深井軟巖巷道圍巖蠕變失穩(wěn)機(jī)理與關(guān)鍵控制技術(shù)

任 帥 ，魯?shù)鲁? ，羅 勇 ，肖殿才 ，康志鵬 ，童 政

（1.淮南礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 深部煤炭開(kāi)采與環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232000；2.淮河能源控股集團(tuán)有限責(zé)任公司 深部煤炭開(kāi)采耦合災(zāi)害防控國(guó)家礦山安全監(jiān)察局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232000）

近年來(lái)，隨著開(kāi)采深度的不斷增大，深部巷道圍巖的流變性愈加凸顯[1-4]，深部巷道支護(hù)愈發(fā)困難。深部煤層地應(yīng)力靜載高，開(kāi)采擾動(dòng)大，巷道圍巖變形力學(xué)機(jī)理研究方面需要進(jìn)一步完善[5-8]。進(jìn)入深部后，一般巖石巷道會(huì)在剛成巷時(shí)發(fā)生快速變形，變形期較短，通常在成巷后2 個(gè)月左右趨于穩(wěn)定。但一些深水平巷道卻表現(xiàn)出另外一種特征：圍巖變形緩慢但持續(xù)不斷，變形先于底板而后漸至幫頂，極大增加了巷道修理難度，降低了開(kāi)采。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)深部巷道如何支護(hù)做了大量的研究[9-11]。經(jīng)緯等[12]提出了巷道圍巖四分區(qū)應(yīng)力、位移及半徑解析解，揭示了黏聚力軟化模量與內(nèi)摩擦角及初始黏聚力之間的量化關(guān)系，在現(xiàn)場(chǎng)得到了驗(yàn)證；王路軍等[13]、何明明等[14]通過(guò)理論計(jì)算推導(dǎo)得到了深部煤體非線性蠕變本構(gòu)模型及巖石分?jǐn)?shù)階體積變形模型；黃耀光等[15]研究了深部高地應(yīng)力巷道塑性破壞特征，提出了注漿支護(hù)技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用良好；劉振文等[16]以紅慶梁煤礦11303 回風(fēng)巷為背景，得出由于泥質(zhì)砂巖含有易于吸水的礦物成分，遇水會(huì)吸水膨脹變形，圍巖埋深較大將發(fā)生膨脹擠壓變形破壞；常青[17]研究了圍巖在采動(dòng)作用下的變形特征，得出工作面采動(dòng)造成圍巖變形破壞是圍巖變形破壞的主要原因之一。LIU[18]、ZHA 等[19]通過(guò)對(duì)深部高應(yīng)力巷道圍巖變形特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)圍巖超過(guò)超深部臨界深度時(shí)應(yīng)力水平急劇上升，在高應(yīng)力作用下變形破壞嚴(yán)重，產(chǎn)生很大范圍的塑性流動(dòng)變形。

綜上，以顧橋礦東區(qū)井底車場(chǎng)出車側(cè)延伸段巷道為地質(zhì)背景，采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試、理論分析、工業(yè)性實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法深入的探究了深部軟巖巷道的蠕變特征，揭示了軟巖巷道失穩(wěn)機(jī)理，提出了巷道穩(wěn)定性控制技術(shù)，為軟巖巷道蠕變研究提供參考。

1 工程背景

顧橋煤礦目前最大開(kāi)采深度已經(jīng)接近-1 000 m，某些深水平巖石巷道所表現(xiàn)出來(lái)的變形破壞與很多巖石巷道的變形破壞特征有所不同，一般深水平巖石巷道在剛成巷時(shí)即發(fā)生快速變形，變形期較短，通常在成巷后2 個(gè)月左右趨于穩(wěn)定。但顧橋礦的某些深水平巷道卻表現(xiàn)出了另外一種特征：變形緩慢但持續(xù)不斷，變形先于底板而后漸至幫頂，不見(jiàn)盡頭。顧橋東區(qū)井底車場(chǎng)出車側(cè)延伸段，巷道埋深接近1 000 m，地壓大，圍巖巖性差，蠕變不止，年底鼓量均在600 mm 以上，經(jīng)過(guò)了2 次以上的修復(fù)，但大變形依然存在。由于底鼓和兩幫變形存在內(nèi)在關(guān)系，而兩幫變形又與拱部破壞變形關(guān)系密切，故底鼓嚴(yán)重地段，巷幫和拱部也發(fā)生了顯著的變形和破壞。顧橋東區(qū)井底車場(chǎng)出車側(cè)延伸段如圖1。

