新疆伊北礦區(qū)軟巖巷道底臌機(jī)理及其控制措施的研究

熊鵬飛，朱美燕

（新汶礦業(yè)集團(tuán)（伊犁）能源開發(fā)有限責(zé)任公司，新疆 伊犁 835000）

軟巖巷道其圍巖應(yīng)力平衡十分脆弱，其圍巖變形和破壞的一種主要方式就是巷道底臌。因此，長期以來研究巷道底臌的機(jī)理和巷道底臌的控制措施一直是礦井巷道維護(hù)的重大難題之一。新疆伊北礦區(qū)煤炭資源豐富，是我國重要的煤炭戰(zhàn)略儲(chǔ)備基地，伊犁四礦為伊北礦區(qū)首個(gè)大型綜合機(jī)械化開采礦井，主要可采煤層為淺埋深厚煤層，頂?shù)装鍘r性較復(fù)雜，以泥巖和粉砂質(zhì)泥巖為主，屬我國西部分布廣泛的典型弱膠結(jié)軟巖地區(qū)礦井。在這種獨(dú)特的工程地質(zhì)和少有前人研究成果的情況下，研究該地區(qū)巷道底板底臌及防止措施具有重要的意義。

1 工程概況

伊犁四號礦井位于伊犁盆地北部一寬緩的傾伏向斜盆地中，區(qū)域地勢東高西低。井田含煤地層主要為中生代侏羅紀(jì)八道灣組、三工河組，前期主要開采煤層為21-1煤層和23-2煤層。其中，+660m水平石門在開挖過程中，現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)其圍巖表面破碎、自穩(wěn)時(shí)間短、頂板下沉及底板隆起速度快，尤其底臌持續(xù)時(shí)間長、變形量大、呈現(xiàn)撓曲褶皺性，若支護(hù)不及時(shí)或不合理，極易造成巷道破壞，嚴(yán)重威脅施工安全及制約煤礦開采。

2 軟巖巷道圍巖變形特征

+660m水平石門在進(jìn)行初次錨網(wǎng)噴支護(hù)后，現(xiàn)場監(jiān)測其圍巖收斂變形及底臌速率如圖1所示，可知：

圖1 巷道圍巖變形曲線

1）巷道開挖后，圍巖變形劇烈，兩幫開始破碎甚至剝落，頂板下沉明顯，底板發(fā)生快速隆起，巷道來壓快、應(yīng)力釋放明顯，若不及時(shí)支護(hù)將引起巷道片幫、頂板破碎，甚至導(dǎo)致冒頂及巷道整體失穩(wěn)。

2）由于巷道在開挖后即進(jìn)行及時(shí)初期支護(hù)，因此監(jiān)測數(shù)據(jù)是在初支后的巷道變形，發(fā)現(xiàn)兩幫收斂與底臌變形速度仍然較快，變形持續(xù)時(shí)間較長，兩幫收斂量達(dá)到145mm，底臌量達(dá)到320mm，呈弧狀型底臌，對煤礦開采運(yùn)輸造成影響。因此，單純的初期錨網(wǎng)噴支護(hù)不能有效控制巷道圍巖變形，需及時(shí)進(jìn)行二次錨網(wǎng)噴+預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)[4]。

3）巷道開挖初期，底臌變形速率達(dá)到50mm/d，且變形速率受地質(zhì)條件影響較大，不同巖性條件下的巷道圍巖變形速率差異顯著；開挖后前10天變形速率一般在10mm/d以上，10天后底臌變形進(jìn)入平緩階段，40天后底臌變形速率基本穩(wěn)定，呈現(xiàn)流變特性，變形持續(xù)時(shí)間較長。

3 底臌成因分析

國內(nèi)眾多學(xué)者對巷道底臌機(jī)理進(jìn)行了一系列研究。姜耀東等[2]將底臌類型分為遇水膨脹型、剪切錯(cuò)動(dòng)型、擠壓流動(dòng)型、撓曲褶皺型4類，并深入研究了其變形破壞機(jī)理及影響因素；劉泉聲等[6,7]研究認(rèn)為軟巖巷道底臌的主要成因?yàn)榈貙訋r性、水理作用及高地應(yīng)力；康紅普等[3]提出了巷道底臌主要由底板巖層壓曲、偏應(yīng)力下巖石擴(kuò)容及巖石遇水膨脹等因素導(dǎo)致。

本文結(jié)合西部弱膠結(jié)軟巖地質(zhì)特征及本礦區(qū)實(shí)際情況，其底臌形態(tài)主要為剪切錯(cuò)動(dòng)性底臌，總結(jié)該巷道底臌成因的關(guān)鍵影響因素如下：

3.1 底板巖性和結(jié)構(gòu)狀態(tài)

底板巖層的結(jié)構(gòu)狀態(tài)、軟弱程度及巖層厚度直接決定著底臌大小及底臌形態(tài)。當(dāng)?shù)装逦挥谲浫跄鄮r中時(shí)，由于巖體強(qiáng)度低、吸水率高、吸水后膨脹變形，其自身穩(wěn)定性和承載能力較差，在地應(yīng)力作用下易產(chǎn)生底臌，造成底板失穩(wěn)破壞。

+660m水平石門底臌段底板主要為泥巖、炭質(zhì)泥巖，強(qiáng)度低、脆性大、遇水易崩解軟化，自身穩(wěn)定性和承載能力較差；并且其底角和底板普遍沒有采取有效的支護(hù)措施，僅用混凝土硬化，當(dāng)巷道頂幫壓力較大時(shí)，造成底板出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，致使底板產(chǎn)生塑性變形、出現(xiàn)底臌?，F(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，該段巷道底板隆起嚴(yán)重，將硬化混凝土整體剝離抬起。

