高應(yīng)力紅頁巖巷道失穩(wěn)機(jī)理與控制技術(shù)研究

張東岳，馬振乾,2，梁旭超，陳安民，羅 超，丁萬奇

(1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.河南理工大學(xué)深井瓦斯抽采與圍巖控制技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454003；3.貴州政立礦業(yè)有限公司，貴州 開陽 550300)

貴州省是我國礦產(chǎn)資源大省，磷礦儲量26.95億t，居全國第3位，其中富礦占全國總量的44%，是我國主要的磷礦資源產(chǎn)地和磷化工基地之一[1]。貴州省磷礦資源分布區(qū)域較集中，共分為4個(gè)礦集區(qū)，目前開發(fā)強(qiáng)度較大的為開陽-息烽礦集區(qū)和甕安-福泉礦集區(qū)。其中，開陽磷礦作為我國少有的富磷礦床，主要開采震旦系上統(tǒng)陡山沱組的磷塊巖，礦井開拓及采準(zhǔn)工程多布置在礦體下方的紅頁巖中。紅頁巖是一種比較特殊的沉積巖，層理明顯，層間厚度不大，暴露后風(fēng)化速度快，具有遇水膨脹、泥化的特性，如不及時(shí)進(jìn)行支護(hù)和封閉，極易引發(fā)片幫和冒頂。目前，開陽磷礦區(qū)多個(gè)礦山開拓及采準(zhǔn)工程進(jìn)入到+600～+800 m水平，埋深達(dá)到500～800 m，在高應(yīng)力作用下紅頁巖脆性減弱，塑性增強(qiáng)，表現(xiàn)出明顯的高應(yīng)力軟巖的特性。在馬路坪礦[2-3]、沙壩土礦[4]、青菜沖礦[5]等多個(gè)礦山中，紅頁巖巷道均出現(xiàn)了噴層開裂剝落、錨桿失效、局部片幫冒頂、嚴(yán)重底鼓等現(xiàn)象，巷道需要反復(fù)維修，對礦山的正常生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。

在高應(yīng)力紅頁巖巷道失穩(wěn)破壞機(jī)理方面，馬春德[2]采用離散元數(shù)值模擬分析了深部紅頁巖巷道開挖后圍巖應(yīng)力和位移分布特征，解釋了巷道圍巖變形的發(fā)展趨勢和規(guī)律；李地元等[6]通過對開陽磷礦青菜沖礦的紅頁巖現(xiàn)場取樣，研究了干濕循環(huán)作用下紅頁巖靜態(tài)力學(xué)特性；廖九波等[7]采用顆粒流軟件PFC對馬路坪礦750中段紅頁巖巷道開挖后圍巖變形破壞規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，探討了圍巖各個(gè)關(guān)鍵部位的位移分布特征；李夕兵等[8]對比分析了不同動(dòng)力擾動(dòng)下紅頁巖巷道圍巖拉伸裂紋和剪切裂紋擴(kuò)展情況，提出隨著擾動(dòng)波強(qiáng)度的增加，模型中裂紋數(shù)量顯著增加，且以拉伸破壞為主；何忠國等[9]統(tǒng)計(jì)了開磷集團(tuán)青菜沖礦10個(gè)中段開拓巷道的5 279條結(jié)構(gòu)面，得出礦體下盤的紅頁巖節(jié)理較發(fā)育且延伸距離較大是造成開拓巷道維護(hù)困難的重要原因。