圖1 顧橋東區(qū)井底車場(chǎng)出車側(cè)延伸段Fig.1 Extension section at the exit side of shaft bottom yard in Guqiao east area

2 巷道圍巖力學(xué)特性及松動(dòng)圈范圍

2.1 單軸和三軸巖石強(qiáng)度與蠕變?cè)囼?yàn)

試驗(yàn)內(nèi)容主要測(cè)試頂板中砂巖和間接底板細(xì)砂巖的自然狀態(tài)下的單軸和三軸強(qiáng)度試驗(yàn)和單軸蠕變?cè)囼?yàn)。

2.1.1 自然狀態(tài)下單三軸強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)圍壓分別為0、3、8、13、18 MPa。自然狀態(tài)下單軸和三軸抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表1 和表2。

表1 巖石單軸抗壓結(jié)果Table 1 Uniaxial compression results of rock

表2 巖石假三軸試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of pseudo-triaxial test of rock

分別作出細(xì)砂巖和中砂巖試件的摩爾應(yīng)力圓，并作出摩爾應(yīng)力圓的強(qiáng)度包線，得到：① 細(xì)砂巖的內(nèi)摩擦角為42.12°，黏聚力為15.77 MPa；②中砂巖的內(nèi)摩擦角為40.46°，黏聚力為10.87 MPa。

2.1.2 自然狀態(tài)下的單軸和三軸蠕變?cè)囼?yàn)

單軸分級(jí)加載蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果如圖2。

圖2 單軸分級(jí)加載蠕變曲線Fig.2 Creep curves of uniaxial gradual loading

三軸實(shí)驗(yàn)方案為：①圍壓0 MPa，軸壓13.38、16.57、19.21、22.24、25.28 MPa；②圍 壓3 MPa，軸壓17.48、22.74、24.99、29.33、38.66 MPa；③圍壓8 MPa，軸壓25.18、30.79、40.56、43.97、51.12 MPa；④圍壓13 MPa，軸壓35.13、44.39、52.01 MPa、66.94、70.87 MPa；⑤圍壓18 MPa，軸壓40.56、48.98、60.23、70.16、85.99 MPa。

三軸分級(jí)加載蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果如圖3～圖8。

圖3 圍壓0 MPa 時(shí)三軸強(qiáng)度蠕變?cè)囼?yàn)Fig.3 Triaxial strength creep test under confining pressure of 0 MPa

圖4 圍壓3 MPa 時(shí)三軸強(qiáng)度蠕變?cè)囼?yàn)Fig.4 Triaxial strength creep test under confining pressure of 3 MPa

圖5 圍壓8 MPa 時(shí)三軸強(qiáng)度蠕變?cè)囼?yàn)Fig.5 Triaxial strength creep test under confining pressure of 8 MPa

圖6 圍壓13 MPa 時(shí)三軸強(qiáng)度蠕變?cè)囼?yàn)Fig.6 Triaxial strength creep test under confining pressure of 13 MPa

圖7 圍壓18MPa 時(shí)三軸強(qiáng)度蠕變?cè)囼?yàn)Fig.7 Triaxial strength creep test under confining pressure of 18 MPa

圖8 圍壓與強(qiáng)度之間關(guān)系擬合直線Fig.8 Fitting straight line between confining pressure and strength

