深部破碎軟巖巷道失穩(wěn)破壞機理及支護(hù)技術(shù)研究

張宇旭

(湖北理工學(xué)院，湖北省黃石市，435003)

★ 煤炭科技·開拓與開采★

深部破碎軟巖巷道失穩(wěn)破壞機理及支護(hù)技術(shù)研究

張宇旭

(湖北理工學(xué)院，湖北省黃石市，435003)

針對深部軟巖巷道的失穩(wěn)破壞問題，基于井下煤巖體地質(zhì)力學(xué)測試，分析了導(dǎo)致深部軟巖巷道變形破壞的主要因素，認(rèn)為地應(yīng)力屬于中等偏高應(yīng)力，煤巖體強度較低、裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)育等是引起圍巖大變形的主要地質(zhì)因素。基于分析結(jié)果，提出了注漿加固+高預(yù)應(yīng)力錨索的聯(lián)合支護(hù)方案，并在玉溪礦進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。應(yīng)用效果表明，支護(hù)方案有效控制了巷道的變形，使巷道整體保持了良好的穩(wěn)定性，成功解決了深部軟巖巷道失穩(wěn)破壞問題。

破碎圍巖 軟巖巷道 巷道支護(hù) 注漿加固 高預(yù)應(yīng)力

礦井開采進(jìn)入深部以后，巷道圍巖受到自重應(yīng)力和水平構(gòu)造應(yīng)力的雙重影響后，處于高應(yīng)力狀態(tài)。由于個別礦區(qū)煤系巖層強度低，巖體結(jié)構(gòu)裂隙發(fā)育，一旦巷道進(jìn)行工程開挖，巷道圍巖將出現(xiàn)大變形失穩(wěn)破壞。若遇到斷層、褶皺等構(gòu)造帶，斷層破碎帶的巖層通常膠結(jié)性差、透水性好，圍巖更加難以控制。針對深部破碎圍巖穩(wěn)定性控制難題，我國學(xué)者提出了許多有針對性的技術(shù)措施，如顧北煤礦巷道在穿過斷層時，通常采用地面預(yù)注漿固結(jié)斷層區(qū)域破碎煤巖體，然后再采用超前管棚注漿技術(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用表明，該技術(shù)方案效果良好；星村煤礦回風(fēng)大巷在過構(gòu)造帶時，圍巖松軟破碎，巷道變形極其嚴(yán)重，采用底板反底拱和注漿錨索聯(lián)合支護(hù)后，圍巖得到了有效控制；目前國內(nèi)對構(gòu)造區(qū)域松軟破碎圍巖、軟巖巷道、穿層巷道等復(fù)雜困難條件通常采用注漿加固技術(shù)。

本文針對玉溪礦深部破碎軟巖巷道的失穩(wěn)破壞問題，基于圍巖地質(zhì)力學(xué)測試，分析了導(dǎo)致深部軟巖巷道變形破壞的主要原因。針對巷道變形破壞原因，從理論方面分析了注漿加固控制圍巖變形破壞的機理，并提出了注漿加固+高預(yù)應(yīng)力錨索的聯(lián)合支護(hù)方案。

1 工程概況

玉溪礦主采3#煤層，巷道埋深650～700 m，運輸大巷布置在3#煤層上方的泥巖巖層中，巷道主要采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)。由于受地質(zhì)構(gòu)造和埋深影響，巷道支護(hù)成型后最長時間不到半年，大巷石門均有不同程度的變形。巷道兩幫最大移近量達(dá)到1000 mm，頂?shù)装遄冃瘟孔畲筮_(dá)到2500 mm，主要表現(xiàn)為巷道幫部和拱頂噴層大面積開裂，部分開裂嚴(yán)重處，噴層脫落，裸露出鋼筋網(wǎng)片和圍巖體，底板出現(xiàn)不同程度的底鼓現(xiàn)象，底板變形嚴(yán)重處底鼓量達(dá)到2000 mm。現(xiàn)場觀測結(jié)果顯示，底板變形仍未穩(wěn)定，嚴(yán)重威脅了現(xiàn)場設(shè)備和工人的安全。