在高應(yīng)力紅頁巖巷道控制技術(shù)方面，馬春德[2]研制出了一種適用于高應(yīng)力大變形巖體的波浪式協(xié)調(diào)變形吸能錨桿，在現(xiàn)場施工中取得了良好的支護(hù)效果；江軍生等[3]、李夕兵等[10]針對馬路坪礦紅頁巖巷道嚴(yán)重底臌問題，提出增設(shè)底角錨桿、底板錨桿及加筋混凝土底板控制底臌方案；WANG等[11]在研究深部紅頁巖地質(zhì)特性的基礎(chǔ)上，提出了巷道掘進(jìn)地壓控制技術(shù)；姚金蕊等[12]將鋼纖維混凝土應(yīng)用于深部紅頁巖巷道支護(hù)中，大大改善了支護(hù)效果，為深部開采提供了有力的安全保障；吳強(qiáng)等[13]、王大勇[14]、宋仕毅等[15]實(shí)測了紅頁巖巷道圍巖位移變化規(guī)律，為紅頁巖巷道優(yōu)化支護(hù)方案提供了依據(jù)。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者在紅頁巖巷道失穩(wěn)機(jī)理及控制技術(shù)方面做了大量研究，解決了大量的工程難題，但由于紅頁巖賦存環(huán)境千差萬別，影響巷道圍巖失穩(wěn)的關(guān)鍵因素不盡相同，在高應(yīng)力紅頁巖巷道控制理論與技術(shù)方面仍需要進(jìn)一步深入研究。本文以貴州政立礦業(yè)有限公司平安磷礦二礦844交叉口至溜井段巷道為研究對象，通過鉆孔窺視掌握圍巖裂隙發(fā)育程度，采用格柵拱架與錨管注漿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，嘗試解決平安磷礦二礦紅頁巖巷道圍巖變形量大的難題，以保證礦井的安全生產(chǎn)。

1 工程地質(zhì)概況

平安磷礦二礦位于貴陽市開陽縣金中鎮(zhèn)境內(nèi)，礦區(qū)面積為0.95 km2，礦山生產(chǎn)能力為30萬t/a。礦井為平硐開拓，開采深度為+1 130～+600 m標(biāo)高。844中段運(yùn)輸巷道布置在磷礦下盤的紅頁巖中，巷道布置如圖1所示。

紅頁巖表現(xiàn)為明顯的薄層狀層理構(gòu)造，層理間距從幾毫米到十幾厘米不等(圖2)。層理對巖石強(qiáng)度和巖石變形程度產(chǎn)生較大的影響，導(dǎo)致巖體具有明顯的各向異性。巖石力學(xué)測試結(jié)果[2]表明：當(dāng)加載方向與層理方向夾角為90°時(shí)，巖石力學(xué)強(qiáng)度最大，單軸抗壓強(qiáng)度接近45 MPa；當(dāng)此夾角為30°時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度僅為22.5 MPa，降低了50%。加載方向與層理方向夾角為0°時(shí)紅頁巖的彈性模型最大，同樣當(dāng)此夾角為30°時(shí)，彈性模型最小(圖3)。

采用全自動(dòng)壓汞儀測試了自然狀態(tài)和吸水48 h后紅頁巖樣品的孔徑分布(圖4)。 自然狀態(tài)下紅頁巖孔隙總體積為0.050 9 mL/g，孔隙率為1.62%。紅頁巖吸水48 h后孔隙總體積為0.064 5 mL/g，孔隙率增大至1.77%。由圖4可以看出，紅頁巖內(nèi)部孔隙孔徑主要集中在0～50 nm與10～200 μm的范圍內(nèi)，由于水只有在非常大的水壓力梯度作用下才能在0～50 nm的孔隙中流動(dòng)，因此吸水對其影響較小。 自然狀態(tài)下孔徑在10～200 μm的微孔隙占總孔隙體積的37.45%，吸水后占比增加至45.82%，因此，吸水后引發(fā)的巖石強(qiáng)度弱化是紅頁巖巷道失穩(wěn)破壞的重要原因。

圖1 844中段運(yùn)輸巷道布置圖Fig.1 844 sub-level transportation roadway layout

圖2 平安磷礦二礦紅頁巖層理構(gòu)造Fig.2 Bedding structure of red shale in No.2 mine ofPing’an phosphate mine

圖3 不同加載方向與紅頁巖層理夾角下試件的力學(xué)參數(shù)Fig.3 Mechanical parameters of red shale under differentangle between loading direction and red shale bedding