圖8 峰值強(qiáng)度試驗(yàn)點(diǎn)的擬合曲線如式(1)：

式中：σ1為軸壓；σ3為圍壓。

殘余強(qiáng)度試驗(yàn)點(diǎn)的擬合曲線如式(2)：

自然狀態(tài)下巖石峰值點(diǎn)與峰后階段內(nèi)摩擦角、黏聚力為：①單軸抗壓強(qiáng)度38.94 MPa；②單軸抗壓下的下閾值10.60 MPa；③單軸抗壓下的上閾值28.92 MPa；④峰值點(diǎn)內(nèi)摩擦角36.70°；⑤峰值點(diǎn)黏聚力10.43 MPa；⑥峰后階段內(nèi)摩擦角36.41°；⑦對(duì)應(yīng)長(zhǎng)期強(qiáng)度的黏聚力7.30 MPa；⑧峰長(zhǎng)內(nèi)摩擦角之差0.29°；⑨峰長(zhǎng)黏聚力之差3.13 MPa。

2.2 巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察決定將底板松動(dòng)圈的測(cè)試點(diǎn)定在圖1 中標(biāo)示的測(cè)點(diǎn)1 所在的位置。

采用底板注漿前后2 次使用底板錨索鉆機(jī)在底板中鉆取垂直孔的方法測(cè)定：① 底板注漿前探測(cè)方法：通過(guò)鉆進(jìn)速度變化判斷；② 注漿后判斷方法：通過(guò)噴出的渣灰是否含有水泥成分判斷。東區(qū)井底車場(chǎng)出車側(cè)延伸段底板探查情況如圖9。

圖9 東區(qū)井底車場(chǎng)出車側(cè)延伸段底板探查情況Fig.9 Inspection for the bottom plate of extension section at the exit side of shaft bottom parking lot in the east area

圖9（a）是底板本次注漿前的探測(cè)結(jié)果（2020年7 月15 日），圖9（b）是按照本項(xiàng)目方案后的探測(cè)結(jié)果（探測(cè)時(shí)間2020 年11 月12 日），注漿前后2 次探測(cè)結(jié)果均表明底板松動(dòng)圈范圍是4.72 m。松動(dòng)圈探測(cè)過(guò)程也充分揭示了底板松動(dòng)圈中積聚有大量靜態(tài)含水的事實(shí)，這對(duì)深入了解巷道圍巖整體穩(wěn)定性的控制機(jī)理與技術(shù)具有很大的幫助。

巷道幫部部位的松動(dòng)圈深度為1.89 m，拱頂部位松動(dòng)圈深度1.51 m，拱角部位松動(dòng)圈深度2.17 m，底角2.67 m。東區(qū)車場(chǎng)出車側(cè)延長(zhǎng)段圍巖松動(dòng)圈示意圖如圖10。

圖10 東區(qū)車場(chǎng)出車側(cè)延長(zhǎng)段圍巖松動(dòng)圈示意圖Fig.10 Schematic diagram of surrounding rock loosening circle in extended section at exit side of east area parking lot

幫部松動(dòng)圈明顯大于拱頂部位松動(dòng)圈，拱腰松動(dòng)圈比幫部松動(dòng)圈深度大約1.15 倍左右，底角（45°方向）松動(dòng)圈比幫部松動(dòng)圈大約1.41 倍。

2.3 巷道蠕變情況

2020 年7 月18 日至7 月27 日，采用JSS30A型數(shù)顯巷道斷面收斂?jī)x，監(jiān)測(cè)了巷道中2 個(gè)測(cè)點(diǎn)的變形情況。1 斷面變形速率如圖11，2 斷面變形速率如圖12。

圖11 1 斷面變形速率曲線Fig.11 Deformation rate curves of section 1

圖12 2 斷面變形速率曲線Fig.12 Deformation rate curves of section 2

從圖11、12 的2 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面曲線可以看出井底車場(chǎng)出車側(cè)延長(zhǎng)段巷道變形具有如下3 個(gè)基本特征：

1）巷道各部位變形程度不一致。底鼓量最大，平均日底鼓量達(dá)到1.705 mm；拱基收斂速度最慢，平均日拱基收斂速率僅有0.195 5 mm；幫底變形程度居中，平均幫底日收斂速率為0.341 5 mm。

2）幫底變形與底鼓之間具有特定的內(nèi)在關(guān)系。數(shù)據(jù)表明日均底鼓量（底板中點(diǎn)的底鼓量）約是幫底收斂速率的5.0 倍左右，考慮到底鼓呈現(xiàn)中間高，兩邊底的實(shí)際狀況，平均底鼓量約是中間底鼓量的63%，故平均底鼓量約是兩幫幫底收斂量的3.2倍左右。

