軟弱膨脹性巖層巷道變形分析及修復技術研究

黎勁東 呂兆海 趙長紅

(神華寧夏煤業(yè)集團有限責任公司，寧夏自治區(qū)銀川市，750004)

軟巖是指強度低、孔隙度大、膠結性差、受構造面切割及風化影響顯著或大量膨脹性粘土礦物的松散、軟弱巖層，其單軸抗壓強度一般小于25 MPa，且有不同程度的遇水泥化膨脹性。膨脹性軟巖在水理作用下易產生體積膨脹、破碎和分解，當巖體受到擾動后，受風化潮解及施工用水的影響，其強度隨時間的增長而急劇衰減。膨脹性軟巖在我國范圍內分布較廣，軟巖吸水膨脹是深井軟巖巷道產生大變形乃至坍塌的主要原因之一。隨著煤礦采深的增加，使得軟巖巷道底鼓面臨的問題越來越復雜。長期以來，國內對軟巖的物理、水理、力學性質、巷道變形與底鼓的力學機制及控制底鼓的技術措施進行了相關研究，分析認為底鼓產生的原因在于失穩(wěn)的底板巖層向巷道內壓曲、偏應力作用下的擴容，巷道圍巖吸水膨脹擴容是導致巖體破壞失穩(wěn)的重要因素。

筆者根據(jù)清水營煤礦主斜井所處巖層的地質特征，結合主斜井變形特征及變形周期，通過對32#工字鋼的屈服強度、膨脹性圍巖應力場及變形量、巷道圍巖遇水膨脹擴容導致原支護結構變形失穩(wěn)的演化特征進行分析，指出巷道變形主要是由于圍巖吸水膨脹擴容產生的壓力所導致，并得出了巷道圍巖吸水膨脹產生的擴容壓力、巷道圍巖軟化、泥化的深度，提出了“一巷多策，分段支護，有限讓壓，全斷面封閉抗壓”的控制膨脹性泥巖巷道的基本思路。

1 工程概況

清水營煤礦處于寧東鴛鴦湖礦區(qū)，地質賦存條件復雜，巖體節(jié)理與裂隙發(fā)育，礦區(qū)內地層由老到新依次有：三疊系(T)、侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、侏羅系上統(tǒng)安定組(J3a)、白堊系下統(tǒng)宜君組(K1y)、洛河組(K11h)、古近系上統(tǒng)清水營組(E3q)和第四系(Q)。礦井地層中含水層屬弱～中等富水性，分別為第四系孔隙潛水含水層(Ⅰ)、白堊系礫巖裂隙孔隙層間承壓含水層(Ⅱ)、侏羅系上統(tǒng)安定組～中統(tǒng)直羅組裂隙孔隙含水層(Ⅲ)、2～8號煤層間砂巖裂隙孔隙承壓含水層(Ⅳ)，隔水層以低阻、高密度的粉砂巖、泥巖為主，主要有4層，分別為安定～直羅組裂隙孔隙含水層頂板隔水層、2～8號煤層含水層頂板隔水層、8號煤層及其頂?shù)装迥鄮r隔水層、18號煤層及其頂?shù)装迥鄮r隔水層。其中2號煤層頂板為泥質砂巖含水層，巖石松軟易風化，底板為泥質砂巖，遇水易膨脹，煤層硬度系數(shù)低，平均厚度5.25 m，傾角23°～30°，頂板為砂巖含水層，巖石易軟化、強度低、堅固性差；底板主要成分為高膨脹性的伊利石、綠泥石，其中伊利石、綠泥石等膨脹性礦物成分占70%。主斜井設計長度1428 m，沿2號煤層底板布置，巷道設計為半圓拱形斷面，凈寬4.2 m，凈高3.4 m，坡度25°。主斜井原支護為錨帶網(wǎng)噴，局部段增加了U29型鋼支架，受礦壓及軟巖吸水膨脹影響，巷道自維修后在5年時間內逐漸發(fā)生變形破壞，尤其是搭接硐室附近變形最為突出，需要維修的巷道總長度1060 m，占巷道總長度的74%。

2 巷道變形原因及特性分析

2.1 巷道變形表現(xiàn)

