源化工基地總體規(guī)劃如圖1。

圖1 上海廟能源化工基地規(guī)劃圖Fig.1 M ap of Shanghaim iao energy chem ical base

1.2 地質(zhì)條件

地層自下而上簡述如下。

1）三疊系延長組（T3y）。中粗粒砂巖為主，夾粉砂巖及泥巖，最大揭露厚度522.03 m，富水性弱，與上覆地層假整合接觸。

2）侏羅系延安組（J2Y）。河流-湖泊-湖泊三角洲相碎屑巖沉積建造，厚度為159.75～345.94 m，平均為288.29 m。煤層頂?shù)装迳皫r呈透鏡體分布，單位涌水量為0.001 8～0.014 6 L/（s·m），滲透系數(shù)0.003～0.487 m/d。

3）侏羅系直羅組（J2Z）。由河湖相沉積的砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖組成，厚度0～280.31 m，平均119.07 m，底部中粗粒砂巖發(fā)育（俗稱“七里鎮(zhèn)砂巖”），單位涌水量0.008 4～0.117 L/（s·m），滲透系數(shù)0.023 3～0.681 2 m/d。

4）白堊系志丹群（K1ZD）。上部以粉砂巖、泥巖、細～粗粒砂巖為主，下部以礫巖為主。厚度122.03～300.1 m，平均188.28 m。單位涌水量0.006 5～0.074 6 L/（s·m），滲透系數(shù)0.005 5～0.388 3 m/d。

5）古近系（E）。以泥巖為主，次為細砂巖、粉砂巖、中粗砂巖及礫巖，半膠結(jié)。厚度9.20～75.45 m，平均31.75 m。

6）第四系（Q）。風(fēng)積沙丘或沖積沙土，厚度1.00～29.40 m，平均6.86 m。地層綜合柱狀如圖2。

圖2 地層綜合柱狀圖Fig.2 Composite histogram of strata

1.3 劣化效應(yīng)工程表現(xiàn)

將工程上表現(xiàn)出來的圍巖軟化、泥化、蠕變、膨脹、底鼓、下沉、收斂、噴漿層開裂、支護體系受損、支架陷底、水－砂混合流突涌等非穩(wěn)定工程現(xiàn)象，統(tǒng)稱為軟巖劣化效應(yīng)。

1）開拓工程報廢。榆樹井主、副斜井施工過半時因持續(xù)蠕變最終報廢；回風(fēng)大巷（錨網(wǎng)索噴+U形支架支護）680.5 m巷道蠕動變形嚴重而報廢；一號井副立井開掘馬頭門時井壁開裂，伴有突水、潰砂現(xiàn)象，被迫將一水平大巷標高上提80 m，下部80 m井筒充填處理。報廢巷道如圖3。

圖3 報廢的回風(fēng)大巷Fig.3 Abandoned return air main lane

2）回采巷道報廢。13804工作面2條煤巷均已掘進1 700 m，因后部變形擴容性膨脹和蠕動變形而報廢；13802工作面2條煤巷均已掘進1 200 m，因底鼓、頂板下沉而報廢。

3）返修工程量大。礦井的水平大巷均經(jīng)過多次返修，先采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護，成巷3個月后巷道變形失去使用功能；擴幫臥底后，采用錨網(wǎng)索噴+U形鋼棚支護，4個月后再次變形失去使用功能；最后采用錨網(wǎng)索+鋼筋砼砌碹支護，基本能滿足使用需要。

4）巷道閉合。11803工作面上巷沿空掘進（區(qū)段煤柱26 m），工作面回采約300 m時頂?shù)装逋耆]合，下巷高度不足1.2 m。閉合巷道如圖4。

圖4 頂?shù)装彘]合巷道Fig.4 Closed roadway w ith roof and floor

5）頂板淋水。煤層頂板砂巖層位和厚度不穩(wěn)定，錨桿、錨索孔水量可達5 m3/h，水中含砂，大量的生產(chǎn)實踐表明“有砂巖就有水，出水必出砂”。錨索孔出水（含砂）如圖5。

圖5 錨索孔出水（含砂）Fig.5 O utlet of a nchor c able h ole（containing sand）

6）底板泥化。巷道底板遇水泥化嚴重，綜掘機行走困難，來回移動會越陷越深，曾經(jīng)出現(xiàn)過綜掘機整體沒入巷道底板現(xiàn)象。人員行走困難，掘進效率低下，反底拱砼噴漿質(zhì)量受到影響。

7）采煤面底板軟化、泥化。頂板淋水使底板軟化、泥化，綜采支架陷底、刮板輸送機上翹，設(shè)備無法推移，經(jīng)常需要放炮降底。由于頂板淋水量大，采煤面甚至需要吊掛雨棚擋水以改善作業(yè)環(huán)境；老采空區(qū)涌水加劇工作面端頭底鼓變形，1個采煤隊作業(yè)通常需要2支掘進隊配合降底。

