深部高應(yīng)力富水軟巖巷道底鼓機(jī)理及控制技術(shù)

王文利，孫亮明

(1.武漢交通職業(yè)學(xué)院 交通工程學(xué)院，湖北 武漢 430065；2.武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070)

隨著煤礦采深的逐步增加，巷道底鼓變形日益嚴(yán)重，深部巷道中底鼓量能占到頂?shù)装逡平康?2/3～3/4，底鼓嚴(yán)重影響了巷道的正常使用和運(yùn)輸要求，底鼓治理已成為深部高應(yīng)力巷道支護(hù)的突出難題[1-3]。

近年來(lái)，相關(guān)專家學(xué)者[2,4]對(duì)深部高應(yīng)力巷道底鼓機(jī)理、影響因素及控制方法開(kāi)展了大量的研究工作，針對(duì)不同底鼓類型提出了相應(yīng)的治理方法，主要有挖底法、加固法和卸壓法[5-7]。挖底法治標(biāo)不治本，一般用于底鼓不嚴(yán)重的輔助巷道；加固法[8-12]是對(duì)底板進(jìn)行支護(hù)，通過(guò)提高底板圍巖強(qiáng)度來(lái)控制底鼓，一般用于主要運(yùn)輸大巷；卸壓法[2，13]主要用于高應(yīng)力巷道，一般與加固法配合使用。注漿加固方法作為一種巷道加固常用的方法，其施工效率高，控制效果好，尤其適用于深部高應(yīng)力巷道底鼓治理[14-17]。但普通的底板注漿加固技術(shù)注漿錨索預(yù)應(yīng)力較低，不能充分發(fā)揮底板錨索的支護(hù)作用，再加上在底板施工錨索前不進(jìn)行注漿，致使打設(shè)錨索孔時(shí)塌孔嚴(yán)重，施工效率較低。

目前，對(duì)于深部高應(yīng)力富水軟巖的底鼓變形機(jī)理研究相對(duì)較少。富水軟巖巷道不但應(yīng)力較高，且?guī)r層強(qiáng)度較低，軟巖中的膨脹性礦物質(zhì)遇水后節(jié)理、裂隙急劇增加，進(jìn)一步降低了巖體的強(qiáng)度和完整性，導(dǎo)致圍巖錨固性降低，傳統(tǒng)的錨固劑難以在水中對(duì)錨桿進(jìn)行錨固，嚴(yán)重制約了底板錨桿和錨索的錨固作用。針對(duì)上述問(wèn)題，以胡底礦盤區(qū)水泵房為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，分析了水泵房底鼓變形破壞機(jī)理，基于UDEC-Trigon 離散元模擬方法分析了影響底鼓變形的主要因素，并研發(fā)了新型耐水錨固劑，徹底解決了胡底礦盤區(qū)水泵房高應(yīng)力富水軟巖的底鼓問(wèn)題。

1 工程概況及底鼓影響因素

1.1 工程概況

胡底礦位于晉城市沁水縣胡底鄉(xiāng)，主采3號(hào)煤層，該礦井實(shí)際生產(chǎn)能力為1.2 Mt/a，目前正在布置盤區(qū)水泵房。水泵房埋深700 m左右，布置在3號(hào)煤層上部10 m處的砂質(zhì)泥巖中，泥巖強(qiáng)度低、易風(fēng)化，具有一定的流變特性，遇水易發(fā)生崩解、膨脹變形。水泵房頂板和兩幫變形極其嚴(yán)重，局部頂板下沉量達(dá)到1.0 m以上，底鼓量達(dá)到2.0 m以上，嚴(yán)重影響了水泵房設(shè)備的安裝。

3號(hào)煤層厚度6.07 m，傾角3°，直接頂為泥巖，強(qiáng)度為23.53 MPa，厚度2.89 m；老頂為中粒砂巖，強(qiáng)度為80.24 MPa，厚度4.8 m；直接底為泥巖，強(qiáng)度為30.18 MPa。

水泵房底板的巖層礦物中富含黏土礦物，高嶺石占比達(dá)到60%以上，強(qiáng)度較低。同時(shí)，大巷上部砂巖中富含裂隙水，淋水嚴(yán)重，底板泥巖遇水泥化，從而出現(xiàn)強(qiáng)烈底鼓變形?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的最大水平主應(yīng)力為25.23 MPa，最小水平主應(yīng)力為13.76 MPa，垂直主應(yīng)力為17.50 MPa，屬于高地應(yīng)力區(qū)，且最大水平主應(yīng)力方向與水泵房軸向近似垂直，水泵房受力狀態(tài)較差。