研究表明，影響巷道圍巖變形的因素主要有巷道巖層性質、圍巖應力狀態(tài)、水理滲透作用以及支護強度。針對清水營煤礦主斜井變形的具體情況分析，巷道變形的主要表現(xiàn)為兩幫收斂、底鼓嚴重，頂板變形相對較小。巷道變形主要表現(xiàn)在以下幾點：剛性支護段較柔性支護段變形更為嚴重；巷道交岔點處及巷道布置密集地段的變形較正常段變形嚴重；巷道圍巖擾動范圍越大巷道變形越嚴重；淋水、滲透性越強的地段巷道變形越嚴重；圍巖含泥量越高巷道變形越嚴重；在同一斷面上，巷道底鼓存在明顯的差異性，與底板水滲透性變化一致；未噴漿封閉的巷道鋼支架腐蝕嚴重，巷道變形量較大；巷道在水理作用下膨脹變形破壞的周期長。

2.2 巷道變形原因分析

2.2.1 支護強度及支護形式

剛性支護中沒有充分考慮圍巖吸水膨脹后產生變形壓力的釋放，導致剛性支護變形得以釋放變形壓力，而變形壓力的持續(xù)釋放達到剛性支護的屈服極限，最終表現(xiàn)為巷道的變形失穩(wěn)。可縮性鋼支架支護段對巷道頂部采用了有限度的讓壓支護，但對巷道底板及墻角的變形未采取限制性措施，另外原巷道底板支護強度有限，導致了巷道底板圍巖吸水膨脹持續(xù)變形從而引發(fā)兩幫的收斂破壞，但底鼓的速率遠遠大于兩幫內斂及頂板下沉的速率。

2.2.2 巷道圍巖性質

巷道底板巖層的強度和結構狀態(tài)對底臌起著決定性的作用。主斜井沿2號煤層底板布置，巷道頂板的膨脹性泥巖量相對較少，對巷道穩(wěn)定性影響較小，而巷道兩幫及底板處在膨脹性泥巖中，巷道開挖后，形成自由空間，巷道圍巖空隙水形成水力通道向下的趨勢難以改變，盡管后期巷道進行了噴漿封閉，但巷道圍巖滲水將沿著噴漿層內壁緩慢滲入到巷道幫部以下，造成巷道幫部及底板泥化，弱化范圍擴大，泥化圍巖產生的膨脹力將隨著泥化范圍的擴大而增大。

2.2.3 地質構造應力

巷道圍巖應力對巷道的穩(wěn)定性有一定的影響，圍巖應力越大，巷道變形越嚴重。清水營煤礦主斜井沿向斜軸布置，巷道圍巖以水平應力為主，這種應力的存在導致巷道圍巖更加難以控制。

2.2.4 巷道布置密度

巷道布置密度過大，在施工過程中造成相鄰巷道相互影響，或由于聯(lián)絡巷之間的相互貫通造成應力重疊擴大了圍巖的擾動范圍，增加了巷道的支護難度。

2.2.5 水理滲透作用

在膨脹性較強的泥巖巷道中，在地下水的影響下，通過鉆孔等裂隙滲入巖體的水量改變了巖體內摩擦系數(shù)，造成圍巖弱化、在不同方向形成巖體泥化膨脹的自由空間加劇了巖體的膨脹性。另外，水溝長期受地下水的侵蝕作用，逐漸損壞，地下水慢慢滲入巷道底板巖層，巖層吸水膨脹，造成水溝側底板最先發(fā)生破壞，隨著滲透范圍的橫向擴大，滲入巖層的縱向深度也在逐漸增加，最終造成底鼓的差異性。

巖體的摩擦角隨著巖體含水率的增大而減小，因此滲入巖體的水將改變巖體內部的摩擦角及摩擦系數(shù)，并對膨脹性泥巖的應力、應變值影響很大。

(1)