8）基巖突水潰砂。關(guān)于淺埋煤層開采誘發(fā)上部松散砂層突水潰沙的研究較多，對巨厚基巖下采煤引起的突水潰砂地質(zhì)災(zāi)害研究較少。2014年7月28日一號井111084工作面基巖突水潰砂，200 m長的工作面及回風(fēng)巷500 m、運輸巷1 500 m巷道均被泥砂淤塞，損失巨大?；鶐r水砂混合突涌已成為侏羅系煤田典型的地質(zhì)災(zāi)害[19]。

2 巖石特征測試

2.1 力學(xué)強度與含水率

2.1.1 抗壓試驗

采用WES－1000B型數(shù)字萬能試驗機，按DZ/T 0276.18—2015中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標準，以0.5～1.0 MPa/s的加載速度加荷?？箟簭姸扰c含水率測試數(shù)據(jù)見表1，其中抗壓強度試驗樣86個，平均抗壓強度試驗樣86個，含水率試驗樣76個。

表1 抗壓強度與含水率測試數(shù)據(jù)Table 1 Test data of compressive strength and moisture content

飽水狀態(tài)下單軸抗壓強度是天然狀態(tài)下的49%，是干燥狀態(tài)下的29.6%。軟巖指標化定義[20]：單軸抗壓強度σc＜25 MPa的巖石為膨脹性軟巖。本區(qū)為典型的膨脹性軟巖。兩者擬合關(guān)系式為：

式中：y1為抗壓強度，MPa；x1為含水率，%。

2.1.2 抗拉試驗

以0.3～0.5 MPa/s的加載速度加荷，直至試樣破壞。抗拉強度與含水率測試數(shù)據(jù)見表2，其中抗拉強度試驗樣72個，平均抗拉強度試驗樣72個，含水率試驗樣72個。

表2 抗拉強度與含水率測試數(shù)據(jù)Table2 Test data of tensile strength and moisture content

飽水狀態(tài)下巖石抗拉強度是天然狀態(tài)下的77.2%，是干燥狀態(tài)下的8.2%。兩者擬合關(guān)系式為：

式中：y2為抗拉強度，MPa；x2為含水率，%。

2.1.3 抗折試驗

以小于0.2 MPa/s的加載速度對試樣均勻加荷，直至試樣破壞，記錄破壞荷載。抗折強度與含水率測試數(shù)據(jù)見表3，其中抗折強度試驗樣81個，平均抗折強度試驗樣81個，含水率試驗樣73個。

表3 抗折強度與含水率測試數(shù)據(jù)Table3 Test data of flexural strength and moisture content

飽水狀態(tài)下抗折強度是天然狀態(tài)下的89.4%，是干燥狀態(tài)下的53.1%。兩者擬合關(guān)系式為：

式中：y3為抗折強度，MPa；x3為含水率，%。

2.2 礦物成分測試

采用X射線熒光光譜分析泥巖中各種礦物的含量。共測試49個泥巖樣，水敏性礦物含量高，泥巖礦物成分測試結(jié)果見表4。

表4 泥巖礦物成分測試成果Table 4 Test results ofmudstonem ineral composition

2.3 崩解試驗

采集煤層頂板砂巖做崩解性試驗如圖6。

圖6 砂巖浸水崩解試驗Fig.6 Immersion and disintegration test of sandstone

崩解試驗結(jié)果顯示：

1）5煤頂板砂巖。3個浸水3 min全崩解，6個浸水6 h后全崩解，2個浸水12 h后抗壓強度4.3 MPa。

2）8煤頂板砂巖。7個浸水3 min全崩解，5個浸水3 h后全崩解，1個浸水12 h后崩解。

3）15煤頂板砂巖。6個浸水3 min全崩解，4個樣3 h后全崩解，3個浸水12 h后抗壓強度3 MPa。

試驗表明，砂巖遇水易崩解，在水動力作用下具有流沙屬性，可以形成水砂混合流體，解釋了基巖突水潰砂的泥砂來源問題。

2.4 泥化試驗

泥巖泥化試驗過程如圖7。新采集煤層底板深灰色泥質(zhì)巖石樣如圖7（a），將巖樣浸入清水中5 min后碎裂如圖7（b），10 min后稍作攪動成泥漿如圖7（c）。試驗結(jié)果表明泥巖遇水極易泥化水解。