圖4 紅頁巖樣品孔徑分析Fig.4 Pore size analysis of red shale samples

圖5是對紅頁巖試樣進(jìn)行電鏡掃描所得到的SEM圖像。由圖5可以看出，黏土礦物的主要單晶形態(tài)是不規(guī)則的片狀結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)[16]，且聚集態(tài)主要呈復(fù)雜的多層交叉支撐結(jié)構(gòu)，微孔形態(tài)多為不規(guī)則的多邊形。

2 巷道變形破壞特征及失穩(wěn)原因

試驗(yàn)段巷道原支護(hù)為錨網(wǎng)噴支護(hù)，2016年巷道出現(xiàn)明顯變形后對其進(jìn)行擴(kuò)刷，修復(fù)后仍采用錨網(wǎng)噴支護(hù)。目前巷道頂部開裂、底臌嚴(yán)重，呈現(xiàn)全斷面破壞，巷道頂?shù)滓平吭?00～700 mm之間，巷道高度2.7～2.9 m(圖6)。

本文采用CXK12(A)-Z礦用本安型鉆孔窺視儀對844中段運(yùn)輸巷道進(jìn)行鉆孔窺視，布置2個(gè)測站，距離巷道交叉點(diǎn)的距離分別為20 m和30 m，頂板鉆孔深8 m，幫部鉆孔深4 m，典型測試結(jié)果如圖7所示。 由此可見，巷道擴(kuò)刷后孔口在0.5～0.8 m之間，圍巖破碎十分嚴(yán)重，頂板裂隙發(fā)育范圍在1.5～1.8 m，幫部裂隙發(fā)育范圍在2.5～4.0 m。

圖6 巷道變形破壞特征Fig.6 Roadway deformation and failure characteristics

圖7 鉆孔窺視圖Fig.7 Borehole camera images

根據(jù)巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境和圍巖巖性綜合分析，紅頁巖巷道破壞的主要原因如下所述。

1) 巷道埋深大，水平應(yīng)力高。巷道實(shí)際埋深近600 m，垂直應(yīng)力在15 MPa左右，且洋水礦區(qū)地應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，最大主應(yīng)力方向與洋水背斜的走向基本相同，呈近南北向。巷道開挖后水平應(yīng)力向頂?shù)装寮?，引起巷道頂?shù)装宓淖冃纹茐摹?/p>

2) 上層礦柱的影響。試驗(yàn)段巷道上方為礦柱，距離磷礦層在25 m以內(nèi)。磷礦石回采造成礦柱應(yīng)力集中，且集中應(yīng)力向底板傳播，在其影響作用下紅頁巖巷道圍巖應(yīng)力迅速增大，數(shù)倍于原巖應(yīng)力，是引起巷道破壞的重要原因。

3) 圍巖強(qiáng)度較低，自穩(wěn)能力差。平安磷礦二礦紅頁巖傾角為30°～40°，對巷道的安全控制較為不利。同時(shí)紅頁巖也表現(xiàn)出明顯的高應(yīng)力軟巖的特性，軟化臨界荷載為單軸抗壓強(qiáng)度的70%～80%。因此，紅頁巖并非常見的地質(zhì)軟巖，它在低應(yīng)力狀態(tài)下仍表現(xiàn)出脆性巖石的變形特征，但在高應(yīng)力條件下會發(fā)生明顯的脆延轉(zhuǎn)化，出現(xiàn)顯著的塑性變形，表現(xiàn)出明顯的工程軟巖特征。

4) 支護(hù)方案不合理。原方案采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，錨桿為管縫式錨桿，預(yù)緊力較低，支護(hù)初期的支護(hù)強(qiáng)度較低，難以有效限制巷道圍巖變形。巷道松動(dòng)破壞范圍大，未進(jìn)行注漿加固，在礦柱集中應(yīng)力及采動(dòng)應(yīng)力共同作用下巷道出現(xiàn)嚴(yán)重變形破壞。

3 控制對策及關(guān)鍵技術(shù)

