礦區極弱膠結軟巖巷道變形破壞特征分析

姜 佼

(汾西礦業集團雙柳煤礦，山西 柳林 033300)

1 礦區工程概況

自礦井二期工程以來，揭露的巖石條件很差，風井井底施工的200 m巷道出現多次冒頂，同時，頂、底板出現不同程度的淋水，煤泥巖遇水變軟，嚴重影響巷道掘進，月進度不足50 m。施工完成后，巷道出現不同程度的變形底等現象。主副井筒車場設計水平為+980 m水平，坐落在三疊系延長組細砂巖中，雖然井筒檢查孔揭露的巖石描述比較密實，但本區地層巖石大都為泥質膠結，遇水泥化，強度不大。井筒(包括主斜井、副井、立井)和主要巷道施工過程中，大部分圍巖變形嚴重、多次翻修，尤其是主斜井在施工至336 m處，迎頭(工作面)大量軟巖涌出，支護結構失穩，巷道變形嚴重，導致地面建筑物(包括副井)沉降量過大，主斜井施工被迫從2012年5月1日開始停工，至今仍未找到有效的支護方案進行復工。圖1為井底車場總體破壞情況。近兩年，為解決軟巖井巷的支護難題，進行了多方面的努力，如，回風大巷，試用了16#工字鋼、雙12#工字鋼、U36型鋼、400 mm厚底拱、600 mm厚底拱、1 000 mm厚底拱以及194 mm×12 mm鋼管混凝土支架等多種嘗試，但始終未從根本上解決軟巖支護難題。

2 礦區內兩礦原巷道支護形式

2.1 兩礦極弱膠結圍巖巷道支護

結合兩礦區工程實例，整合其他礦井的支護形式。以111082皮帶順槽為例，開口于111采區回風巷(西)上山。巷道距風井環形車場11#交岔點103.1 m，走向為南北走向，方位角60°；巷道斷面特征為直墻半圓拱形，采用噴漿+錨桿+錨索+噴漿+U36型鋼棚+噴漿作為永久支護。

圖1 井底車場總體破壞情況

兩礦主斜井井筒設計斜長770 m，坡度為-16°，設計斷面形狀為直墻半圓拱形，凈斷面為5 000 mm×3 900 mm，在兩礦以上白堊系層位中，大部分巖性是泥巖和砂質泥巖，遇水或潮濕空氣后膨脹，由此而產生的沖擊地壓給礦井開拓造成了極大的困難，經過多次返修支護依然無法解決問題。支護形式依次采用：1) 16#工字鋼支架+單層鋼筋砼進行支護；2) 主斜井在返修43架16#工字鋼支架后，改為架設36U型鋼支架進行返修；3) 采用鋼管混凝土支架，Φ194 mm×10 mm淺底拱型支架，棚距0.7 m；Φ219×12 mm全圓鋼管混凝土支架，間距為3架/m；4) 采用波雷因化學漿進行超前預注漿，然后再采用鋼管混凝土支架+雙層鋼筋網(Φ25×200 mm)+450 mm混凝土聯合支護。

2.2 巷道圍巖變形破壞特征

根據已有研究表明[1-3]，巷道變形的特征有頂板下沉、變形、擴容、冒頂；兩幫變形、收斂、擴容、位移；頂板變形、破壞、底臌。根據礦壓顯現特征，可將巷道發生變形破壞分為3類：1) 頂板下沉、冒頂；2) 兩幫收斂位移，片幫(內移)；3) 底臌。

這些因素嚴重影響巷道的穩定性，因此,極弱膠結軟巖巷道圍巖表現出其特有的變形破壞現象。

1) 斷面內擠

頂底收斂和底角內擠，頂底收斂和兩幫內擠變形破壞后的巷道圍巖，其主要特征是軟弱、松散和破碎，且軟化和泥化現象顯著。在膨脹段，膨脹壓力顯著且增長速度快，支架架設后5 d～6 d便開始變形內擠。巷道迎頭突然來壓，已掘進好巷道在架設支架前膨脹巖土將已掘進空間全部充填,巷道左幫收縮量達到1.5 m，右幫收縮量約1.3 m，如圖2所示。

圖2 斷面內擠示意圖

2) 片幫、冒頂

由于斷面內擠嚴重，支架出現偏轉、折曲、扭曲、內擠及下插底板、形成尖頂等各種變形破壞方式。斷層帶處頂板與兩幫的漿皮出現不同程度的開裂，兩幫支架斷裂后兩幫圍巖受壓力擠出，導致噴層和圍巖之間產生較大離層，整體支護斷面損壞。隨著兩幫不斷內擠，且因極軟巖無法形成持力層，誘導巷道頂板大面積垮落和嚴重冒頂，形成整體塌落，如圖3所示。

圖3 片幫、冒頂示意圖

3) 底臌

底板軟巖呈現大變形及強流變性。遇膨脹段，迅速膨脹，迎頭膨脹速度尤其快，在3 h左右，膨脹厚度近300 mm。底臌非常嚴重，達到2.0 m，嚴重影響安全。巷道遇全泥巖斷層段，底板開裂、上鼓，且從中間鼓起，部分底梁斷裂，最大處底臌量已達到3.6 m，持續變形，呈高強流變性，如圖4。

