高應(yīng)力軟巖硐室底鼓發(fā)生機(jī)理與控制技術(shù)研究

經(jīng)來(lái)旺，嚴(yán) 悅

(1.安徽理工大學(xué) 礦山工程力學(xué)與支護(hù)技術(shù)研究所，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大學(xué) 力學(xué)與光電物理學(xué)院，安徽 淮南 232001)

隨著我國(guó)煤炭開采深度的不斷增大，井下機(jī)電硐室等結(jié)構(gòu)的圍巖應(yīng)力也在不斷地增大，巖石的蠕變效應(yīng)也越來(lái)越顯著[1-4]，底鼓現(xiàn)象十分突出，嚴(yán)重的底鼓不僅危及到硐室內(nèi)機(jī)電裝備的安全運(yùn)營(yíng)，還嚴(yán)重地危及到煤礦的安全生產(chǎn)[5-7]。雖然多年來(lái)誕生了眾多關(guān)于井下巷道和硐室底鼓控制的研究成果[8-11]，但工程地質(zhì)環(huán)境的多樣性和不斷拓深的開采水平都一再擴(kuò)展了這一領(lǐng)域的研究空間，從而也將這一領(lǐng)域的理論和技術(shù)水平不斷地向前推進(jìn)。以皖北礦區(qū)鄒莊煤礦-800m水平機(jī)電硐室為研究對(duì)象，細(xì)致地分析了底鼓變形破壞的力學(xué)機(jī)理，并基于圍巖承載結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性原理給出了底鼓變形控制的力學(xué)機(jī)理與治理技術(shù)。

1 工程概況

淮北礦區(qū)鄒莊煤礦-800m水平機(jī)電硐室長(zhǎng)78m，硐室兩端為14m長(zhǎng)的小斷面(凈寬×凈高=3200mm×3200mm)；中間為50m長(zhǎng)的大斷面(凈寬×凈高=5000mm×3800mm)，硐室斷面形狀為馬蹄形，初始支護(hù)設(shè)計(jì)是錨網(wǎng)噴支護(hù)。

硐室竣工之時(shí)，底板即發(fā)生明顯底鼓，頂板漿皮也出現(xiàn)大范圍炸裂現(xiàn)象，不得不實(shí)施底板淺層注漿和二次錨網(wǎng)噴注工程。然而，底鼓和圍巖變形并沒有停止，半年之后，巷道底鼓量已超過(guò)870mm，機(jī)電設(shè)備傾斜嚴(yán)重；同時(shí)，巷道兩幫大幅內(nèi)收且嚴(yán)重向內(nèi)傾斜，頂板也再次發(fā)生嚴(yán)重的大范圍炸皮開裂。半年后即開展了第一次“刷幫臥底”大修。

大修一年后，巷道再次嚴(yán)重變形，底鼓量高達(dá)910mm，兩幫幫底內(nèi)移量達(dá)760mm，同時(shí)拱腰部位也變形嚴(yán)重，多處混凝土噴層碎裂掉落或懸掛于鋼筋網(wǎng)上?？紤]到該硐室服務(wù)期限較長(zhǎng)，故決定將其中的機(jī)電設(shè)備暫時(shí)搬離以便于徹底治理圍巖變形，研究更科學(xué)合理的治理方案。

2 硐室圍巖底鼓發(fā)生因素及機(jī)理分析

硐室底鼓發(fā)生機(jī)理的剖析離不開一系列與之相關(guān)的因素，其中主要的因素是圍巖巖性軟弱、高地壓、底板水害和支護(hù)方案的不合理，逐一剖析引發(fā)底鼓的力學(xué)機(jī)理。

鄒莊煤礦-800m水平機(jī)電硐室綜合柱狀圖如圖1所示，圖中顯示巷道位于一厚達(dá)9.75m的泥巖層之中。由表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，泥巖的平均抗壓強(qiáng)度為14.05MPa；細(xì)砂巖的平均抗壓強(qiáng)度為29.23MPa。如此差的巖性使得圍巖的自承載能力較低，這是該硐室圍巖發(fā)生嚴(yán)重變形的一個(gè)主要原因。另外，面臨如此軟弱圍巖的條件，底板卻無(wú)任何支護(hù)措施，發(fā)生底鼓自然在情理之中。