結(jié)合現(xiàn)有的巷道支護(hù)理論與技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)紅頁巖巷道的穩(wěn)定性控制，首先要提高淺部破碎圍巖的承載能力；其次，要允許圍巖發(fā)生一定的變形，實(shí)現(xiàn)讓壓，避免高應(yīng)力造成圍巖劣化與支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)；最后，要充分調(diào)動(dòng)深部圍巖的承載能力。據(jù)此提出了“高強(qiáng)錨注+格柵拱架+小孔徑錨索”的高應(yīng)力紅頁巖巷道支護(hù)措施。

3.1 高強(qiáng)錨注技術(shù)

高應(yīng)力紅頁巖巷道淺部圍巖將不可避免地發(fā)生破裂，采用高強(qiáng)錨注技術(shù)對于改善淺部圍巖力學(xué)性質(zhì)，提高圍巖的承載能力具有重要作用。 結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)條件和工程經(jīng)驗(yàn)，采用長1 500 mm，直徑45 mm的管縫式錨桿，間排距為2 000 mm×1 800 mm，托盤尺寸為150 mm×150 mm×5 mm；金屬網(wǎng)為規(guī)格2 150 mm×1 550 mm的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔大小為100 mm×100 mm。結(jié)合鉆孔窺視結(jié)果，淺孔注漿采用長3 080 mm，直徑為42 mm的錨管，間排距2 000 mm×3 600 mm，注漿材料采用硫鋁酸鹽水泥。

3.2 格柵拱架支護(hù)技術(shù)

高應(yīng)力紅頁巖巷道單靠錨注支護(hù)很難形成具有很強(qiáng)承載能力的承壓拱系統(tǒng)，采用格柵拱架與淺部圍巖共同形成承壓拱，可以極大提高承壓拱的承載能力，使圍巖長期保持穩(wěn)定[17]。首先，在巷道兩幫澆筑高1.2 m、厚350～400 mm的混凝土墻，將直徑18 mm的主筋按間距300 mm固定。然后將直徑12 mm的輔筋按間距400 mm綁扎在主筋上形成混凝土的鋼筋骨架(圖8)。鋼筋骨架綁扎完成后對巷道進(jìn)行噴漿，厚度為300～500 mm。格柵拱架混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)具有極大的可縮性，能夠適應(yīng)巷道初期的變形要求，使圍巖中的高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移。

圖8 格柵拱架示意圖Fig.8 Schematic diagram of arch grille

3.3 小孔徑錨索深層錨固技術(shù)

與錨桿相比，錨索具有錨固深度大、可施加較大預(yù)緊力等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以將錨注支護(hù)與格柵拱架混凝土形成的承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖相連，對其施加較高的支護(hù)阻力，有效限制巷道出現(xiàn)過大的變形，并且可以充分調(diào)動(dòng)深部圍巖的承載能力[18]，使更大范圍的巖體共同承載。 錨索采用直徑為15.24 mm的鋼絞線，頂板及肩窩錨索長度為8 m，兩幫錨索長5 m，間排距為2 000 mm×1 800 mm，預(yù)緊力不小于100 kN。

4 工程應(yīng)用與效果分析

4.1 支護(hù)工序

1) 擴(kuò)刷、錨網(wǎng)臨時(shí)支護(hù)。將原巷道擴(kuò)刷至設(shè)計(jì)尺寸：底寬×中高為4.5 m×3.4 m，將巷道表面偏幫及冒頂矸石全部清理掉后，立即施工Φ18 mm×2 800 mm的錨桿掛網(wǎng)，并在其上噴射50 mm厚的混凝土以封閉圍巖，防止紅頁巖風(fēng)化。

2) 錨管注漿加固。注漿材料采用硫鋁酸鹽水泥(硬化時(shí)間約為20 min)或化學(xué)漿液注漿控頂，封堵大型裂隙和淺層破碎圍巖體加固。

3) 格柵拱架。巷道斷面架設(shè)直徑18 mm主鋼筋，間距為300 mm。 沿巷道走向架設(shè)直徑12 mm輔助鋼筋，間距為400 mm，主輔鋼筋用細(xì)鐵絲綁扎。