1.2 底鼓影響因素

整體來(lái)看，水泵房變形具有明顯的全區(qū)域、持續(xù)性及連鎖性的變形特點(diǎn)，根據(jù)水泵房底板變形破壞的特點(diǎn)，可以得出影響底鼓的因素主要有:

1)地應(yīng)力的作用。盤區(qū)水泵房區(qū)域?qū)儆诟邞?yīng)力區(qū)，且最大主應(yīng)力與水泵房垂直，硐室穩(wěn)定性較差，在高水平主應(yīng)力作用下底板易出現(xiàn)擠壓流動(dòng)性變形破壞。

2)巖層強(qiáng)度低、底板泥巖遇水軟化。水泵房底板巖層中富含膨脹性礦物成分，其高嶺石含量達(dá)到60%以上，具有很強(qiáng)的遇水膨脹性，實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)的巖體飽水單軸抗壓強(qiáng)度僅為9.86 MPa，為原巖強(qiáng)度的25%，在水的影響下，底板巖層強(qiáng)度出現(xiàn)大幅度降低，嚴(yán)重影響了底板的穩(wěn)定性。

3)支護(hù)方式不合理。原來(lái)的多次加固均是對(duì)巷幫和頂板，一直未對(duì)底板進(jìn)行處理，同時(shí)，頂板支護(hù)時(shí)，未處理頂板淋水，導(dǎo)致頂板淋水對(duì)底板泥巖影響較大。底板處理以挖底為主，頻繁的挖底使底板巖層的整體性變差，更加劇了底板的變形。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型的構(gòu)建

選取隨機(jī)多邊形塊體模型，自定義Fish將多邊形塊體切割成三角形塊體，三角形塊體接觸模型見(jiàn)圖1。

圖1 UDEC中的三角形塊體及接觸示意圖

模型賦予的初始地應(yīng)力場(chǎng)采用胡底礦井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，模型中的巖體力學(xué)參數(shù)按照實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減[2]，折減系數(shù)取0.55。模型共7層，由3 430個(gè)塊體組成，其中巷道中心塊體邊長(zhǎng)為0.25 m。模型整體尺寸為75 m×47 m(長(zhǎng)×高)。塊體選用莫爾-庫(kù)侖模型，賦值參數(shù)為密度、體積模量和切變模量；接觸面選用庫(kù)侖滑移模型，賦值參數(shù)為法向剛度、剪切剛度、接觸黏聚力、接觸摩擦角和接觸面抗拉強(qiáng)度。模型的各參數(shù)賦值見(jiàn)表1。

表1 UDEC中塊體及接觸面的模型參數(shù)

2.2 巷道圍巖應(yīng)力分析

為了模擬水泵房開(kāi)挖過(guò)程中圍巖應(yīng)力的演化過(guò)程，將巷道開(kāi)挖過(guò)程中的應(yīng)力釋放系數(shù)分別定為β=0.2，0.4，0.6，0.8，1.0。當(dāng)β=1.0時(shí)，表示巷道開(kāi)挖完成，圍巖穩(wěn)定。巷道開(kāi)挖后主應(yīng)力σmax分布見(jiàn)圖2。

圖2 巷道圍巖內(nèi)的最大主應(yīng)力分布

由圖2可見(jiàn)，隨著應(yīng)力的釋放，圍巖破壞范圍逐步向深部轉(zhuǎn)移，當(dāng)應(yīng)力釋放系數(shù)達(dá)到0.4時(shí)，巷幫呈現(xiàn)楔子型破壞；當(dāng)應(yīng)力釋放系數(shù)超過(guò)0.4時(shí)，巷幫達(dá)到穩(wěn)定，底板逐步出現(xiàn)破壞；當(dāng)應(yīng)力完全釋放時(shí)，底板破壞范圍最大。整體來(lái)看，頂板應(yīng)力釋放區(qū)較小，巷幫次之，底板最為嚴(yán)重，現(xiàn)場(chǎng)破壞與之相似，見(jiàn)圖3。

(a)現(xiàn)場(chǎng)

2.3 巷道圍巖位移分析

巷道圍巖位移監(jiān)測(cè)曲線見(jiàn)圖4，圖4中P1～P4分別為頂板下沉、底鼓、左幫變形和右?guī)妥冃螠y(cè)點(diǎn)。從圖4 中可以看出，巷幫位移增長(zhǎng)速度較快，底板次之，頂板最慢。當(dāng)應(yīng)力釋放系數(shù)為0.4時(shí)，巷幫和底板位移大約為0.2 m；當(dāng)應(yīng)力釋放系數(shù)超過(guò)0.4時(shí)，圍巖底板位移增加速度超過(guò)巷幫，底板位移最大，巷幫次之，頂板最小。

