弱膠結(jié)軟巖巷道底鼓控制關(guān)鍵技術(shù)研究

孫 浩，王立兵，王富成，范文宇

（內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)（集團） 有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024050）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，對煤炭資源的需求越來越大，大型煤礦開采設(shè)備的研制已成為一種需求。因此，需要相應(yīng)增加地下巷道的斷面。在水的物理和化學(xué)作用的影響下，巷道形成后暴露底板在短時間內(nèi)迅速軟化。此外，在機械動荷載的重復(fù)作用下，煤巖體發(fā)生不同程度的膠結(jié)泥化破壞，嚴重影響了巷道運輸、通風(fēng)和行人的需求[1]。隨著煤礦開采深度逐年遞增，軟巖問題變得尤為關(guān)鍵[2]。軟巖巷道斷面的不斷增加，加之覆巖、構(gòu)造應(yīng)力和水的物理化學(xué)作用的共同影響，大斷面巷道底鼓現(xiàn)象越來越突出，逐漸成為巷道礦壓顯現(xiàn)的一個重要特征，底鼓治理的技術(shù)問題亟待解決[3-6]。長期以來，國內(nèi)外專家學(xué)者在軟巖巷道底鼓的形成機理和控制方面進行了大量的研究。楊曉杰[7]認為，水理作用和力學(xué)效應(yīng)是底鼓的重要影響因素；張廣超[8]認為，巷道底鼓可劃分為擠壓流動性底鼓、彎曲折疊性底鼓、剪切錯位性底鼓和水作用下膨脹性底鼓4 種類型；程敬義[9]深入研究了煤礦巷道底鼓的特點和機理，為制定有效的底鼓防治措施提供了理論依據(jù)；路軍富[10]分析了巖體的粘土礦物組成，以及圍巖在遇水后不同應(yīng)力階段的弱化和滲透性；王宇等人研究了礦物成分中化學(xué)活性蒙脫石的類型和含量在巖石膨脹中起著關(guān)鍵作用[11-12]。本文根據(jù)老公營子6 號煤層實際情況建立力學(xué)模型，從理論上對6 號煤層西翼大斷面運輸巷道底鼓進行深入分析，從力學(xué)結(jié)構(gòu)的角度對底板軟弱巖層進行深入剖析。針對現(xiàn)場水與粘土礦物相互作用引起的底鼓問題，提出了一種新的控制技術(shù)——反底拱結(jié)構(gòu)來控制井下軟巖巷道嚴重底鼓現(xiàn)象。

1 概 況

老公營子煤礦位于赤峰市元寶山區(qū)風(fēng)水溝鎮(zhèn)西南3 km 處。該礦設(shè)計生產(chǎn)能力為180 萬t/a，采用單級立井提升方式。主要可采煤層為5 號、6 號煤層。Ⅲ06-1（1） 工作面平均覆蓋深度為340 m，6-1 煤層傾角為8°～12°，煤層厚度在1.5 ～4.5 m，平均3.5 m，煤層含1 ～3 層夾矸，夾矸巖性多為粉砂巖，局部有泥巖及砂質(zhì)泥巖，泥質(zhì)膠結(jié)性較差，遇水泥化易底鼓。

煤層上覆以灰白色粉砂巖和砂質(zhì)泥巖為主，砂巖成份以石英長石為主，呈次圓狀鈣質(zhì)膠結(jié)；灰色泥巖夾雜煤線、碳質(zhì)泥巖互層呈厚層狀平均厚度18 m。煤層下部以灰白色粉砂巖和細砂巖為主，平均厚度為6.0 m。

Ⅲ06-1（1） 工作面平均走向長度922 m，傾斜長度233 m，井下位于二水平軌道大巷南。工作面軌道順槽以7675 號鉆孔為界，運輸順槽以Ⅲ06-1（2） 軌道順槽為界，切眼以該礦6-1 邊界煤柱線為界。

工作面具體位置如圖1 所示。

圖1 工作面采掘工程平面Fig.1 Mining engineering plane of working face

根據(jù)Ⅲ06-1（1） 工作面掘進實際揭露地質(zhì)資料，已知工作面內(nèi)無斷層及伴生斷裂構(gòu)造，無陷落柱、沖刷帶等情況，未見巖漿巖侵入體。水源來自頂板砂巖裂隙水，以頂板淋水形式進入該工作面，無突水危害。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，老公營子煤礦Ⅲ06-1（1） 工作面運輸巷道兩幫及底板變形嚴重。巷道兩幫變形范圍為0.4 ～1.5 m；一般情況下，底鼓為1 m 左右，局部底鼓可達1.2 m，變形嚴重。為此，對巷道兩側(cè)進行了擴底加固，并對錨索重新加固支護后的變形進行了控制。然而，經(jīng)過一次開挖，十多天后，底鼓變形達到1 m 左右?？梢钥闯?，簡單的開挖底板移除巷道中的破碎巖石會導(dǎo)致較大面積的承載能力減弱，從而進一步削弱巷道圍巖的整體承載能力。