4) 小孔徑錨索深孔強(qiáng)力錨固。易產(chǎn)生應(yīng)力集中的巷道關(guān)鍵部位采用小孔徑錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。每個(gè)斷面布置5套錨索，每眼安裝1卷Z2950樹脂錨固劑和1卷Z2535樹脂錨固劑，錨固長度為1 185 mm。

5) 復(fù)噴混凝土。為防止錨網(wǎng)暴露空氣中銹蝕，安裝結(jié)束后應(yīng)對巷道壁及錨網(wǎng)再進(jìn)行一次噴漿，厚度300～500 mm。

4.2 支護(hù)效果分析

以844中段運(yùn)輸巷道的工程地質(zhì)條件為背景建立數(shù)值計(jì)算模型，模型長×寬×高為40 m×13 m×40 m。模型上部施加15 MPa載荷，采用摩爾庫倫本構(gòu)模型。支護(hù)優(yōu)化前后方案如圖9所示，計(jì)算中所取得巖石參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模擬使用的巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanical parameters in numerical simulation

圖9 巷道支護(hù)方案Fig.9 Roadway support scheme

采用原方案巷道頂?shù)装寮皟蓭偷钠茐姆秶?.5 m以上，肩窩及底角破壞范圍甚至達(dá)到了8 m(圖10)，遠(yuǎn)大于管縫式錨桿的長度，造成巷道變形破壞嚴(yán)重。巷道開挖后兩幫位移量達(dá)到479 mm，頂板及底板變形量分別為200 mm和111 mm。采用新的支護(hù)方案后巷道塑性破壞范圍大大減小，基本控制在2 m左右。巷道兩幫位移由479 mm減小至101 mm，下降了78.9%(圖11)。頂板下沉量為49 mm，僅為原方案的24.5%，底鼓量為82 mm，為原方案的73.8%(圖12)。由此可見，優(yōu)化后的支護(hù)方案可有效抑制巷道圍巖塑性區(qū)向深部擴(kuò)展，確保巷道的穩(wěn)定。

為進(jìn)一步掌握巷道的維護(hù)效果，對巷道表面位移及頂板離層、錨索載荷等進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明：巷道兩幫最大變形量在100 mm以內(nèi)，頂板下沉量控制在40 mm以內(nèi)，錨索受力在100～120 kN之間趨于穩(wěn)定，表明新方案控制效果良好(圖13)，能夠滿足巷道安全生產(chǎn)要求。

圖10 巷道塑性區(qū)分布Fig.10 Distribution of plastic zone in roadway

圖11 巷道兩幫位移分布Fig.11 Displacement distribution of roadway rib

圖12 巷道頂?shù)装逦灰品植糉ig.12 Displacement distribution of roadway roof and floor

圖13 巷道控制效果Fig.13 Roadway control effect

5 結(jié) 論

1) 紅頁巖內(nèi)部孔隙孔徑主要集中在0～50 nm與10～200 μm的范圍內(nèi)。自然狀態(tài)下孔徑在10～200 μm的微孔隙占總孔隙體積的37.45%，吸水后占比增加至45.82%，吸水后引發(fā)的巖石強(qiáng)度弱化是紅頁巖巷道失穩(wěn)破壞的重要原因。

2) 提出高強(qiáng)錨注+格柵拱架+小孔徑錨索的高應(yīng)力紅頁巖巷道支護(hù)對策，該支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)巷道初期的變形要求，有效限制巷道出現(xiàn)過大變形，并充分調(diào)動(dòng)深部圍巖的承載能力。

3) 現(xiàn)場監(jiān)測表明紅頁巖巷道兩幫最大變形量在100 mm以內(nèi)，頂板下沉量控制在40 mm以內(nèi)，錨索受力在100～120 kN之間，并趨于穩(wěn)定，表明新方案控制效果良好。