圖4 模擬的巷道圍巖位移監(jiān)測(cè)曲線

對(duì)底板9 m范圍內(nèi)的位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖5中可以看出，底板破壞深度達(dá)到 3 m，這說(shuō)明開(kāi)挖后底板就已經(jīng)產(chǎn)生了較深的破壞，再加上后期淋水、挖底的影響，底板破壞深度更大。

圖5 位移隨底板深度的分布曲線

2.4 巷道圍巖破壞模式分析

為了分析底板圍巖的變形破壞機(jī)制，記錄了底板圍巖裂隙發(fā)育過(guò)程，圍巖裂紋分布及演化過(guò)程見(jiàn)圖6。由圖6可以看出，巷道開(kāi)挖后圍巖出現(xiàn)拉剪破壞，剪切破壞位于深部，而拉伸破壞主要位于淺部。當(dāng)應(yīng)力完全釋放后，底板出現(xiàn)大范圍的拉伸破壞和剪切破壞，拉伸破壞裂隙密集，圍巖在應(yīng)力作用下向自由空間移近。

注:紅色表示剪切破壞；藍(lán)色表示拉伸破壞。

3 深部高應(yīng)力富水軟巖巷道底鼓控制技術(shù)

3.1 底鼓控制原則

基于胡底礦盤區(qū)水泵房地質(zhì)環(huán)境、底板破壞機(jī)理，提出硐室底板控制原則[18-19]如下:

1)底板加固與幫頂協(xié)調(diào)原則。硐室底板處于全斷面中支護(hù)強(qiáng)度最薄弱的區(qū)域，加固時(shí)底板支護(hù)強(qiáng)度一定要與幫頂支護(hù)強(qiáng)度相協(xié)調(diào)，避免硐室從關(guān)鍵薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)破壞。

2)加固與支護(hù)聯(lián)合控制原則。由于硐室頻繁底鼓，多次返修，致使底板破壞深度較深，破壞深度已達(dá)3 m以上，淺部底板巖層已非常松軟破碎，再加上巷道頂板淋水的影響，底板巖層節(jié)理、裂隙極其發(fā)育。因此，支護(hù)前必須進(jìn)行注漿加固，以提高底板圍巖的強(qiáng)度和完整性，封閉裂隙通道，防止風(fēng)化的進(jìn)一步加劇，然后再進(jìn)行錨索支護(hù)，這樣才能充分發(fā)揮錨索的支護(hù)作用。

3)高預(yù)應(yīng)力、全長(zhǎng)錨固支護(hù)原則。對(duì)于返修底板巖層，底板應(yīng)力已得到釋放，底板加固時(shí)一定要堅(jiān)持高預(yù)應(yīng)力支護(hù)原則，盡可能采用全長(zhǎng)錨固，大幅度提高底板支護(hù)剛度，避免底板巖層出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)、滑移，在錨索錨固區(qū)內(nèi)形成高剛度承載結(jié)構(gòu)，抑制錨固區(qū)內(nèi)出現(xiàn)離層。

3.2 新型防水錨固劑研發(fā)

普通錨固劑在有水的鉆孔中錨固性能較差，錨固力僅為無(wú)水情況下的40%左右，不能充分發(fā)揮錨桿(索)的支護(hù)作用，易導(dǎo)致圍巖仍會(huì)出現(xiàn)持續(xù)變形。針對(duì)胡底礦盤區(qū)水泵房的實(shí)際情況，自主研發(fā)了新型防水錨固劑，其型號(hào)為FS2350。該錨固劑以ER-1為樹(shù)脂，以改性聚酯PM-1為主劑，與粗細(xì)石粉混合，配制成A組分，然后選用在水中可以固化的固化劑I與界面劑配制成B組分。錨固劑分為A、B 兩種組分，其中m(樹(shù)脂)∶m(固化劑)=2.5∶1，m(主劑)∶m(固化劑)=5∶1。在實(shí)驗(yàn)室對(duì)傳統(tǒng)錨固劑和耐水錨固劑進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，錨索直徑為22 mm，錨固長(zhǎng)度為 700 mm，錨固后4 h進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn):在有水的情況下，傳統(tǒng)錨固劑錨固力為68.4 kN,新型耐水錨固劑錨固力達(dá)到195.4 kN，是傳統(tǒng)錨固劑的2.86倍。

新型錨固劑在水中的錨固力要顯著大于傳統(tǒng)錨固劑的錨固力，其能有效解決底板鉆孔在有積水時(shí)的錨索錨固問(wèn)題，為底板錨索的有效支護(hù)提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.3 控制方案