針對井下各大巷的長期觀測，發(fā)現(xiàn)巷道的變形和破壞具有以下特點：在巷道的一次支護(hù)中，巷道的變形主要以拱頂下沉、底鼓和兩幫內(nèi)擠為主。巷道開挖以后圍巖初期變形速度快，變形量大。由于修復(fù)時圍巖還處在不斷的變形中，未有效控制圍巖變形或釋放所產(chǎn)生的巨大壓力，因此，修復(fù)后的支護(hù)結(jié)構(gòu)仍不能保持巷道的穩(wěn)定。部分地段巷道圍巖中受到水的影響，巖體泥化現(xiàn)象明顯，造成局部巷道的變形破壞現(xiàn)象更嚴(yán)重，底鼓顯著，嚴(yán)重影響了巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。變形破壞后的巷道圍巖，其主要特征是軟弱、松散和破碎，軟化和泥化及流變現(xiàn)象顯著，使得圍巖的力學(xué)特性顯著降低，加上部分錨桿(尤其是拱肩部大多數(shù))斷裂，加劇了巷道后期的變形破壞。

2 運輸大巷失穩(wěn)破壞原因分析

2.1 圍巖地質(zhì)力學(xué)測試及分析

2.1.1 地應(yīng)力測試及分析

在運輸大巷周圍布置了測點進(jìn)行地應(yīng)力測試，測點最大水平主應(yīng)力為15.04 MPa，最小水平主應(yīng)力為7.6 MPa，垂直應(yīng)力為16.47 MPa；根據(jù)相關(guān)判斷標(biāo)準(zhǔn)：0～10 MPa為低應(yīng)力區(qū)，10～18 MPa為中等應(yīng)力區(qū)，18～30 MPa為高應(yīng)力區(qū)，大于30 MPa為超高應(yīng)力區(qū)。由此，判斷測試區(qū)域地應(yīng)力場在量值上屬于中等偏高應(yīng)力區(qū)。

2.1.2 圍巖強度測試及分析

在地應(yīng)力測孔中對巷道的巖體進(jìn)行了強度測試，頂板上方1 m以內(nèi)為深灰色粉砂質(zhì)泥巖，巖層強度平均值為49.46 MPa；頂板上方1～5.4 m為灰色細(xì)粒巖屑石英砂巖，巖層強度平均值為85.68 MPa；頂板上方5.4～9.2 m為泥巖，巖層強度平均值為29.95 MPa；頂板上方9.2～10 m為深灰色粉砂巖，巖層強度平均值為54.93 MPa。巷幫強度平均值為54.74 MPa。從測試結(jié)果來看，細(xì)粒砂巖和粉砂巖強度較高，完整性好，而泥巖、砂質(zhì)泥巖強度較低，尤其遇到淋水，強度進(jìn)一步降低。

2.1.3 圍巖變形破壞情況窺視及分析

采用電子鉆孔窺視儀對圍巖內(nèi)部的裂隙分布和發(fā)育特征進(jìn)行觀測，通過觀測判斷圍巖破壞的深度。運輸大巷頂板圍巖破碎嚴(yán)重，頂板上方1.4 m以內(nèi)為連續(xù)破壞區(qū)，巖層內(nèi)生裂隙發(fā)育，巖層完整性差；頂板上方1.4～2.5 m之間巖層完整性好；頂板上方2.5～5.7 m部分巖層又出現(xiàn)破碎區(qū)，局部產(chǎn)生較大離層；頂板上方5.7～7.6 m部分雖然局部存在裂隙，但圍巖整體完整性好，幫部圍巖破壞深度明顯大于頂板破壞深度。

2.2 圍巖失穩(wěn)破壞原因分析

由巷道變形破壞特征可以看出，對于運輸大巷來說，現(xiàn)有的支護(hù)方式難以控制巷道圍巖的穩(wěn)定，即使采用補強加固措施，仍不能控制圍巖的持續(xù)變形，巷道變形破壞的主要原因有以下幾個方面：

(1)圍巖松軟破碎、強度低。輔助運輸大巷所在巖層均為泥巖、砂質(zhì)泥巖，圍巖強度比較低，易風(fēng)化。隨著巷道圍巖暴露時間的延長，完整巖體逐漸風(fēng)化為破碎巖體，降低了圍巖自身的承載能力。

(2)斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造的影響。輔助運輸大巷埋深進(jìn)入650 m以下時，巷道穿過地質(zhì)構(gòu)造帶，由于地質(zhì)構(gòu)造的影響，圍巖松軟破碎，膠結(jié)性差，巷道成型困難。

(3)地應(yīng)力的影響。巷道埋深在650～700 m之間，垂直主應(yīng)力為16.47 MPa，最大水平應(yīng)力為15.04 MPa。由于地應(yīng)力水平高，巷道圍巖應(yīng)力集中，圍巖最大集中應(yīng)力能達(dá)到50 MPa以上，超過了巖體的承載極限，使巖體發(fā)生失穩(wěn)破壞。