式中：K——隨含水率變化的變化量，%；

W——巖石滲透含水率，%。

由式(1)可知，膨脹性泥巖內隨著含水率的增加，應力、應變和位移實際值迅速增加。

3 巷道圍巖破壞力的計算及支護對策

3.1 巷道圍巖破壞力的計算

3.1.1 根據(jù)鋼梁穩(wěn)定性進行計算

膨脹性泥巖巷道變形主要受地下水及井下潮濕空氣的影響。巷道開挖前原巖應力保持相對平衡，在巷道開挖過程中爆破震動形成的裂隙、巷道支護過程中，濕式打眼等使井下潮濕空氣、地下水滲透到巷道輪廓2.5 m以外甚至更遠，這為遇水膨脹性泥巖巷道的變形創(chuàng)造了條件。為便于研究，將巷道支護32#工字鋼橫梁等效為兩端固定的壓桿結構，兩側圍巖膨脹變形的力簡化為等效力。在側向壓力的作用下，當壓力達到臨界力Fcr時，鋼梁向弱結構面發(fā)生彎曲變形，當側向壓力繼續(xù)增大則導致鋼梁變形破壞，通過計算使鋼梁發(fā)生彎曲變形的外力等效求出軟巖巷道吸水膨脹的膨脹力。具體計算如下：

式中：λ——鋼梁柔度值；

E——鋼梁的彈性模量，MPa；

σs——鋼梁抗壓強度，MPa；

σcr——鋼梁臨界應力，MPa。

將E=2×105MPa和σs=235 MPa代入式(2)，得到鋼梁柔度為121，這表明鋼梁可按照細長桿模型計算其臨界應力。根據(jù)式(3)，得到鋼材變形的臨界應力為135 MPa，表明當32#鋼梁受到135 MPa的壓力時，即巷道兩側的圍巖膨脹產生的側壓達到67.5 MPa時，鋼梁將處于彎曲極限平衡狀態(tài)，隨著膨脹力的繼續(xù)增大，鋼梁將繼續(xù)變形直至破壞。

3.1.2 根據(jù)圍巖應力場變化進行計算

根據(jù)上文所述，膨脹性圍巖含水率的變化引起巷道圍巖膨脹率及應力場的變化，根據(jù)圓形巷道在平面應力情況下圍巖遇水作用應力分量及圍巖變形量得出：

式中：σr——巷道圍巖吸水膨脹徑向應力分量，MPa；

E巖——巷道圍巖的彈性模量，取0.074×104MPa；

α——膨脹系數(shù)，取0.33；

r——巷道支護深度至巷道中心的距離，取4.84 m；

r0——巷道等效半徑，取2.34 m；

W0——巖石原始吸水率，取14%；

t——吸水時間，取30 d；

Wb——巖石飽和含水率，取35%；

μ——巖石泊松比，取0.34；

σθ——巷道圍巖吸水膨脹切向應力分量，MPa；

u——圍巖吸水膨脹變形量，mm。

經計算，σr等于59 MPa，與32#工字鋼鋼梁發(fā)生變形破壞的外力基本一致，u等于440 mm。圍巖變形量及應力變化曲線如圖1所示。由圖1(a)可知，距離巷道表面越遠，巷道膨脹變形量越小，在同一位置，巷道圍巖膨脹量隨時間的增加而增大。由圖1(b)可知，在2.5 m范圍內，巷道徑向應力隨距離巷道表面增大而增大，但當達到2.5 m后，徑向應力逐漸趨于穩(wěn)定，巷道表面徑向應力為恒值。

圖1 圍巖變形量及應力變化曲線

3.2 巷道圍巖支護對策

受巷道布置形式及層位的影響，對整段維修巷道采用同一種支護形式，既容易造成支護成本的增加，也難以保證支護強度滿足巷道圍巖壓力。因此在維修過程中有針對性的采用“一巷多策，分段支護”的思路對維修巷道整體分3段采用不同的方案進行支護，分段支護示意圖如圖2所示。對主斜井上段原架設可縮性鋼支架僅發(fā)生底鼓的240 m巷道采用焊接反底拱梁+反底拱進行支護；對搭接硐室段巷道變形嚴重，圍巖破壞深度較大的98 m巷道采用全封閉鋼管混凝土支架進行加強支護；對其他部分及聯(lián)絡巷采用重新架設全封閉可縮性鋼支架+反底拱進行支護。李學彬等研究發(fā)現(xiàn)，可縮性鋼支架及鋼管混凝土支架的屈服極限在568～828 MPa之間，滿足巷道支護需要。