2 底鼓分析

2.1 底板巖性及結(jié)構(gòu)分析

通過現(xiàn)場調(diào)查和地質(zhì)資料分析，確定Ⅲ06-1（1） 工作面運輸順槽底板巖性為灰白色粉砂巖。巷道開挖后，為底板巖層的變形提供了足夠的空間。隨著巷道底板長期暴露和水的侵入，底板膠結(jié)、泥化、崩解現(xiàn)象明顯，底板巖層強度急劇下降[13-14]。對6 號煤層底板灰白色粉砂巖的化學(xué)成分進行取樣分析，得出樣品試驗結(jié)果見表1。

表1 底板巖層化學(xué)成分定量分析（%）Table 1 Quantitative analysis of chemical composition of floor strata(%)

上述的6 個樣品的化學(xué)定量分析中，SiO 含量最高，平均達到57.8%；其次為Al2O2，平均含量為17.16%；Fe2O2平均含量為7%；其它組分含量較低。

Ⅲ061 工作面運輸順槽底板粘土礦物組成以高嶺石為主（47% ～57%），其次為伊利石（15%～35%） 和伊利石- 蒙脫石混層礦物（17% ～28%）。粘土礦物，如高嶺石、伊蒙混層礦物，由于顆粒小、比表面積大，具有較強的親水性[16-17]。當水滲入底板巖層中的孔隙和裂隙時，細小巖石顆粒的吸附水膜會變厚，引起巖石體積膨脹。因為這種體積膨脹是不均勻的，它在巖石中引起不均勻的應(yīng)力，導(dǎo)致底板巖石層軟化或溶解，最終形成巖石顆粒的破裂體。其化學(xué)反應(yīng)過程見式（1）。

當?shù)装鍘r體遇到水時，其底板塌陷并軟化，這導(dǎo)致巷道底板涌入巷道自由空間，形成底鼓膨脹變形（巖石顆粒吸附水膜厚度增加）。

礦井生產(chǎn)水和巖層中的水很容易滲透底板，削弱巖石顆粒之間的粘結(jié)力，造成巖石顆粒的破壞。這進一步導(dǎo)致底板軟化、膨脹、崩解，造成底板泥巖體出現(xiàn)大量節(jié)理、裂隙，削弱了圍巖整體強度。

可以看出，Ⅲ06-1（1） 工作面運輸順槽開通后，圍巖應(yīng)力的變化導(dǎo)致底板巖層彈塑性變形卸荷并向巷道內(nèi)膨脹。巷道底板含有高嶺石、伊利石等礦物成分，具有較強的遇水膨脹性。其結(jié)果是巖體的抗壓強度大大降低，產(chǎn)生流變性，易受擾動。同時，在水平應(yīng)力作用下，底鼓變形更容易發(fā)生。

2.2 底板變形機理

2.2.1 底板力學(xué)模型的建立

老公營子礦6 號煤層上方5 號煤層已開采完畢，煤巷圍巖變形主要受水平應(yīng)力的影響?？紤]到巷道造成的巷道修復(fù)量有時甚至比新挖巷道還多，特別是出現(xiàn)重復(fù)性問題的情況時，工程量更大。因此，研究其潛在機理和控制方法勢在必行[18-19]。

Ⅲ06-1（1） 工作面運輸順槽開挖后，在巷道兩幫形成支承壓力集中（圖2）。在采動引起的支承壓力和側(cè)向變形以及底板巖層沿著層向的水平應(yīng)力（Fx） 的共同作用下，運輸順槽底鼓變形明顯。當?shù)装鍘r層上的水平應(yīng)力（Fx） 超過極限值時，將引起底板巖層失穩(wěn)（巖層破裂和隆起）。底板巖層在水平應(yīng)力（Fx） 和重力（q） 作用下的變形狀態(tài)如圖3 所示。

圖2 巷道周圍應(yīng)力狀態(tài)Fig.2 Stress state around roadway

圖3 底板力學(xué)模型Fig.3 Mechanical model of floor

其彎曲方程為：

式中：m1為復(fù)合梁上方的彎曲層的厚度，m；J 為組合梁上部的彎曲截面模量，m4；c 為巖層的容重，MN/m3；E 為彎曲層的彈性模量，MPa；w 為彎曲變形量，m；L 為運輸順槽的跨度，m。