圖7 泥巖泥化試驗過程Fig.7 Mudstone argillation test process

2.5 巖石特征測試結(jié)論

通過巖石力學(xué)強度與含水率測試、礦物成分測試、巖石崩解試驗、巖石泥化試驗可得，巖石力學(xué)強度較低，砂巖膠結(jié)性差且遇水崩解，泥巖中水敏性礦物組分高且遇水泥化，是軟巖劣化效應(yīng)的物理力學(xué)內(nèi)因；軟化系數(shù)小，吸水后力學(xué)強度損失大，水對劣化效應(yīng)影響顯著。

3 劣化效應(yīng)控制技術(shù)

“大水防控”就是通過采取一系列的工程技術(shù)措施，防止突水潰砂事故發(fā)生；“小水管理”屬于生產(chǎn)管理范疇，管理好頂板淋水、底板滲水、生產(chǎn)用水等，努力減少水與圍巖接觸機會。“大水防控、小水管理”相關(guān)工程措施統(tǒng)稱為劣化效應(yīng)控制技術(shù)。

3.1 預(yù)先疏干

預(yù)先疏放水強以改變含水層富水性，從源頭上消除潰砂的水動力源；實現(xiàn)無水狀態(tài)下采煤，避免綜采支架陷底、刮板機上翹等問題；采空區(qū)無涌水，工作面可以下拉，有利于發(fā)揮刮板輸送機功效，可以放大面，提高工作面單產(chǎn)；提高錨桿、錨索的錨固質(zhì)量和反底拱砼噴漿質(zhì)量；改善作業(yè)環(huán)境、提高巷道掘進效率。

1）掘進工作面預(yù)疏放。采用履帶式全液壓坑道千米定向鉆機施工放水孔，每組3個鉆孔，鉆孔軌跡控制在煤層頂板上5 m左右的層位上，中孔位于巷道中軸線上，側(cè)幫孔與中孔間距6 m。鉆孔深度600～800 m（視巖性和鉆機性能而定），保持超前距20 m，掘進到位后停頭，進行下一輪放水孔施工。

2）疏干開采。工作面回風(fēng)巷、運輸巷內(nèi)每隔100 m施工1組鉆孔，每組鉆孔約24個，上層孔和下層孔均為12個；上層孔與下層孔仰角差15°左右；鉆孔平面夾角30°左右，終孔于導(dǎo)水?dāng)嗔褞ы斀绺浇?，孔深由工作面寬度和?dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨裙餐嬎愦_定。盡量保證平面上、空間上全覆蓋，確保疏放水無盲區(qū)。采取疏干措施采面上不再有淋水現(xiàn)象，基本實現(xiàn)無水開采狀態(tài)（涌水量小于3 m3/h）。采取疏放水措施前后采面作業(yè)環(huán)境對比如圖8。可以看出疏放后采場作業(yè)環(huán)境得到極大改善，有效提高生產(chǎn)效率。2016年以來，施工放水孔9千余個，總進尺約86萬m，總放水408.8萬m3，合噸煤放水0.146 m3。

圖8 采場作業(yè)環(huán)境對比Fig.8 Comparison of working environment in coal face

3.2 底拱隔水

巷道底板設(shè)計成倒拱形，拱高約40 mm。巷道開挖后，先噴射厚度約100 mm砂漿砼；按間排距800 mm×800 mm打注底板錨桿；然后鋪設(shè)1層金屬網(wǎng)，壓上鋼筋梯，堅固鏍栓；最后噴1層厚約150 mm砂漿砼。

錨桿、金屬網(wǎng)、砼噴漿層共同構(gòu)成支護體系，強化巷道底板承載能力，同時起到水巖隔絕作用。

3.3 漏斗接水

井下零星的淋水點必須以漏斗狀容器接水，漏斗下方連接軟質(zhì)膠管，水通過膠管導(dǎo)入下一級較粗的軟管內(nèi)，禁止水落地。漏斗接水如圖9。

圖9 漏斗接水Fig.9 Funnel receiving water

3.4 廣布雨棚

巷道頂板大面積淋水情況下，必須搭設(shè)雨棚。以金屬網(wǎng)做成槽狀骨架，敷上廢舊風(fēng)筒布做成雨棚。吊掛時雨棚一端略傾斜，泄水口以漏斗狀容器接水，以軟管導(dǎo)入下一級導(dǎo)水軟管內(nèi)，施工現(xiàn)場如圖10。

圖10 廣布雨棚Fig.10 Hanging canopy

3.5軟管導(dǎo)流

凡是能安裝軟管的均應(yīng)安裝軟管導(dǎo)水，多根軟管并聯(lián)接到下一級直徑較大的導(dǎo)水管內(nèi)，通過由細至粗的導(dǎo)水管逐級將水導(dǎo)入水倉內(nèi)，巷道內(nèi)不設(shè)排水溝。