具體支護思路和方案如下：

(1)減小開挖擾動，保證巷道圍巖的穩(wěn)定性。在巷道維修過程中，為減小對巷道圍巖的擾動，采用人工風鎬破除，有效降低了對巷道圍巖的擾動。

圖2 巷道分段支護圖

(2)分段支護，一巷多策。第一段主斜井井筒上段長240 m。按照焊接反底拱梁+反底拱復噴成巷的支護方案進行支護，對原架設鋼支架進行除銹，并對該段巷道進行起底，達到設計位置后，焊接U29型鋼反底拱梁。第二段搭接硐室段長98 m。由于該段巷道斷面大，巷道布置密度大，施工前期巷道冒頂?shù)纫蛩氐挠绊懀瑖鷰r破碎，巷道圍巖壓力大，因此在支護過程中采用進行支護，對該段巷道挑頂擴幫、起底后采用錨網(wǎng)噴漿進行支護后，架設鋼管混凝土支架并注漿，最后施工反底拱地坪噴漿成巷。第三段主斜井下段及聯(lián)絡巷長724 m。該段巷道發(fā)生整體變形、底鼓，在維護過程中整體對該段巷道進行挑頂擴幫、起底，采用錨網(wǎng)噴漿進行支護后，架設全斷面封閉可縮性U29型鋼支架，最后施工反底拱地坪噴漿成巷。

(3)高強、高預緊力錨桿支護。為有效控制巷道圍巖變形，采用有限讓壓的思想。在巷道支護過程中全斷面采用?22 mm×2500 mm的BHRB400高強錨桿，錨桿間排距800 mm×800 mm，每根錨桿采用2節(jié)MSK23/70型樹脂藥卷進行錨固，預緊力矩120 kN·m，高預應力的擴散充分發(fā)揮了主動支護的效果。

(4)鋼支架全斷面封閉抗壓。為有效抵抗巷道底鼓變形的壓力，全斷面提高對圍巖的約束力，巷道整體采用架設反底拱梁的U型鋼支架及鋼管混凝土支架進行支護。鋼管混凝土支架均采用194 mm×10 mm鋼管制作，間距600 mm，內注C25混凝土，可縮性鋼支架采用U29型鋼制作，反底拱梁及棚腿采用高強螺栓連接。鋼支架間距800 mm，鋼支架中間采用7道連接板連接。

(5)混凝土及時封閉。為有效防止巷道底鼓變形，在巷道維護過程中，全部采用厚度為800 mm的反底拱抗?jié)B混凝土地坪，噴射200 mm的C25混凝土對鋼支架及圍巖進行封閉。

4 效果分析

在主斜井維護過程中通過采用“一巷多策，分段支護，有限讓壓，全斷面封閉抗壓”的整體支護思路，在施工過程中按照減小擾動，及時噴漿封閉，鋼支架全斷面封閉抗壓、抗?jié)B反底拱混凝土封閉堵水的支護技術方案，有效控制了巷道圍巖的變形破壞。礦壓監(jiān)測結果表明，巷道表面及深部位移量在可控范圍內，達到了預期的支護效果，滿足使用要求，提高了巷道的安全系數(shù)。

5 結論

(1)在膨脹性泥巖巷道維護過程中應減少圍巖擾動，在支護過程中應采用“一巷多策，分段支護，有限讓壓，全斷面封閉抗壓”的支護方式控制圍巖穩(wěn)定性。

(2)軟巖巷道支護過程中，水理作用是導致巷道圍巖膨脹變形的主要因素，在水力滲透場的作用下，軟巖膨脹呈幾何數(shù)進行增長。因此加強巷道淋水及滲水的治理，做好導水措施，切斷通向巷道薄弱點的水力通道，提高底板混凝土的抗?jié)B強度，減小淋水對膨脹性泥巖的橫向及縱向的侵蝕是有效控制巷道變形的重要措施。

(3)距離巷道表面越遠，巷道圍巖膨脹變形量越小，在同一位置，巷道圍巖膨脹量隨時間的增加而增大。在一定距離范圍內，巷道徑向應力隨距離巷道表面增大而增大，但當達到一定數(shù)值后，徑向應力趨于穩(wěn)定，巷道表面徑向應力為恒值。