圖1 鄒莊煤礦-800m水平機(jī)電硐室綜合柱狀

表1 巖石抗壓強(qiáng)度測(cè)試

鄒莊煤礦-800m水平機(jī)電硐室所在地地表標(biāo)高為30m，硐室頂板標(biāo)高-735.4m、底板標(biāo)高-740.5m，實(shí)際埋藏深度為-765m，層位較深，原始地應(yīng)力較大，豎向地應(yīng)力達(dá)18.75MPa。另外，硐室與東翼皮帶大巷近垂直空交，次生地壓相互影響，應(yīng)力集中程度進(jìn)一步提高。

圍巖性質(zhì)和地應(yīng)力是衡量圍巖穩(wěn)定性的兩個(gè)關(guān)鍵因素，盡管此處地應(yīng)力絕對(duì)數(shù)值不算大，但相對(duì)于強(qiáng)度如此低的圍巖，其相對(duì)數(shù)值已是非常高。這是圍巖變形嚴(yán)重的又一重要因素。

巷道底板錨索孔的鉆孔過(guò)程表明幾乎底鼓嚴(yán)重的巷道底板中均蘊(yùn)含有大量的水，含水范圍一般位于距底板下方0.5～4.5m的范圍內(nèi)，通常情況下鉆取一個(gè)深度7m左右、直徑80～90mm的垂直鉆孔，突水量約1～2t。這部分水主要來(lái)源于圍巖中靜態(tài)裂隙水的緩慢滲入、巷道掘進(jìn)施工用水的聚積等。聚積在底板中的水對(duì)泥質(zhì)底板巖石具有巨大的軟化效應(yīng)，強(qiáng)度軟化系數(shù)高達(dá)0.08[12]。

由于底板巖性的大幅軟化，其承載能力嚴(yán)重削弱，松動(dòng)圈范圍逐漸向深部擴(kuò)展，從而使得硐室圍巖整體松動(dòng)圈的外邊界形狀呈現(xiàn)出縱向尺寸較大、橫向尺寸較小的情況，如圖2(a)所示。這一推測(cè)隨著底板錨索鉆機(jī)的問(wèn)世也被反復(fù)地證實(shí)，因?yàn)橐罁?jù)鉆機(jī)鉆進(jìn)的阻力和速度變化可以確定底板松動(dòng)圈的邊界范圍。

泥質(zhì)底板巖石在浸水軟化的過(guò)程中，會(huì)逐漸發(fā)生裂解，裂解的過(guò)程中體積會(huì)膨脹，由于底板松動(dòng)圈的左右和下方邊界都是固定邊界，體積膨脹所導(dǎo)致的巖體變形位移的方向只可能是底板上方，從而導(dǎo)致底鼓發(fā)生。很多底鼓治理案例表明，底板含水松動(dòng)圈的深度通常在底板下方4.0～5.0m范圍，如此大范圍巖體浸水裂解發(fā)生的體積膨脹量是一個(gè)非常大的數(shù)值，故相應(yīng)的底鼓量自然不可輕視。

巷幫失穩(wěn)內(nèi)移擠壓底板軟化巖體發(fā)生底鼓。為了更清楚地剖析底鼓發(fā)生的多重因素，現(xiàn)將松動(dòng)圈從巖體中分離出去來(lái)單純地分析松動(dòng)圈外圍承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性情況。

分離了松動(dòng)圈后的圍巖如圖2(b)所示。依據(jù)彈性理論不難理解處于較大地應(yīng)力場(chǎng)中的這一豎向的近似橢圓孔最易失穩(wěn)破壞之處是左右兩幫，當(dāng)失穩(wěn)發(fā)生后兩幫會(huì)逐漸發(fā)生內(nèi)移，巷道底板以下部分的兩側(cè)幫的向內(nèi)位移勢(shì)必會(huì)擠壓已經(jīng)軟化后的底板松動(dòng)圈內(nèi)的巖體，由于受擠壓的巖體只能發(fā)生向上的位移，于是底鼓發(fā)生。