由于底板圍巖破碎嚴(yán)重，單液漿凝固時(shí)間較長(zhǎng)，容易跑漿、漏漿，可采用水泥漿和水玻璃雙液漿，縮短凝固時(shí)間。漿液濃度太低時(shí)容易漏漿，濃度過(guò)高則不能滲透至較小裂隙中去，宜選用水灰質(zhì)量比 1∶1 的配比，水泥漿和水玻璃體積比宜為1∶0.4。底板施工鉆孔時(shí)，宜采用小孔徑地質(zhì)鉆機(jī)，考慮到排渣方便，直徑為45～60 mm為宜，孔深要超過(guò)破碎區(qū) 2～3 m，圍巖破碎時(shí)注漿壓力不宜過(guò)高，注漿壓力為 2～3 MPa，壓力較低時(shí)，漿液滲透范圍通常為1～2 m。施工注漿錨索時(shí)，為便于打孔，可采用小鉆孔地質(zhì)鉆機(jī)，鉆孔直徑45～60 mm。錨索適合的預(yù)應(yīng)力為破斷載荷的30%～50%，錨索間排距為自由段長(zhǎng)度的1/2，錨索錨固長(zhǎng)度通常為2 m以上。綜合考慮上述因素，錨索長(zhǎng)度不宜小于6 m，間排距不宜大于 2 m?？刂品桨妇唧w參數(shù)如下:

1)底板雙液漿注漿。采用水泥漿和水玻璃雙液漿，其中水泥漿水灰質(zhì)量比1∶1，XPM添加劑使用量為水泥質(zhì)量的10%，水玻璃濃度40 Be′，模數(shù)M=3.0，水泥漿和水玻璃的體積比為1∶0.4。

注漿鉆孔直徑56 mm，孔深6 000 mm，排距 1 800 mm，間距2 000 mm?？卓诼裨O(shè)長(zhǎng)800 mm的注漿鋼管，直徑25 mm，外接球閥，孔內(nèi)連接5 000 mm長(zhǎng)的白塑料射漿管，射漿管與注漿鋼管采用鐵絲綁扎，注漿鋼管與鉆孔縫隙采用水泥和棉紗封堵，封堵長(zhǎng)度 800 mm，注漿終壓2～3 MPa。

2)在水泵房底板全部注漿完成后施工注漿錨索，底板注漿錨索鉆孔直徑56 mm，深度7 000 mm，錨索直徑21.6 mm，長(zhǎng)度7 300 mm，排距1 800 mm，間距1 600 mm，采用分次全長(zhǎng)錨固。首先采用新型防水錨固劑FS2350錨固，錨固完成后安裝鋼筋網(wǎng)和 ?20 mm 鋼筋梯梁，張拉至250 kN,并進(jìn)行注漿，形成錨索全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固。

3.4 底板變形量監(jiān)測(cè)及分析

在水泵房底板加固后對(duì)底板變形量進(jìn)行觀測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果和硐室實(shí)物圖分別見(jiàn)圖7和圖8。

圖7 水泵房圍巖位移曲線

圖8 水泵房底板支護(hù)狀況

硐室底板加固后，對(duì)水泵基礎(chǔ)進(jìn)行了澆筑，安裝設(shè)備，90 d后，底板基礎(chǔ)未見(jiàn)明顯變化，基礎(chǔ)無(wú)變形、無(wú)開(kāi)裂的現(xiàn)象。從圍巖變形量來(lái)看，底板加固后40 d內(nèi)，底鼓量呈現(xiàn)出逐步增加的趨勢(shì)，然后在40～60 d內(nèi)逐步穩(wěn)定，底鼓量最大僅為23 mm，不影響底板基礎(chǔ)的穩(wěn)定。

4 結(jié)論

1)胡底礦盤區(qū)水泵房底鼓以擠壓流動(dòng)性底鼓和膨脹性底鼓為主，底鼓呈全區(qū)域、持續(xù)性和連鎖性變形特征。

2)底板錨注技術(shù)有效充填了圍巖裂隙，提高了圍巖的完整性和力學(xué)特性，改善了圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，控制效果良好。

3)自主研發(fā)了新型防水錨固劑FS2350，該錨固劑能有效解決底板鉆孔在有積水下的錨索錨固問(wèn)題，為底板錨索的有效支護(hù)提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4)井下試驗(yàn)表明，注漿加固和注漿錨索聯(lián)合控制技術(shù)有效控制了硐室底板圍巖變形，有效解決了深部破碎大斷面硐室底板圍巖的控制難題。