圍巖燒變對斜井穩定性的影響機制及其控制研究

劉志恒 袁 永 柯發宏,2 袁超峰

(1. 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，中國礦業大學礦業工程學院，江蘇省徐州市，221116； 2. 陜西麟北煤業開發有限責任公司，陜西省寶雞市，721599)

陜北、內蒙古、新疆等地區燒變巖分布廣泛，其巖體裂隙發育，孔隙率和含水率較高，完整性極差，受擾動影響后極易產生流變破壞、頂板垮落冒頂等礦山災害，是礦山建設及煤層開采的主要工程地質問題之一。國內地質、資源探勘和煤炭系統針對燒變巖的成因、分類、水文地質特征和工程特性等方面做出大量的理論和工程研究并取得豐碩成果，揭示了燒變巖的空間分布形態、地球物理特征以及與地下水的作用關系等，但針對燒變巖這類特殊軟巖的支護技術研究較少。涼水井煤礦2#副斜井在過燒變巖區的掘進過程中，產生了不同程度的冒頂、片幫等破壞問題，嚴重威脅礦井施工的安全，因此，解決燒變巖區的圍巖穩定性控制問題，提出合理的支護技術與參數，對保障井筒的長期穩定具有重要的現實意義。

1 工程地質特征

1.1 地質條件

涼水井煤礦位于陜北榆神礦區，為承擔礦井北部區域輔助運輸任務，礦井設計布置2#緩坡副斜井。為加快施工進度，從井底基巖段開始反掘，斜井反掘期間揭露巖性以細粒砂巖和粉砂巖為主，先后穿過底板粉砂巖、3-1煤層、燒變巖及風化巖，其中預計穿燒變巖長度為220 m，如圖1所示。

圖1 斜井地質剖面圖

1.2 燒變巖物理特性

基于涼水井煤礦地質報告及補充勘查報告，揭露燒變巖主要呈現如下特征：巖石燒變后呈棕紅色、紫雜色等，巖層破碎成不規則塊狀、片狀，整體表現出完整性差、紊亂支離破碎等特性；裂隙孔洞發育，導水性強，受上方含水層補給影響富水性較強，且遇水松軟易崩塌，嚴重時呈流淌狀；巖石含有較高的粘土礦物，具有膨脹特性，極易風化潮解，且受采動影響敏感；孔隙率和吸水率有所上升，力學性能大幅降低，大大喪失承載能力。巖石物理力學參數見表1。

表1 巖石物理力學參數

2 巖體燒變對斜井圍巖穩定性影響機制

2.1 巖體燒變后強度劣化

大量研究和實踐表明，圍巖松動圈厚度可以作為衡量圍巖狀態及支護分類的重要指標，基于Hoek-Brown強度準則求得圍巖松動圈半徑R1為：

式中：R0——巷道半徑，m；

σc——巖體單軸抗壓強度，MPa；

pi——支護強度，MPa；

m、s——松動區的Hock-Brown常數；其中：

式中：mi——完整巖石的Hock-Brown常數，由巖石種類決定；

GSI——巖體完整性的地質強度指標；

D——表征巖體受擾動程度因子。

由式(1)、式(2)和式(3)可以看出，圍巖松動圈厚度L是一個與巷道半徑、圍巖強度、支護強度、巖石性質、巖體的完整性和受擾動程度因子等因素有關的復雜函數，是一個多因素影響的系統問題，即：

L=f(R0,σc,Pi,mi,GSI,D)

(4)

由式(4)可知，巷道圍巖松動圈與巖體完整性和受擾動程度因子間的關系曲線如圖2所示。

圖2 松動圈厚度與部分參數關系

由圖2可以看出，涼水井煤礦2#副斜井燒變巖區原巖為粉砂巖，塊狀結構，整體強度和完整性較好，GSI基本達到70以上，松動圈厚度為0.5～1.5 m左右，屬較穩定圍巖；巖體燒變后基本為碎裂結構，長石等不穩定礦物風化成粘土礦物，遇水后更是軟化成泥糊狀，開挖后易坍塌，地質強度指標不足50，松動圈厚度大于3.0 m，屬極軟圍巖，支護不當時極易失穩。巖體燒變前強度和完整度較高，隨受擾動程度增加，松動圈厚度增幅很小；巖體燒變后，地質強度指標降低，受擾動因子對圍巖穩定性影響顯著增加。燒變巖體采用炮掘工藝掘進時，爆破產生的應力波加劇圍巖裂隙的產生和擴展，一方面降低了圍巖的完整性，另一方面增加了巖體受擾動程度，圍巖從暴露到完全喪失穩定性甚至產生冒落的時間急劇縮短，斜井開掘后，有時甚至來不及實施支護，表面便出現較大變形；松動圈厚度大幅增大，深處圍巖也會發生較大位移，巖體間的相互作用力減小，塑性區范圍進一步擴大，最終導致圍巖整體大面積失穩。

2.2 裂隙水弱化作用

掘進工作面位于薩拉烏蘇組中等富水區，掘進過程中伴有滴水、淋水現象，出水量大，巖體基本為飽水狀態。根據表1中的力學參數，利用FLAC3D模擬軟件建立數值計算模型，模型尺寸為40 m×20 m×40 m，側壓系數取1.2，模型四周及底部固定約束，上邊界施加2.6 MPa面力等效上覆巖層重力。模擬結果分別如圖3、圖4和表2所示。