圖2 松動(dòng)圈

綜上所述，底鼓發(fā)生的因素并不是單一的，除了上述主要影響因素之外，某些具有膨脹性的巖石底板也會(huì)導(dǎo)致底鼓的發(fā)生[13，14]，但大多數(shù)情況下，上述4大因素是底鼓發(fā)生的主要因素，且4大因素之間也不是相互獨(dú)立的，彼此之間相互關(guān)聯(lián)，對(duì)底鼓的發(fā)生有相互促進(jìn)的作用。下面依據(jù)底鼓發(fā)生的主要因素來(lái)研究分析底鼓控制的機(jī)理與措施。

3 底鼓控制機(jī)理研究

上述4大底鼓發(fā)生因素可以劃分為可控因素和難控制因素兩大類，其中高地壓屬于難控制因素，這類因素的共同特點(diǎn)是難以采取有效措施降低其影響程度；另外3個(gè)因素屬可控因素，這類因素的共同特點(diǎn)是可以通過(guò)某些措施有效地降低其影響程度。對(duì)于難控制因素，通常情況下沒有必要采取控制措施；對(duì)于可控因素則需要研究相應(yīng)措施降低其影響程度。

3.1 巖體改性

即通過(guò)注漿等手段將松散破碎的圍巖重新膠結(jié)，使之物理力學(xué)性質(zhì)提高。依據(jù)彈性力學(xué)理論[15]可知注漿改性后的巖體，在同一個(gè)應(yīng)力場(chǎng)中，其徑向應(yīng)力分布規(guī)律曲線的增長(zhǎng)速度會(huì)大幅度提高，如圖3所示。

圖3 圍巖徑向應(yīng)力分布與松動(dòng)圈關(guān)系

M點(diǎn)徑向應(yīng)力增大的直接效應(yīng)是該位置處的偏應(yīng)力值大幅降低，相應(yīng)的計(jì)算表達(dá)式見公式(2)—(4)。

注漿前彈性區(qū)內(nèi)邊界處偏應(yīng)力：

(σθ)M-(σρ)M-(σρ)M=2q-2(σρ)M

(2)

注漿后彈性區(qū)內(nèi)邊界處偏應(yīng)力：

注漿后彈性區(qū)內(nèi)邊界處偏應(yīng)力減小量：

由于彈性區(qū)內(nèi)邊界處偏應(yīng)力值減小幅度較大，減小后的偏應(yīng)力值一旦小于圍巖發(fā)生不穩(wěn)定蠕變所需要的臨界值(長(zhǎng)期強(qiáng)度值)，彈性區(qū)巖體的不穩(wěn)定蠕變即刻會(huì)停止[16，17]，此時(shí)松動(dòng)圈也會(huì)因?yàn)橥鈬鷰r體的穩(wěn)定而自行穩(wěn)定下來(lái)。因此，巖性的改變會(huì)有效地抑制圍巖的變形。

對(duì)于巷道底板而言，因其內(nèi)含有的大量靜態(tài)水嚴(yán)重軟化了底板巖石，注漿的改性作用就越發(fā)顯著，一方面通過(guò)注漿可以有效的擠走底板水使得底板巖體不再遭受水的浸泡，另一方面漿液有效地對(duì)底板松散巖體實(shí)施了重新膠結(jié)強(qiáng)化，從根本上改變了底板巖性，對(duì)抑制底鼓的發(fā)生具有重要作用[18]。

3.2 增強(qiáng)表面支護(hù)強(qiáng)度

此處需要借助液壓缸效應(yīng)剖析一下表面強(qiáng)度對(duì)提高松動(dòng)圈承載力的影響。液壓缸的承載力主要由缸內(nèi)液體來(lái)實(shí)現(xiàn)，但缸內(nèi)液體實(shí)現(xiàn)巨大承載力需要一個(gè)先決條件，即液體在承受巨大壓力時(shí)依然可以保持絕對(duì)的穩(wěn)定性，如若不能保證絕對(duì)的穩(wěn)定性，無(wú)論何種液體將連自身的重力都承載不了，會(huì)瞬間變形流向位置較低之處。液壓缸內(nèi)的液體之所以可以承受巨大壓力，關(guān)鍵在于缸壁給予了它足夠的穩(wěn)定性。

