深埋軟巖巷道底鼓破壞機制及控制對策研究

張 勇，謝 鋮，孫 特，左海峰，劉光饒，楊金坤，陳 洋

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；3.鐵法煤業(yè)集團 大強煤礦有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000；4.內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責(zé)任公司 新上海一號煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016299)

底鼓破壞是深埋軟巖巷道常見的現(xiàn)象，也是影響煤礦開采效率的一個關(guān)鍵技術(shù)問題。何滿潮等[1]針對徐州礦區(qū)深部煤巷出現(xiàn)的底鼓問題，研究了頂板、幫部、底角3個部位與支護結(jié)構(gòu)相互作用對控制底鼓的作用機制，提出了“底鼓三控”的一體化控制對策，有效控制了底板位移。劉泉聲等[2]針對淮南礦區(qū)過斷層破碎帶圍巖底鼓現(xiàn)象，分析了破碎圍巖底板的變形特性，通過考慮頂板、幫部對底板的間接牽制作用，制定了綜合控制對策。孫曉明等[3]針對興村煤礦巷道出現(xiàn)的非對稱底鼓大變形，提出在錨網(wǎng)噴基礎(chǔ)上，采用錨索與底板錨桿組合加固關(guān)鍵區(qū)域的不對稱耦合支護措施。郭志飚等[4]針對興安礦四水平空車線巷道，提出了基于高預(yù)緊力的錨網(wǎng)索耦合支護對策。文志杰等[5]針對榆樹井煤礦出現(xiàn)的巷道劇烈底鼓，建立剪切錯動型力學(xué)模型，提出新型反底拱技術(shù)，并對反底拱的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化。谷拴成等[6]分析了引起底鼓的五個因素，建立了底鼓量的計算公式，針對玉華煤礦的嚴(yán)重底鼓破壞，提出了錨桿注漿和切槽的聯(lián)合支護方式。

深井軟巖大變形巷道埋深大、地應(yīng)力高、軟巖變形問題顯著，底鼓問題突出，各煤礦工程地質(zhì)條件不同，提出的各種控制方法和對策僅適用于既定的工程條件。本文針對大強煤礦0908運輸巷道的底鼓大變形問題，分析巷道底鼓的原因，提出了以NPR錨索為核心，錨桿、反底拱、底板注漿錨索相結(jié)合的一體化底鼓防控技術(shù)。

1 工程概況

大強煤礦井田面積29.94km2，設(shè)計生產(chǎn)能力150萬t/a，開采方式為綜采放頂煤開采，全部垮落法頂板管理。0908運輸巷道位于-890m水平，埋深約1020m，沿1#煤層頂板施工，煤層呈一單斜構(gòu)造。1#煤層分層2～11層，厚度7.67～11.0m，平均厚度9.81m。圍巖巖性較差，巷道底鼓狀況較嚴(yán)重，粘土礦物含量較高，易吸水軟化膨脹；地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，埋深大，地應(yīng)力高。巷道直接頂為油頁巖、灰質(zhì)泥巖互層；底板為泥巖，平均厚度0.55m，基本底為中砂巖、粉砂巖、粗砂巖、泥巖互層，巖層綜合柱狀如圖1所示。

圖1 綜合柱狀

2 原支護破壞機制

2.1 原支護設(shè)計

大強煤礦0908運輸巷道斷面為圓弧拱形，斷面為4900mm×4900mm(凈寬×凈高)，原支護由?22mm×2400mm等強錨桿、?28.6mm×8300mm長錨索、鋼筋網(wǎng)、混凝土噴層和反底拱聯(lián)合支護，原支護設(shè)計方案如圖2所示。原支護情況下反底拱澆筑采用C20混凝土，澆筑材料強度低，巷道圍巖變形嚴(yán)重，底鼓變形明顯，短期內(nèi)快速變形，最大底鼓量約為510mm；混凝土砌碹發(fā)生局部破裂及剝落，巷道多次返修仍無法控制底板變形，嚴(yán)重影響巷道掘進和工作面的正?；夭?。

圖2 原支護設(shè)計方案(mm)