圖3 圍巖塑性區分布

圍巖狀態頂板/mm底板/mm幫部/mm干燥9.9410.7610.70飽水149.62140.87128.96

由模擬結果可知，燒變巖在干燥狀態下，塑性區擴展深度為0.2 ～0.7 m左右，最大垂直應力為8.06 MPa，位于斜井底角處，頂底板及兩幫變形量基本在20 mm左右；燒變巖在飽水狀態下，頂板及兩幫塑性區擴展深度為2.2～2.7 m，底板達到3.6 m，最大垂直應力為4.23 MPa，主要分布在兩幫距斜井表面約2.0 m處，較干燥情況下頂底板及兩幫低應力區有明顯增加，圍巖變形量增幅達到12～15倍。

圖4 圍巖垂直應力分布

綜上所述，燒變巖在干燥狀態下雖然較原巖強度有所降低，但仍具有一定的承載能力。由于地下裂隙水的存在，在水-巖力學耦合作用下加劇了裂隙的發育程度，圍巖抗剪強度及力學性能進一步降低；水—巖物化耦合作用下巖體內膠結物被沖刷、溶解，降低了巖體塊與塊之間力的聯系，加劇了大塊巖體的崩解、膨脹和泥化。此外，在開挖后圍巖尚未全封閉時，受潮巖體在水壓的作用下更易向自由面移動，發生流變現象。

3 燒變圍巖斜井支護技術研究

3.1 支護方案設計

3.1.1 合理注漿堵水

研究認為，消除或減弱掘進過程中裂隙水對巖體的弱化影響的關鍵是減少裂隙水與圍巖作用的機會，通過對涌水量大的區段采用預注漿堵水加固，封堵圍巖裂隙，改變上覆巖層水的流動路徑，降低斜井圍巖的含水率，以減少水對圍巖的軟化和沖刷，提高圍巖的強度。

3.1.2 支護方式選擇

由于圍巖強度低，松動破壞范圍大，普通的錨桿支護錨固區一般都在圍巖的塑性區或破碎區內，可錨性與錨固力較低，難以適應巷道的非線性大變形，無法實現錨桿預期支護效果。U型鋼支架作為骨架結構和混凝土共同形成封閉承載機構是一種有效的支護方式，但圍巖來壓快時存在滯后效應，同時對于提高圍巖強度、充分發揮圍巖自承能力方面作用有限。研究表明，超前管棚不僅能起到物理上的剛性支撐作用，還可以通過結合注漿技術提高圍巖力學參數和完整性、改善圍巖受力狀態，同時可封堵裂隙，有效隔水，在裂隙發育、巖體破碎、斷層較多等IV～VI級圍巖條件下效果顯著。

3.1.3 支護設計及工藝流程

綜合前文分析，針對燒變巖體物理力學特性，支護的關鍵不在于開挖后的支護強度和時機，更重要的是消除開挖前圍巖本身強度劣化，充分發揮圍巖承載能力。因此提出“管棚撞契+U型鋼”一次支護，“砌碹+壁后注漿”二次支護的支護方案，具體工藝流程為：先探后掘、注漿堵水、超前管棚、短掘短支(挖掘機破巖，U25型鋼支護)、二次襯砌。

3.2 支護參數設計

3.2.1 注漿參數設計

注漿材料選用高水速凝材料，水灰比為1.6∶1～1.8∶1，起始壓力0.8～1.0 MPa，淺孔注漿壓力2.0～2.5 MPa，深孔注漿壓力2.5～3.0 MPa。

注漿孔布置如圖5所示，在工作面前方布置3排3列眼，按不同的設計角度向頂板上方傾斜，注漿后可以形成不同的控制范圍，最長控制范圍約為12 m，漿液擴散半徑約1.5 m。鉆孔孔徑65 mm，頂板眼沿巷道拱部輪廓線布置，中間眼距輪廓線900 mm，底排眼距輪廓線1500 mm，鉆孔布置法線均與拱部輪廓線垂直，每掘進10 m布置1組注漿眼。

3.2.2 施工斷面支護設計

(1)超前管棚。在迎頭按一定角度在拱基線以上沿巷道輪廓線呈扇形施工超前管棚護頂。管棚選用6分鋼管，長3 m，間距300 mm，巷道外沿5°，外留500 mm搭接在支架上，確保超前距最小1000 mm。巷道斷面支護設計如圖6所示。

圖5 預注漿孔布置示意圖

(2)架棚、掛網：每開挖500 mm后開始架設U25型鋼支架，架間距500 mm，頂部掛鋼筋網，并用木背板剎幫背頂。架棚支護循環進尺500 mm，支架迎山角為1°～2°。

(3)砌碹：二次砌襯選用標號C30砼，壁厚450 mm，滯后初期支護1.5～4.5 m。

圖6 燒變巖區斜井斷面支護設計圖

3.3 支護效果分析

通過對4個測站為期5個月的科學觀測，斜井的圍巖變形在54 d左右基本達到穩定，其中頂底板相對移近量增加了24～35 mm，兩幫相對移近量增加了28～36 mm，圍巖整體變形不大。

4 結論

(1)通過地質探勘以及理論、數值分析，揭示了淺埋燒變巖區斜井圍巖失穩機理，其中巖石燒變后強度劣化以及裂隙水的軟化作用是影響斜井圍巖穩定性的主控因素。

(2)提出預注漿堵水、“管棚撞契+U型鋼”一次支護，“砌碹+壁后注漿”二次支護的支護方案及施工工藝，并在現場進行了工程應用，實現了燒變巖區斜井圍巖的安全控制。

(3)對于未注漿區，施工時可以考慮采用錨索進行局部補強，進一步增強“棚+砌碹+注漿”系統的承載能力。