(4)水對圍巖的影響。運輸大巷局部淋水，且圍巖為泥巖，含有豐富的黏土礦物，黏土礦物遇水易泥巖、崩解，圍巖力學(xué)性質(zhì)劣化嚴(yán)重。

(5)支護(hù)方式不合理。運輸大巷采用錨網(wǎng)索支護(hù)，由于采用滯后噴漿，噴漿滯后不能及時封閉圍巖，使圍巖易產(chǎn)生風(fēng)化破壞。再加上支護(hù)強度和剛度較低，支護(hù)結(jié)構(gòu)不能有效控制圍巖穩(wěn)定，導(dǎo)致圍巖一直處于變形破壞狀態(tài)，從而出現(xiàn)網(wǎng)兜、頂板下沉、底鼓等巷道變形破壞。

3 深部破碎圍巖巷道支護(hù)技術(shù)

3.1 深部破碎圍巖控制原則

針對玉溪礦運輸大巷地質(zhì)力學(xué)環(huán)境、變形破壞范圍、應(yīng)力分布狀態(tài)等因素，結(jié)合已有研究成果，提出圍巖控制原則。圍巖控制的主要目的是保持圍巖穩(wěn)定，把支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖視為統(tǒng)一承載體，使二者能夠協(xié)調(diào)變形、統(tǒng)一承載。既要保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度大于其臨界剛度，也要保證支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖整體協(xié)調(diào)變形，恢復(fù)圍巖完整性、強度。由于大巷圍巖周圍破壞范圍已達(dá)5 m以上，巖體內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育，局部淋水。若不進(jìn)行注漿加固恢復(fù)其完整性、強度，僅進(jìn)行補打錨索，錨索無法施加高預(yù)應(yīng)力，也無法有效傳遞其預(yù)應(yīng)力，且錨固段錨固力低，錨索容易產(chǎn)生滑脫、失效等現(xiàn)象。因此進(jìn)行圍巖控制前，必須進(jìn)行注漿加固。漿液使破碎巖體的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角及抗拉強度顯著提高，還有效充填了巖體的節(jié)理、裂隙，封堵了導(dǎo)水通道，抑制淋水、空氣的侵蝕。對于返修巷道，還要及時采用高預(yù)應(yīng)力、全長錨固支護(hù)方式。高預(yù)應(yīng)力可以有效控制圍巖內(nèi)部節(jié)理、裂隙的張開，全長錨固可抑制巖層間的錯動、滑動，在錨固區(qū)內(nèi)形成剛度較大的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，阻止錨固區(qū)外巖層產(chǎn)生離層，同時改善圍巖深部的應(yīng)力分布狀態(tài)。

3.2 圍巖注漿加固和注漿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

圍巖注漿加固和注漿錨索聯(lián)合支護(hù)加固方案如圖1所示。

(1)圍巖水泥漿液-水玻璃漿液注漿加固。為保證注漿質(zhì)量，采用淺孔—深孔注漿加固方式，淺孔和深孔的水泥漿液的水灰比為1∶1.5，并添加添加劑，添加劑用量為水泥重量的20%。水玻璃濃度為38～42 Be′，模數(shù)M=2.8～3.2，水泥漿和水玻璃的體積比為1∶1。

淺孔注漿：兩幫下軋注漿鉆孔直徑?75 mm，孔深3000 mm，注漿孔排距4000 mm。鉆孔孔口采用1000 mm長鋼質(zhì)注漿管，注漿終止壓力2～3 MPa；幫頂注漿鉆孔直徑?42 mm，孔深3000 mm，注漿孔排距4000 mm，間距2000 mm。鉆孔孔口采用1000 mm長鋼質(zhì)注漿管，注漿終止壓力2～3 MPa。

深孔注漿：深鉆孔布置在淺鉆孔中間，與淺孔交叉布置，兩幫下軋注漿鉆孔直徑?75 mm，孔深5000 mm，注漿孔排距4000 mm。鉆孔孔口采用1000 mm長鋼質(zhì)注漿管，注漿終止壓力4～6 MPa；幫頂注漿鉆孔直徑?42 mm，孔深5000 mm，注漿孔排距4000 mm，間距2000 mm。鉆孔孔口采用埋1000 mm長鋼質(zhì)注漿管，注漿終止壓力4～6 MPa。

圖1 運輸大巷注漿和注漿錨索聯(lián)合加固方案

(2)注漿結(jié)束后，施工注漿錨索。兩幫下軋注漿錨索鉆孔直徑?75 mm，錨索直徑?22 mm，長度7000 mm，排距2000 mm，采用分次全長錨固。首先采用水泥端部錨固，端部采用水泥灌漿錨固，灌漿錨固長度2000～3000 mm，灌漿14 d后張拉至150 kN,并進(jìn)行注漿，形成錨索全長預(yù)應(yīng)力錨固。