2.2 原支護數(shù)值模擬

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立0908運輸巷道原支護下的三維數(shù)值模型，分析圍巖位移場及應(yīng)力場的分布發(fā)育情況。模型尺寸為40m×30m×40m(長×寬×高)，單元格共計80400個，節(jié)點共84878個。賦予巖層Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，三維模型側(cè)面四周采用固支約束，底部采用固定約束，頂部邊界無約束，施加均布自重應(yīng)力25MPa(容重取2.5×104N/m3，埋深取1000m)。由于埋深大，水平應(yīng)力起主導(dǎo)作用，結(jié)合現(xiàn)場地應(yīng)力測試情況，側(cè)壓系數(shù)取1.56，故水平地應(yīng)力取39MPa。煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 主要巖石力學(xué)參數(shù)

1)位移場分布規(guī)律。位移場分布如圖3所示，巷道圍巖出現(xiàn)了明顯變形，頂?shù)装搴蛢蓭妥顬閲?yán)重。頂板下沉量最大為356mm，底鼓量最大為516mm，兩幫最大收斂量出現(xiàn)在中間位置且呈對稱分布，最大變形601mm。

圖3 原支護位移場分布

2)應(yīng)力場分布規(guī)律。應(yīng)力場分布如圖4所示，巷道頂、底板出現(xiàn)了不同程度的水平應(yīng)力集中，主要出現(xiàn)在灰質(zhì)泥巖上部和粉砂巖下部，最大水平應(yīng)力49.8MPa。巷道直接頂和直接底應(yīng)力較小，并無應(yīng)力集中現(xiàn)象，說明巷道受到高地應(yīng)力，且在圍巖深部顯現(xiàn)；巷道幫部兩側(cè)出現(xiàn)垂直應(yīng)力集中，集中區(qū)位于巷道左右兩幫煤層深處，最大垂直應(yīng)力達44.9MPa。

圖4 原支護應(yīng)力場分布

3)塑性區(qū)分布。圍巖塑性區(qū)分布如圖5所示。塑性區(qū)呈對稱分布，水平范圍為26.36m，垂直范圍為18.58m。以剪切破壞為主，巷道頂板以上小范圍曾發(fā)生拉剪破壞；直接頂和底板泥巖以下圍巖曾發(fā)生剪切破壞；巷道左右兩側(cè)和下部近距離圍巖曾發(fā)生剪切破壞，現(xiàn)仍以剪切破壞為主，且左右大致呈對稱樣式。由于原支護底板僅使用C20混凝土澆筑的反底拱進行控制，強度較低，導(dǎo)致底板以下部位出現(xiàn)剪切破碎帶，塑性區(qū)范圍長度9.29m，寬度8.89m，剪切破壞較為嚴(yán)重，無法有效控制底臌變形。

圖5 原支護圍巖塑性區(qū)分布

2.3 原支護變形力學(xué)機制

以軟巖工程力學(xué)為理論基礎(chǔ)[8]，結(jié)合室內(nèi)巖石力學(xué)實驗結(jié)果和現(xiàn)場地質(zhì)條件，綜合分析0908運輸巷道的變形力學(xué)機制，最終確定為ⅠAB型(分子吸水膨脹型、膠體膨脹型)、ⅡABD型(構(gòu)造應(yīng)力型、重力變形型、工程偏應(yīng)力型)、ⅢABC型(斷層型、軟弱夾層型和層理型)[9]。具體分析如下：

1)巷道圍巖結(jié)構(gòu)中含有大量黏土軟巖礦物成分，吸水后極易發(fā)生體積膨脹，具有非線性大變形的特征，故變形力學(xué)機制包含ⅠAB型(分子吸水膨脹型和膠體膨脹型)。

2)巷道埋深約1020m，上覆巖體自重較大，具有較高的地應(yīng)力，所在盆地有多個同沉積的斷軸背、向斜構(gòu)造，構(gòu)造應(yīng)力影響較大，還受到工作面開采、相鄰巷道開挖的工程偏應(yīng)力，故變形力學(xué)機制包含ⅡABD型(“構(gòu)造應(yīng)力型+重力變形型+工程偏應(yīng)力型”)。

3)巷道掘進期間過9條斷層，掘進過斷層區(qū)域可能出現(xiàn)構(gòu)造裂隙出水情況，同時斷層影響區(qū)域煤巖層松散、破碎，斷層交叉復(fù)合部位破壞了底板的整體平衡，加重了對底板的破壞；地層呈傾斜狀，具有較強的可擴展性和較弱的結(jié)構(gòu)，圍巖的強度較低，故變形力學(xué)機制包含ⅢABC型(斷層型、軟弱夾層型和層理型)。