3）蠕變保持較穩(wěn)定速率，沒(méi)有收斂跡象。圖11 和圖12 中曲線清楚表明巷道各部位變形一直在持續(xù)，沒(méi)有變化或停止的跡象。力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試、松動(dòng)圈范圍測(cè)試表明該測(cè)點(diǎn)圍巖強(qiáng)度低，松動(dòng)圈范圍大，圍巖易發(fā)生蠕變變形，進(jìn)而影響巷道穩(wěn)定性。

3 圍巖整體穩(wěn)定性失穩(wěn)機(jī)理

由于底板松動(dòng)圈長(zhǎng)期浸水軟化，因此底板水以上部位松動(dòng)圈巖石的力學(xué)性質(zhì)與底板水以下部位松動(dòng)圈巖石的力學(xué)性質(zhì)有所不同，后者的承載力要遠(yuǎn)小于前者的承載力。因此，內(nèi)結(jié)構(gòu)整體的承載力取決于底板水下方松動(dòng)圈的承載力，這就是所謂的短板效應(yīng)。內(nèi)承載結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機(jī)理示意圖如圖13。

圖13 內(nèi)承載結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機(jī)理示意圖Fig.13 Schematic diagram of instability mechanism of internal bearing structure

在松動(dòng)圈整體結(jié)構(gòu)承受的外力小于某一限值時(shí)，底板水下方松動(dòng)圈部分發(fā)生的變形會(huì)處于穩(wěn)定蠕變范圍之內(nèi)，這時(shí)整體結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的。但當(dāng)松動(dòng)圈整體結(jié)構(gòu)承受的外力大于或等于上述限值時(shí)，底板水下方松動(dòng)圈部分發(fā)生的變形就會(huì)超過(guò)穩(wěn)定蠕變的范圍而發(fā)生蠕變，這時(shí)松動(dòng)圈的整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性就會(huì)隨之降低。

松動(dòng)圈整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低的直接結(jié)果就是對(duì)外部圍巖的支撐力減弱，導(dǎo)致外部圍巖繼續(xù)向巷道內(nèi)側(cè)位移，在這一位移過(guò)程中，底板松動(dòng)圈巖體必將發(fā)生整體變形，而唯一的變形方向只可能是向上，于是底鼓成為必然。而底鼓又勢(shì)必導(dǎo)致兩幫下部的松動(dòng)圈向內(nèi)側(cè)移動(dòng)。如此循環(huán)往復(fù)，底板松動(dòng)圈內(nèi)巖體在擠壓變形的過(guò)程中，原始巖體結(jié)構(gòu)就會(huì)遭受越來(lái)越嚴(yán)重的破壞，承載力也就會(huì)越來(lái)越低。底板松動(dòng)圈承載力的降低必然會(huì)導(dǎo)致整體松動(dòng)圈對(duì)外圍巖體的支撐能力由下向上逐漸減弱，最后導(dǎo)致整體松動(dòng)圈穩(wěn)定性的破壞。

4 圍巖蠕變巷道穩(wěn)定性控制技術(shù)

圍巖整體穩(wěn)定性控制需要考慮2 個(gè)方面的因素：①圍巖松動(dòng)圈承載力提高；②巷道整體穩(wěn)定性的提高。這2 個(gè)因素是相輔相成的，因?yàn)閲鷰r松動(dòng)圈承載力提高了，圍巖整體穩(wěn)定性自然提高；而圍巖穩(wěn)定性提高了，松動(dòng)圈的承載力也會(huì)自然提高。

依據(jù)目前現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)擁有的施工手段和技術(shù)，提高松動(dòng)圈承載力的切實(shí)可行的方法有2 種：①提高支護(hù)強(qiáng)度；②改善松動(dòng)圈圍巖性質(zhì)。