3.6 水窩泄壓

現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，底板有滲水時底鼓量較輕，無滲水時底鼓反而更加明顯。巷道底板賦存不穩(wěn)定的砂巖含水層，水量不大但靜水壓可達4 MPa。當(dāng)巷道底板為砂巖時，通過滲流釋放水壓；當(dāng)巷道底板有隔水層時，水壓持續(xù)作用隔水層上，靜水壓力促進底鼓。

在巷道一側(cè)挖掘1個深約2.5、1 m見方的水窩釋放靜水壓力，有利于底鼓變形控制。

3.7 集中排放

水通過漏斗、軟管、風(fēng)動泵等匯集到間距約100 m的水窩內(nèi)，水窩內(nèi)安裝小功率的潛水電泵排入巷道入口處集水倉內(nèi)，然后通過功率較大的潛水電泵排入采區(qū)水倉，實現(xiàn)到逐級排水，不設(shè)水溝。

3.8 噴漿封閉

井下空氣濕度經(jīng)常處于過飽和狀態(tài)，煤巖體從空氣中吸收水分后擴容壓力巨大，尤其是裸露的泥巖吸水后體積膨脹更為顯著。

煤層較薄、破頂板或底板巖石掘進的巷道，應(yīng)及時噴漿封閉，減少巖石在空氣中暴露時間。

4 工程效果

4.1 巷道變形控制

采用十字線觀測法觀測巷道變形量，觀測點設(shè)置如圖11。

圖11 十字線觀測點Fig.11 Crosshair observation points

巷道斷面收斂率按下式計算：

式中：γi為巷道斷面收斂率，無量綱；a、b、c、d分別為十字線中心點到巷道頂板、底板、左幫、右?guī)偷木嚯x，mm；a0、b0、c0、d0為初始觀測數(shù)據(jù)，mm；ai、bi、ci、di為第i天觀測的數(shù)據(jù)，mm。

11504回風(fēng)巷、11504運輸巷、11505回風(fēng)巷、115205運輸巷等回采巷道于2014年以前放工，11507回風(fēng)巷、11507運輸巷、11508回風(fēng)巷等回采巷道于2018年以后施工，支護方式、支護參數(shù)相同。2014年以前施工的巷道，斷面收斂率達到40.752%，2018以后施工的巷道斷面收斂率最大10.673%，控制程度達到73.8%。根據(jù)巷道變形觀測數(shù)據(jù)，繪制的斷面收斂率與成巷時間相關(guān)性曲線如圖12。

圖12 收斂率與成巷時間相關(guān)性曲線Fig.12 Correlation curves between convergence rate and time of roadway formation

4.2 采煤效率

采煤工作面平均月產(chǎn)量歷年變化曲線如圖13。

圖13 歷年平均單面月產(chǎn)量曲線Fig.13 Calendar year averagemonthly output curve on one side

2014年以前2對礦井共回采了13個工作面，平均單面月產(chǎn)原煤8.1萬t；2014年以后已回采7個工作面，生產(chǎn)效率穩(wěn)步提升，2019年單面月產(chǎn)原煤達到46.3萬t。

4.3 掘進效率

歷年平均月進尺曲線如圖14。

圖14 歷年平均月進尺曲線Fig.14 Calendar year averagemonthly footage curve

2014年以前煤巷道平均月進尺190.6 m，2015年以后在機械化程度沒有顯著提高的情況下，增加了反底拱工序后掘進效率仍穩(wěn)步提升，2020年114157運輸巷月成巷進尺達到620.3 m。

5 結(jié) 語

1）軟巖劣化效應(yīng)不限于井巷工程失穩(wěn)問題，也包括作業(yè)環(huán)境惡化、水砂混合突涌地質(zhì)災(zāi)害等。巖石自身的物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、水理性質(zhì)是劣化效應(yīng)的物理內(nèi)因，水則是外部誘因，且是關(guān)鍵性影響因素。支護是控制劣化效應(yīng)的基本手段，但單純依靠支護材料革新、支護構(gòu)件細觀創(chuàng)新以及支護體系參數(shù)調(diào)整，難以根本性解決問題。

2）“大水防控、小水管理”工程措施的實施，巷道變形控制程度提高了73.8%；原煤生產(chǎn)效率提高了471%；掘進效率提高了173%?！按笏揽?、小水管理”是控制軟巖劣化效應(yīng)最直接、最經(jīng)濟、最有效的輔助手段。

3）膨脹性軟巖劣化效應(yīng)是受多因素復(fù)合影響的系統(tǒng)性問題，從地質(zhì)條件分析和實驗入手，通過巷道收斂率、原煤生產(chǎn)效率和掘進效率的前后對比，試圖透過現(xiàn)象說明相關(guān)工程措施的可行性，較少涉及災(zāi)變機理，這是今后進一步研究的方向。