幫部和頂部注漿錨索鉆孔直徑?30 mm，錨索直徑?22 mm，長度7000 mm，排距2000 mm，間距2000 mm，采用樹脂端部錨固，三支低粘度錨固劑，一支規(guī)格為K2335，另兩支規(guī)格為Z2360，樹脂錨固長度為1970 mm，錨固完成后張拉至150 kN，然后進(jìn)行水泥漿注漿，從而形成全長預(yù)應(yīng)力錨固。

3.3 運輸大巷圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測及分析

采用十字布點的方法測量巷道表面位移，主要測量上幫移近量、下幫移近量、頂板下沉量和底板底鼓量，監(jiān)測結(jié)果如圖2所示。

圖2 注漿加固后圍巖位移曲線

由圖2可以看出，巷道的變形量在注漿加固后逐漸增大，15 d后，巷道頂板下沉量和兩幫變形量變形逐漸平穩(wěn)，巷道基本保持穩(wěn)定。頂板最大下沉量為30 mm，兩幫移近量為50 mm，底鼓量較大，最大值超過250 mm，這主要是由于測站安裝區(qū)域巷道底板未打設(shè)底板錨索，從而導(dǎo)致巷道底鼓變形嚴(yán)重，而底板錨索支護(hù)的區(qū)域巷道底鼓不太嚴(yán)重，說明若徹底治理巷道底板變形，必須對底板錨索進(jìn)行控制。

綜合分析礦壓監(jiān)測結(jié)果并對比井下加固區(qū)域和未加固區(qū)域的巷道支護(hù)效果可知，注漿加固后的巷道有效控制了巷道變形，及時抑制了圍巖早期變形，保證了服務(wù)期間巷道的穩(wěn)定和安全，高預(yù)應(yīng)力強力錨桿支護(hù)系統(tǒng)是一種安全、有效和經(jīng)濟的支護(hù)方式。

4 結(jié)論

(1)基于地質(zhì)力學(xué)測試，得出導(dǎo)致運輸大巷變形破壞的主要原因包括圍巖松軟破碎、強度低、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、巷道淋水、高地應(yīng)力作用以及不合理的支護(hù)方式。

(2)針對運輸大巷變形破壞原因，提出了注漿加固和高預(yù)應(yīng)力錨索聯(lián)合加固技術(shù)，通過注漿漿液充填煤巖體的裂隙，提高圍巖的強度，高預(yù)應(yīng)力錨索有效控制了錨固區(qū)內(nèi)圍巖離層、滑動、裂隙張開及新裂紋的產(chǎn)生等擴容變形，保證了錨固區(qū)的強度和完整性。錨固區(qū)圍巖的位移差較小，注漿加固后的圍巖完整性好，保證了錨桿、錨索錨固力不降低，取得了良好支護(hù)效果。

(3)研究成果在運輸大巷進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，采用基于注漿加固+高預(yù)緊力強力支護(hù)方法，大幅度提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度和強度，可以有效控制深部軟巖巷道的圍巖變形，使巷道圍巖保持了很好完整性，實現(xiàn)了一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形與破壞，避免了二次支護(hù)和巷道維修。

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(責(zé)任編輯 陶 賽)

Researchoninstabilitymechanismandsupporttechnologyfordeepbrokensoftroadway

Zhang Yuxu

(Hubei Institute of Technology, Huangshi, Hubei 435003, China)

Aiming at the instability problem of soft rock roadway in deep coal mines, based on geological mechanics test of underground coal and rock mass, the main factors leading to the deformation and failure of deep soft rock roadway were analyzed. In-situ stress was considered as medium high stress, and the low strength of coal and rock mass, the fracture structure development are main geological factors that cause large deformation of surrounding rock. Based on the analysis results, the combined support scheme of grouting reinforcement and high pre-stressed cable was put forward. and was applied at Yuxi Mine. The results showed that the support scheme could effectively control the deformation of roadway and guarantee the overall stability of roadway, successfully solving the failure problem of deep soft rock roadway.

broken surrounding rock, soft rock roadway, roadway support, grouting reinforcement, high pre-stressed force

張宇旭. 深部破碎軟巖巷道失穩(wěn)破壞機理及支護(hù)技術(shù) [J]. 中國煤炭，2017，43(8)：85-88. Zhang Yuxu. Research on instability mechanism and support technology for deep broken soft roadway [J]. China Coal，2017,43(8)：85-88.

TD354

A

張宇旭(1979-)，男，湖北黃梅人，碩士，副教授，主要從事土木工程結(jié)構(gòu)及地下工程方面的研究工作。