巷道圍巖松動(dòng)圈內(nèi)的巖體盡管已經(jīng)裂隙貫通，自身承載力大幅降低，但若我們能夠給其一個(gè)強(qiáng)度很高的猶如液壓缸缸體一樣的表面支護(hù)強(qiáng)度，使其內(nèi)破碎巖體具有很高的穩(wěn)定性，則松動(dòng)圈的承載力就會(huì)大幅提升。目前的支護(hù)方式中，無(wú)論錨網(wǎng)索噴支護(hù)方式還是棚架支護(hù)方式都可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

長(zhǎng)期以來(lái)，軟巖巷道之所以容易發(fā)生底鼓，主要原因之一就是巷道底板缺少支護(hù)手段，無(wú)法形成較高的表面支護(hù)強(qiáng)度。

3.3 穩(wěn)定性控制

穩(wěn)定性控制在巷道圍巖控制措施的研究中極其重要，舉一簡(jiǎn)單案例：如圖4所示，有兩個(gè)不同形狀的環(huán)，一個(gè)圓環(huán)和一個(gè)橢圓環(huán)，兩環(huán)受到同樣大小的靜水壓力作用時(shí)，穩(wěn)定性明顯不同，其中(a)環(huán)的穩(wěn)定性要遠(yuǎn)大于(b)環(huán)。依據(jù)彈性理論不難斷定(b)環(huán)最容易喪失穩(wěn)定性的地方是左右兩側(cè)，同理可知較科學(xué)的提升其穩(wěn)定性的辦法是在其左右兩側(cè)分別增設(shè)相互對(duì)稱的支點(diǎn)，如圖4(c)所示。對(duì)于大多數(shù)軟巖巷道而言，因浸水軟化的緣故，底板一定范圍內(nèi)巖體強(qiáng)度降低的幅度很大，此時(shí)圍巖的主要承載結(jié)構(gòu)逐漸地演化成了豎向尺寸遠(yuǎn)大于橫向尺寸的形狀，在定性分析時(shí)可將其近似地作為一個(gè)橢圓孔看待，此時(shí)巷道兩側(cè)基于穩(wěn)定性增設(shè)的支點(diǎn)可以通過(guò)水平幫錨索實(shí)現(xiàn)。

圖4 靜水壓力下不同形狀環(huán)穩(wěn)定性比較

4 實(shí)施方案

基于上述控制機(jī)理分析，針對(duì)-800m水平機(jī)電硐室的二次大修，此處采取的主要措施有以下幾個(gè)方面。

4.1 注漿改性

此處的注漿包含兩個(gè)部分：幫頂注漿和底板驅(qū)水注漿。

4.1.1 幫頂注漿

在“刷幫臥底”工序完成一個(gè)星期后實(shí)施注漿，巷道斷面范圍內(nèi)布置7個(gè)注漿孔，其中1#、2#、3#、4#、5#將巷道幫頂?shù)确譃樗姆荩?#、3#、4#孔沿巷道表面法線方向，1#、5#鉆孔與水平面呈30°夾角，具體間距布置如圖5所示。

圖5 幫頂注漿孔及底板淺孔注漿孔布置(mm)

4.1.2 底板驅(qū)水注漿

由于巷道底板長(zhǎng)期浸水，松動(dòng)圈較大且強(qiáng)度很低，若直接進(jìn)行L=7800mm的深孔注漿，會(huì)導(dǎo)致撮孔、鉆不易取出、鉆取出后塌孔等事故，故先進(jìn)行L=3000mm的淺孔注漿，間排距為1.6m×2.1m，如圖5所示。一周之后在淺孔位置進(jìn)行L=7800mm的深孔注漿，間排距為1.6m×1.6m。注漿管與錨索綁扎在一起，在實(shí)施底板深孔注漿的同時(shí)，底板錨索自動(dòng)完成全長(zhǎng)錨固。注漿管采用內(nèi)徑20mm，外徑21.3mm的薄鐵皮管，錨索直徑為22mm，考慮到鉆桿拔出，鉆孔直徑會(huì)快速收縮，選取的鉆頭型號(hào)直徑為75mm，此型號(hào)鉆頭鉆孔約85～90mm，鉆孔結(jié)束立即插入注漿管與錨索。