邊界條件：

若k2= (Fx/EJ)，得到梁中最大彎曲壓應(yīng)力（x=1/2），其大小為：

2.2.2 層狀巖層底板穩(wěn)定性的影響因素

根據(jù)以上分析，底板失穩(wěn)破壞的臨界軸力為FXC=π2EJ/L2（此處不考慮巷道高度的影響）。假定底板在集中支承壓力作用下的側(cè)壓力系數(shù)為λ，其周圍的最大支承力為KcH，則底板巖層上的水平力可近似為式（8）：

當Fx≥FxC時，底板巖層發(fā)生失穩(wěn)。將FxC代入此公式并簡化，得到式（9）。

可知，層位越深，跨度越大，底板巖層強度越低，巖層厚度越小，越容易失穩(wěn)破壞。其中，層厚m1的影響最明顯，其次是巷道跨度L 和采深H 的影響，彈性模量E 的影響最小?？紤]到煤層開采深度和底板巖性固定，巷道已經(jīng)開挖，運輸順槽的跨度L 無法調(diào)整。因此，只有通過錨固底板的方式，才能提高鋪層厚度m1，這樣才能有效控制底板的變形，保證巷道的穩(wěn)定性。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型參數(shù)確定

Ⅲ06-1（1） 工作面運輸順槽建模過程中，模型初始平衡階段采用H-B 準則得到的巖體等效M-C 準則參數(shù)。在運輸順槽的開挖中，底板參數(shù)應(yīng)為應(yīng)變軟化模型參數(shù)。 模型準則基于Mohr-Coulomb 準則。

3.2 模型建立

根據(jù)老公營子礦井地質(zhì)條件和巷道圍巖的力學(xué)參數(shù)，利用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件進行了數(shù)值模擬。模型尺寸為100 m × 66.8 m× 10 m（長×寬×高），如圖4 所示。運輸順槽位于煤層下部，按實際斷面4.8 m×3.1 m（長×高） 開挖。整個模型由112 170 個單元和763 824 個節(jié)點組成，網(wǎng)格尺寸從巷道圍巖向外逐漸增大。 使用Mohr-Coulomb 標準進行模擬，并根據(jù)實際情況為每個巖層分配參數(shù)。根據(jù)煤層深度400 m，在模型頂部施加10 MPa 的垂直向下壓力，模擬上覆巖層的自重應(yīng)力。模型底部的垂直位移受到約束，模型四周的橫向位移受到約束。

圖4 數(shù)值計算模型Fig.4 Numerical calculation model

3.3 巷道變形

（1） 圖5（a） 所示為Ⅲ06-1（1） 工作面運輸順槽開采后巷道支護結(jié)構(gòu)下方的水平應(yīng)力分布。在煤壁中形成了壓應(yīng)力區(qū)。應(yīng)力場范圍約為3 m，數(shù)值約為10 MPa。中間壓應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力最大，約為11 MPa。從整體形狀和應(yīng)力分布來看，原支護方案下Ⅲ061 工作面運輸順槽兩幫形成的支護應(yīng)力場中間壓應(yīng)力區(qū)與外圍壓應(yīng)力區(qū)重疊，并與Ⅲ06-1（1） 工作面運輸順槽最上部錨產(chǎn)生的應(yīng)力區(qū)相連。但由于無支護構(gòu)件，底板與煤壁下部錨之間存在一部分低應(yīng)力區(qū)，原支護方案的支護應(yīng)力場無法控制底鼓。

圖5 巷道開挖后的應(yīng)力分布及塑性區(qū)Fig.5 Stress distribution and plastic zone after roadway excavation

（2） 如圖5（b） 所示，在Ⅲ06-1（1） 工作面運輸順槽的頂板中形成了一個大而連續(xù)的壓應(yīng)力區(qū)。應(yīng)力場范圍約為2 m，數(shù)值約為11 MPa，壓應(yīng)力區(qū)最大應(yīng)力值約為14 MPa。從頂板支護角度看，由于頂板和煤壁支護應(yīng)力場的疊加，Ⅲ06-1（1） 工作面運輸順槽頂板的垂向應(yīng)力場可以有效作用于懸挑巖體，驗證了在原巷道支護條件下支護應(yīng)力場無法連通，底板巖體大部分處于受拉狀態(tài)，難以控制底鼓。

（3） 如圖5（c） 所示，頂板和煤壁的變形約為0.1 m，底板的最大變形約為0.36 m。說明巷道底鼓現(xiàn)象尤其嚴重。

（4） 如圖5（d） 所示，在原支護方案條件下，兩幫破壞深度3.4 m，頂板破壞深度5.5 m，底板破壞深度8.8 m。但與頂板及兩幫相比，底板僅由2 個煤壁斜錨栓支撐。導(dǎo)致底板上有很大范圍的屈服區(qū)，屈服區(qū)沿著約45°角的方向向外延伸。因此底板大面積破壞和遇水崩解，必然導(dǎo)致大變形。