3 穩(wěn)定性轉(zhuǎn)化控制對策

3.1 變形力學(xué)機制轉(zhuǎn)化

針對0908運輸巷道的變形力學(xué)機制，提出了以NPR錨索為核心，錨桿、反底拱、底板注漿錨索相結(jié)合的一體化底鼓防控技術(shù)，通過優(yōu)化支護，把復(fù)合型變形力學(xué)機制轉(zhuǎn)化為單一型，轉(zhuǎn)化對策如下：

1)ⅠAB型：使用NPR錨索，利用其具有的恒阻吸能、大變形的力學(xué)特性，吸收圍巖釋放的能量。

2)ⅢABC型：底板打入深孔注漿錨索，錨固底部堅硬巖層，控制底板塑性滑移線的分布，然后進行噴射混凝土、反底拱聯(lián)合支護。

3)ⅡABD型：通過調(diào)整NPR錨索以及底板注漿錨索的間排距，提高支護強度，形成一體化支護結(jié)構(gòu)。

通過制定一體化底鼓防控對策，巷道圍巖變形力學(xué)機制由復(fù)合型ⅠABⅡABDⅢABC轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的ⅡB型(自重應(yīng)力型)。轉(zhuǎn)化過程如圖6所示。

圖6 復(fù)合型變形力學(xué)機制轉(zhuǎn)化過程

3.2 優(yōu)化支護設(shè)計

深部礦井受高地應(yīng)力及采動高集中應(yīng)力的聯(lián)合作用，傳統(tǒng)錨索最大拉伸量一般在200mm左右，因此在較大壓力下容易被拉斷，而NPR錨索最大能夠提供350kN恒阻力，且最大拉伸量可達500mm以上。NPR錨索的結(jié)構(gòu)由恒阻體、鎖具、托盤和鋼絞線組成[10]，如圖7所示。其中恒阻體為負泊松比效應(yīng)材料，包括錐體和套管。鋼絞線與錐體相連，錐體在套管中靠近托盤的位置，其短端直徑小于套管內(nèi)徑，長端直徑大于套管內(nèi)徑。在受力拉伸時，錐體與套管內(nèi)壁發(fā)生相對滑移，套管發(fā)生徑向膨脹變形，進而產(chǎn)生恒定阻力[11]。

圖7 NPR錨索結(jié)構(gòu)

NPR錨索對圍巖的支護過程大致可分為兩個階段，首先當(dāng)圍壓較小時，錨索發(fā)生彈性小變形，圍巖保持穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)圍巖受力到達一定范圍時，恒阻裝置通過在套筒內(nèi)滑移吸收能量，待圍巖能量釋放后，拉伸量停止增加，圍巖支護體系再次進入穩(wěn)定狀態(tài)。使用NPR錨索進行支護能夠吸收沖擊能量，從而有效控制圍巖變形[12-14]。

在原支護方式下，支護結(jié)構(gòu)發(fā)生了不同程度的破壞，底板變形顯著，不能有效控制巷道圍巖的變形，因此提出以NPR錨索為核心，錨桿、反底拱、底板注漿錨索相結(jié)合的一體化底鼓防控技術(shù)對巷道穩(wěn)定性進行控制。優(yōu)化后的支護方式為“錨桿+NPR錨索+鋼筋網(wǎng)+底板注漿錨索+反底拱+噴射混凝土”聯(lián)合支護。

1)頂部、幫部使用 ?22mm×2400mm 等強錨桿，間排距為800mm×800mm，托盤使用 120mm×120mm×20mm鋼板，每孔使用MSCK23140型樹脂錨固劑1卷。

2頂板打入三根?21.8mm×8300mm NPR錨索，間排距為1600mm×1600mm。托梁采用11號工字鋼，長度2000mm，每根沿走向連接兩根錨索。托盤使用300mm×300mm×20mm 的鋼板，每孔使用CK2860、M28120樹脂錨固劑錨固各一卷。

3)對巷道底板進行臥底后，底板打入三根?22mm×4800mm注漿錨索，間排距為1600×1600mm。注漿錨索施工完畢后，距掘進迎頭為100m實施滯后注漿，注漿漿液為PO42.5級普通硅酸鹽水泥配制成的單液漿，水灰比為1∶2，使用添加劑促凝，注漿壓力達到5MPa，持續(xù)穩(wěn)定10min。