4.2 錨索補(bǔ)強(qiáng)方案

4.2.1 幫頂補(bǔ)強(qiáng)方案

幫頂補(bǔ)強(qiáng)方案如圖6(a)所示，其中兩幫各2根，頂部3根。錨索端頭采用樹脂藥卷錨固劑(Z2355)與圍巖連接，此處錨索錨固力至少為200kN。

圖6 補(bǔ)強(qiáng)錨索布置方案(mm)

4.2.2 底板補(bǔ)強(qiáng)方案

具體方案如圖6(b)所示，錨索上段設(shè)置U型鋼短梁作為托盤，29U型鋼梁放置在溝槽內(nèi)，溝槽高度300mm，目的是使錨索頂部和鋼梁距離巷道底板50～100mm，底板注漿的同時(shí)進(jìn)行全長(zhǎng)錨固，在錨索與U型鋼之間添加鋼墊板或錨桿托盤(長(zhǎng)×寬×厚=100mm×100mm×10mm)做墊襯。

5 效果分析

5.1 測(cè)站內(nèi)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

硐室的大斷面部分共設(shè)置3個(gè)測(cè)試斷面，每個(gè)測(cè)試斷面間距15m，中間斷面位居大斷面的中間。每個(gè)斷面內(nèi)設(shè)置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別設(shè)置在底角、拱角和頂?shù)滋?，如圖7所示。

圖7 斷面內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的位置設(shè)置

本次測(cè)量工作所用的測(cè)量工具為JSS30A型數(shù)顯收斂計(jì)。該收斂?jī)x的分辨率為0.01mm，能精確測(cè)量巷道的變形量，監(jiān)測(cè)時(shí)間69d，每4d監(jiān)測(cè)一次，具體結(jié)果如圖8所示。

圖8 斷面變形速率動(dòng)態(tài)規(guī)律折線

5.2 觀測(cè)結(jié)果與分析

觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，在整個(gè)觀測(cè)期間，鄒莊煤礦-800m水平機(jī)電硐室底角移近的平均速率為0.013mm/4d；拱角移近的平均速率為0.004mm/4d；頂?shù)灼骄冃嗡俾蕿?.014mm/4d。從變形速率來(lái)看巷道變形非常小。此外，變化速率的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律顯示巷道各部位的變形速率呈逐漸減小態(tài)勢(shì)，第47d起變形速率即在0～0.01mm/4d之間擺動(dòng)，表明巷道基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，按照8a的服務(wù)期考慮，整個(gè)服務(wù)期內(nèi)該硐室無(wú)需再修復(fù)。

6 結(jié) 論

1)圍巖巖性軟弱、高地壓、底板水害及支護(hù)方案不合理是深水平硐室底鼓發(fā)生的主要因素，本文基于此深入剖析了底鼓發(fā)生的力學(xué)機(jī)理。

2)從底鼓發(fā)生的主要影響因素入手，給出了深水平硐室底鼓的控制機(jī)理，包括注漿巖體改性、采用錨網(wǎng)索噴或棚架支護(hù)來(lái)增強(qiáng)表面支護(hù)強(qiáng)度、設(shè)置水平幫錨索實(shí)現(xiàn)巷道穩(wěn)定性控制等，通過(guò)這些措施控制圍巖變形，達(dá)到控制巷道整體穩(wěn)定性，包括抑制底鼓的效果。

3)基于控制機(jī)理，從注漿改性和錨索補(bǔ)強(qiáng)兩方面制定鄒莊煤礦-800m水平機(jī)電硐室的二次大修方案，給出了底板錨索錨注一體化技術(shù)，為底板錨索支護(hù)手段的順利實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。

4)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，該抑制底鼓的技術(shù)方案簡(jiǎn)便易行、效果顯著，充分論證了研究成果的科學(xué)性與正確性，該成果不僅可以用于高應(yīng)力軟巖機(jī)電硐室底鼓控制機(jī)理與技術(shù)的研究，而且可以用于井下水倉(cāng)、大斷面高應(yīng)力軟巖巷道底鼓控制機(jī)理與技術(shù)的研究。