綜上所述，數(shù)值模擬所反映的巷道圍巖變形現(xiàn)象與現(xiàn)場實測的頂?shù)装?、兩幫位移基本一致。同時可以看出，由于底板無支撐結(jié)構(gòu)引起的底鼓變形十分嚴重。

4 工程應(yīng)用

4.1 底鼓控制技術(shù)

基于數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合上述巷道圍巖性質(zhì)，提出軟巖巷道優(yōu)化支護方案，在原有支護方案，保證Ⅲ061 工作面運輸順槽頂板和兩幫的支護參數(shù)不變，僅對底板制定了新的支護參數(shù)。

Ⅲ06-1（1） 工作面運輸順槽支護方式如圖6 所示。

圖6 巷道支護優(yōu)化方案Fig.6 Optimization scheme of roadway support

（1） 對Ⅲ06-1（1） 工作面運輸順槽底板進行開挖，形成距底板中心800 mm 的向下弧形空間，通過超挖底板釋放深部巖體變形壓力。

（2） 在弧形空間底部均勻鋪設(shè)了50 mm 的生石灰作為隔水墻，防止巷道內(nèi)礦井水穿透底板巖層，降低底板強度。

（3） 將預(yù)制混凝土弧形梁放入其中，并鋪設(shè)金屬網(wǎng)。底板錨索直徑為2.18 mm，長度為6 200 mm。每排錨索間距為1 600 mm。沿巷道長度方向兩排錨索之間的間距為1 300 mm。每個鉆孔均采用水灰比為0.8∶1 的超細水泥漿填充。保證錨索預(yù)緊力不小于100 kN。

（4） 采用C20 高強混凝土回填超挖處的弧形空間，保持地面平整，提高了底板和兩幫的抗變形能力。

4.2 井下試驗結(jié)果和分析

根據(jù)老公營子煤礦的地質(zhì)條件，制定了100 m巷道試驗段底鼓治理方案。在保留頂板和兩幫支護條件的基礎(chǔ)上增設(shè)反底拱結(jié)構(gòu)，并結(jié)合控水措施實現(xiàn)對底鼓現(xiàn)象的有效控制。試驗巷道采用底板控制方案后，在試驗段設(shè)置4 個地表位移觀測站，監(jiān)測Ⅲ06-1（1） 工作面運輸順槽頂?shù)装搴蛢蓭臀灰频氖諗壳闆r，Ⅲ06-1（1） 工作面運輸順槽收斂數(shù)據(jù)分析如圖7 位移- 時間曲線所示。

圖7 位移- 時間曲線Fig.7 Displacement-time curve

試驗段Ⅲ06-1（1） 工作面運輸順槽地表位移變化可分為3 個階段。

（1） Ⅲ06-1（1） 工作面運輸順槽快速收斂階段為巷道修復(fù)后6 ～22 d。這一階段的收斂約占總收斂的70%。

（2） Ⅲ06-1（1） 工作面運輸順槽修復(fù)后23～42 d，該階段的收斂速率逐漸減小并趨于穩(wěn)定；Ⅲ061 工作面運輸順槽修復(fù)42 d 后，巷道圍巖收斂趨于穩(wěn)定。

（3） 修復(fù)60 d 后，試驗段Ⅲ06-1（1） 工作面運輸順槽的最終底鼓為82.5 mm，兩幫最大收斂量為182 mm，頂板最大下沉量為142 mm。

綜上所述，新的支護方案對巷道底鼓的控制和煤幫的接近有顯著效果。

5 結(jié) 論

（1） 根據(jù)巷道底板的采樣和分析，確定粘土礦物含量。粘土礦物的成分主要是高嶺石（47%～57%），其次是伊石（15%～35%）。粘土礦物的親水性致使底板層狀巖石軟化形成巖石微粒，嚴重削弱了圍巖承載能力。

（2） 通過對Ⅲ061 工作面運輸順槽進行力學(xué)分析，埋深更深且跨度越大的水平巷道其底板巖層的強度越低，增加底板錨固層厚度Hm 可以有效改善底板抗變形能力。

（3） 應(yīng)用FLAC3D 數(shù)值模擬分析的原有支護方案下運輸順槽的變形及應(yīng)力分布情況?？梢钥闯?，底鼓變形造成巷道圍巖變形十分嚴重。

（4） 基于原始支護方案，提出了“生石灰底部鋪設(shè)+預(yù)應(yīng)力錨索+混凝土弧梁+金屬網(wǎng)+C20高強度混凝土填充”支護優(yōu)化方案，從根本上改變底板巖層的力學(xué)性能，改善其抗變形能力。

（5） 根據(jù)測試巷道的試驗結(jié)果，表明新的支護方案能有效控制底板和兩幫的收斂，最終底板底鼓量62.5 mm，滿足煤礦安全生產(chǎn)的要求。