圖4 底臌示意圖

3 巷道變形破壞實測

開采煤層一般為以層狀形式賦存的沉積巖。未開挖的狀態下，由泥巖等形成良好的隔水層，使得巖層并不會全部受水的影響。開挖后，受擾動開挖等動載影響，圍巖裂隙發育，形成供水通道。在水化作用下該類軟巖的力學性質產生極大變異。試驗所得結果和現場實測會有很大差異，為此，對該類軟巖巷道進行現場實測，對錨桿軸向力變化情況及富水條件下軟巖巷道變形特征巷道圍巖位移變化進行觀測[4-5]。

3.1 錨桿失效的現場實測

某礦井副井繞道及總回風巷道監測斷面布置如第183頁圖5所示，實效錨桿受力詳見第183頁圖6所示。

由圖6可知，30號錨桿(錨桿位置詳見圖5，下同)最大受力為20.62 MPa；26號受力曲線為馬鞍型曲線，最大受力為63.53 MPa；24號錨桿受力曲線為折線型曲線，最大受力為32.55 MPa。由監測結果曲線分析可知，錨桿在10 d內達到軸力峰值，造成錨桿實效，在隨后的6 d內軸向力逐漸減小，直至完全實效。

3.2 巷道表面收斂變形實測

對礦井總回風巷進行U型鋼支架巷道表面收斂變形監測，總回風巷第一斷面收斂變形量隨時間增長規律如第183頁圖7。

從圖7可以看出，在第一監測斷面，巷道水平變形在第一個月達到201.5 mm，第二個月約為108 mm，第三個月約為80 mm，總變形量達到380.5 mm。從曲線形態可知，巷道圍巖進行著長期持續變形，U29型鋼支護無法有效控制本斷面巷道變形，無法實現巷道表面變形的快速收斂，不能保持巷道穩定。

4 極弱膠結軟巖巷道變形破壞因素分析

在地下工程中，影響巷道穩定的原因是由工程地質特征、埋深開挖特點、支護形式的強度、施工工藝等多種因素共同作用的。極弱膠結軟巖巷道圍巖變形破壞的主要因素概括為以下幾個方面：

圖5 錨桿監測斷面測點布置示意圖

圖6 錨桿監測斷面測點布置示意圖

圖7 總回風巷第一斷面收斂變形量隨時間增長圖

1) 弱膠結軟巖的基本特征

弱膠結軟巖的巖性是影響該類巷道圍巖穩定性最基本的因素。巖石主要以富含強膨脹性黏土礦物的泥巖、砂質泥巖為主，力學性質極差，屬極軟弱圍巖。泥巖遇水膨脹、軟化、崩解，流變、蠕變現象嚴重，強度很低，穩定性差，是典型的軟弱圍巖。具有可塑性、持續變形的強流變性、強膨脹性、易崩解、易擾動。由于極弱膠結軟巖在地下水的影響下巖體發生水化學作用，強膨脹性黏土礦物如蒙脫石、伊利石、高嶺石等產生膨脹、水解并在風化后崩解，造成圍巖喪失持力層。加之，地下水通過微觀裂隙造成極弱膠結軟巖橫向各向同性損傷等在多種因素的耦合作用，極弱膠結軟巖遇水后產生很大的膨脹壓力，造成巷道大變形。且遇水軟化后因膠結軟弱，造成主動支護中錨桿一旦鉆孔都會造成孔壁圍巖的軟化和泥化，形成一層泥膜，無法提供足夠的剪切強度，造成錨桿施工困難。

2) 復雜的地應力場

雖然巷道埋深淺但正處于膨脹段或斷層帶，該斷層全部為泥巖，在地下水的影響下，巷道圍巖膨脹軟化產生強大膨脹壓力，且來壓快。圍巖遇水軟化持續變形，開挖后很容易形成應力集中。加之開挖擾動的影響，加速了水的動態傳播促使巷道圍巖軟化范圍進一步的擴大，且形成動態持續破壞，使得巷道破壞速度加快，破壞程度更加嚴重，底臌速度快且程度深，加大了極弱膠結軟巖巷道的支護難度。

3) 支護結構不合理

一方面，未能有效形成主動支護，不能整體應對圍巖的大變形。另一方面，支護結構材料性能不耦合，整體抗力不強。

5 結論

目前，在西部礦區該類極弱膠結軟巖問題極為普遍，但一直未能得到有效的解決。在極弱膠結軟巖巷道圍巖弱膠結、強膨脹性、強流變性、變形量大、風化后崩解的特有巖性下，為解決巷道變形破壞嚴重、不能有效維持巷道穩定性的問題，本文以某礦軟巖巷道為研究背景，對錨桿受力進行分析，對巷道變形大進行初步分析，為后期巷道支護優化提供借鑒。