1）提高支護(hù)強(qiáng)度。支護(hù)強(qiáng)度的提高對(duì)圍巖變形過(guò)程中松動(dòng)圈的整體穩(wěn)定性的維持具有重要作用，但支護(hù)強(qiáng)度的提高對(duì)改變圍巖徑向應(yīng)力分布規(guī)律的影響比不上圍巖性質(zhì)改善所產(chǎn)生的效果。支護(hù)強(qiáng)度提高的手段主要是優(yōu)化錨桿索的設(shè)計(jì)參數(shù)，確定關(guān)鍵控制點(diǎn)位置實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

2）改善松動(dòng)圈圍巖性質(zhì)。改善圍巖性質(zhì)的通常做法是注漿，但注何種性質(zhì)的漿、如何注漿要視圍巖的性質(zhì)來(lái)定，若圍巖強(qiáng)度較高且非泥巖，則可以通過(guò)注水灰比0.7～0.8 的425#硅酸鹽水泥漿來(lái)改善圍巖性質(zhì)。若圍巖是泥質(zhì)性質(zhì)的巖石且遇水泥化現(xiàn)象較嚴(yán)重，則需注入含水率很低的特種早強(qiáng)漿液。對(duì)不同性質(zhì)圍巖的注漿還需考慮注漿工藝，對(duì)于松散程度較高、松動(dòng)圈范圍較大的圍巖需要采用低壓+變壓滲透工藝注漿，對(duì)于裂隙發(fā)育較弱的軟巖則需要3～6 MPa 壓力注漿。

綜上，底板注漿可以有效地改變外承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，但當(dāng)?shù)装宀徊捎缅^索進(jìn)行穩(wěn)定性控制的時(shí)候，底板淺部依然還會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)圈。對(duì)于圍巖性質(zhì)較差的巷道，最大限度地降低底板松動(dòng)圈的范圍是十分必要的，對(duì)此，在巷道幫部實(shí)施水平長(zhǎng)錨索可以有效地控制外承載結(jié)構(gòu)幫部穩(wěn)定性，如此一來(lái)可以較大限度地降低底板外側(cè)對(duì)底板的水平擠壓力，從而有效降低底板巖石中各部位的偏應(yīng)力的數(shù)值，從而減弱底板松動(dòng)圈擴(kuò)展的動(dòng)力。

5 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

在顧橋東區(qū)井底車場(chǎng)出車側(cè)延伸段150 m 試驗(yàn)段開(kāi)展工業(yè)性實(shí)驗(yàn)，修復(fù)后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖14 和圖15。

圖14 顧橋東區(qū)井底車場(chǎng)出車側(cè)延伸段1 斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.14 Extension section 1 at the exit side of the shaft bottom yard in Guqiao east area

監(jiān)測(cè)3.5 個(gè)月的累計(jì)變形量：拱基9.46 mm、幫底13.54 mm、底鼓67.68 mm（底板中部）。最后1周平均日變形量：拱基0 mm、幫底0.085 mm、底鼓0.036 mm（底板中部）；圖14 和圖15 的變形趨勢(shì)及最后1 周的日均變形量顯示巷道變形基本停止。

6 結(jié) 語(yǔ)

1）力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示顧橋礦深部巷道圍巖強(qiáng)度較弱，浸水后容易導(dǎo)致長(zhǎng)期強(qiáng)度、彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角較大幅度下降，巖石軟化、底板松動(dòng)圈持續(xù)擴(kuò)展以及圍巖整體穩(wěn)定性降低。

2）揭示了底板水對(duì)圍巖巷道底鼓產(chǎn)生的作用機(jī)理，結(jié)合巷道底板松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果，明確了圍巖內(nèi)外承載結(jié)構(gòu)形狀為近似豎向橢圓，為圍巖失穩(wěn)機(jī)理的研究奠定基礎(chǔ)。

3）以改善承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性為基點(diǎn)，提出了底板深孔注漿技術(shù)，底板深孔注漿可以快速改變承載結(jié)構(gòu)形狀，將不穩(wěn)定的近似豎向橢圓形狀轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定性很高的近似圓形形狀。

4）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，得到了監(jiān)測(cè)3.5 個(gè)月累計(jì)變形量：拱基9.46 mm，幫底13.54 mm，底鼓67.68 mm；最后1 周平均日變形量：拱基0 mm，幫底0.085 mm，底鼓0.036 mm。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明治理效果良好。