4)反底拱采用C40混凝土，澆筑至底板平行位置。

5)鋼筋網(wǎng)規(guī)格為?6.5mm，長×寬：510mm×1010mm，網(wǎng)格：100mm×100mm。

6)巷道噴射厚度為300mm的C20的混凝土噴層，水灰比為0.51。

底板注漿錨索與反底拱共同作用來加固關(guān)鍵區(qū)域，適應(yīng)和調(diào)整支護體系與圍巖之間的變形能力，發(fā)揮協(xié)同支護的承載能力。底板深孔注漿錨索能夠?qū)⒌装遘泿r與深部粗砂巖等堅硬巖體錨固在一起，減小巷道底部的壓力，可以大大提高巷道底板的穩(wěn)定性。

優(yōu)化方案設(shè)計如圖8所示。

圖8 優(yōu)化方案設(shè)計(mm)

3.3 優(yōu)化支護數(shù)值模擬

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對優(yōu)化支護建立三維數(shù)值模型，模擬優(yōu)化支護效果下圍巖的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。如圖9—圖11所示。

圖9 優(yōu)化支護位移場分布(mm)

由位移場分布圖可知，優(yōu)化支護設(shè)計后，在NPR錨索、底板注漿錨索、反底拱和混凝土的共同作用下，圍巖變形量顯著減小，頂板沉降控制在56mm，相較于原支護減小了84.2%；巷道底板變形量控制在70mm，相較于原支護減小了86.4%；兩幫收斂量控制在80mm，相較于原支護減小了86.7%。

圖10 優(yōu)化支護應(yīng)力場分布(MPa)

由圖10可知，圍巖應(yīng)力分布較為均勻，應(yīng)力集中區(qū)范圍顯著減小，并向遠離巷道處進行轉(zhuǎn)移，最大垂直應(yīng)力得以減小，能夠有效提高圍巖穩(wěn)定性。

圖11 優(yōu)化支護圍巖塑性區(qū)分布

由圍巖塑性區(qū)分布圖可看出，塑性區(qū)范圍大幅減小，水平范圍減小至20.02m，垂直范圍減小至14.75m。左右兩幫發(fā)生剪切破壞的圍巖面積減少，底板以下圍巖剪切破壞區(qū)影響深度顯著減小。

4 現(xiàn)場工業(yè)試驗

將上述優(yōu)化方案應(yīng)用于大強煤礦0908運輸巷道，設(shè)置巷道變形監(jiān)測控制點對現(xiàn)場進行監(jiān)測，得到監(jiān)測點的位移-時間曲線如圖12所示。

圖12 測點位移隨時間變化曲線

近90d監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，巷道圍巖變形在前20d內(nèi)為快速變形階段，變形增幅較大；20～60d內(nèi)為減速變形階段，變形增幅減小；在60d后為變形趨穩(wěn)階段，變形逐漸趨于平衡穩(wěn)定。巷道底鼓量最大97mm，頂板下沉量最大83mm，兩幫收斂量最大為115mm。相較于原支護方案起到了很好的控制效果。

現(xiàn)場工業(yè)試驗表明，優(yōu)化后的支護能夠有效控制0908運輸巷道的底鼓變形破壞，解決了深埋軟巖巷道底鼓的問題，大大提高了巷道使用的安全性，保證了礦井工作面安全高效的回采。以NPR錨索為核心，錨桿、反底拱、底板注漿錨索相結(jié)合的一體化底鼓防控技術(shù)得以成功實踐。

5 結(jié) 論

1)基于軟巖工程力學(xué)，結(jié)合現(xiàn)場精準(zhǔn)工程地質(zhì)分析，確定了大強煤礦0908運輸巷道軟巖變形力學(xué)機制為ⅠABⅡABDⅢABC復(fù)合型。

2)利用優(yōu)化后的一體化底鼓防控技術(shù)將巷道變形力學(xué)機制由ⅠABⅡABDⅢABC復(fù)合型轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的IIB型，底板圍巖狀態(tài)好轉(zhuǎn)，應(yīng)力向深部傳遞，底板巖層的整體性得到加強。

3)大強煤礦0908運輸巷道采用以NPR錨索為核心，錨桿、反底拱、底板注漿錨索相結(jié)合的一體化底鼓防控技術(shù)后，巷道底鼓量最大97mm，頂板下沉量最大83mm，兩幫收斂量最大115mm，圍巖變形量得到有效控制，圍巖的應(yīng)力狀態(tài)得到改善。為類似工程條件下深埋軟巖巷道底鼓控制難題提供借鑒。