3.2 巖層應(yīng)力

巷道開挖破壞了原始應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起圍巖應(yīng)力重分布，當(dāng)巖層應(yīng)力達(dá)到一定條件時(shí)，由于底板支護(hù)強(qiáng)度最低，底板巖層最先不能承受過大的應(yīng)力作用而發(fā)生應(yīng)力釋放，導(dǎo)致底臌產(chǎn)生。

3.3 支護(hù)強(qiáng)度

底板敞開不支護(hù)是巷道底臌量大于頂板下沉量的重要原因。底板支護(hù)對控制底臌有重要作用，足夠的支護(hù)阻力可顯著減小底臌量。

該段水平石門巷道采用二次錨網(wǎng)噴+錨索+U形棚支護(hù)，底板采用混凝土硬化，底板的支護(hù)強(qiáng)度和深度顯著低于頂板和兩幫，是巷道強(qiáng)度的薄弱部位。由于軟巖巷道四周來壓，將擠壓底板產(chǎn)生裂隙和流變擴(kuò)容，這時(shí)僅采用剛性支護(hù)無法達(dá)到支護(hù)強(qiáng)度。因此，底板成為巷道支護(hù)體系的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)力釋放通過底板隆起體現(xiàn)出來。

4 底臌聯(lián)合控制技術(shù)

從上文的底臌成因分析，單獨(dú)采用混凝土硬化無法有效控制軟巖巷道底臌，需采用多種方式的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。從巖層應(yīng)力分布和支護(hù)強(qiáng)度方面進(jìn)行控制，先加強(qiáng)兩幫底角錨桿支護(hù)，然后進(jìn)行錨桿+錨網(wǎng)+錨梁澆筑混凝土的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，如圖2、圖3所示。

圖2 巷道兩幫底角錨桿支護(hù)

圖3 巷道底板聯(lián)合支護(hù)

通過提高底板圍巖強(qiáng)度或提高對底板圍巖的支護(hù)力來達(dá)到控制底臌的目的，是一種最常用的底臌控制方法。

相同圍巖條件的巷道，加強(qiáng)底角支護(hù)，其底臌量會(huì)大為減少，圖2可見加強(qiáng)巷幫支護(hù)的底臌控制效果。

底板錨桿主要有兩個(gè)作用:一是把淺部不穩(wěn)定的巖層與下部穩(wěn)定巖層聯(lián)結(jié)在一起，二是通過底板錨桿在巷迫底板形成組合巖梁，此組合梁的極限抗彎強(qiáng)度比單一巖層抗彎強(qiáng)度的總和大，可抑制下部巖層因擴(kuò)容引起的裂隙張開及新裂隙的產(chǎn)生，同時(shí)，也可限制下部巖層向上鼓起，可起到一定的阻止底板向巷道內(nèi)移動(dòng)的作用。

該聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的優(yōu)勢為：①錨桿+錨梁的柔性支護(hù)作為主動(dòng)支護(hù)，提高底板巖層的整體強(qiáng)度，充分發(fā)揮其深部巖層的自穩(wěn)性；②網(wǎng)噴+澆筑混凝土作為被動(dòng)支護(hù)，可提高底板的整體剛度，抵抗底板底臌壓力，抑制底板變形；③該聯(lián)合支護(hù)充分發(fā)揮了主被動(dòng)支護(hù)的優(yōu)勢，與頂板錨網(wǎng)噴+錨索支護(hù)和兩幫錨網(wǎng)噴支護(hù)共同形成了封閉的支護(hù)體系，有效控制巷道變形，最終實(shí)現(xiàn)底板的穩(wěn)定性控制。

5 工程應(yīng)用效果

將錨梁+錨桿+網(wǎng)噴+澆筑混凝土的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于+660m水平石門，對其進(jìn)行了3個(gè)月的現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測，其巷道圍巖變形情況如圖4所示。

圖4 巷道圍巖變形監(jiān)測曲線

對比圖4采用聯(lián)合支護(hù)技術(shù)與圖1僅采用網(wǎng)噴支護(hù)可知，①軟巖巷道底板采用聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，圍巖變形顯著減小，兩幫收斂量最大值為38mm，比未采用時(shí)降低了80%，底臌量最大值為59mm，比未采用時(shí)降低了83.6%，說明通過對巷道底板進(jìn)行主被動(dòng)聯(lián)合支護(hù)，有效提升了巷道的整體穩(wěn)定性，變形抑制效果顯著；②采用聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，底臌速度明顯降低，在巷道開挖前10d內(nèi)，底臌速度小于頂板和兩幫變形速度，在10d～40d內(nèi)，底臌以較為平穩(wěn)的速度發(fā)展，直至50d后底臌基本保持穩(wěn)定，說明底板聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)揮了較好的作用，將兩幫傳遞來的圍巖壓力傳遞至底板深部巖層。因此，軟巖巷道采用錨梁+錨桿+網(wǎng)噴+澆筑混凝土的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)能夠有效控制圍巖變形，具有良好的工程應(yīng)用效果。

6 結(jié) 論

1）西部弱膠結(jié)軟巖巷道具有巖性強(qiáng)度低、膠結(jié)性弱、裸露易風(fēng)化、遇水易崩解、開挖大變形等特點(diǎn)，尤其底臌速度快、隆起量大等問題給巷道開挖和采礦運(yùn)輸帶來了極大挑戰(zhàn)。

2）根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測得到軟巖巷道底臌的關(guān)鍵影響因素主要為底板巖性和結(jié)構(gòu)狀態(tài)、巖層應(yīng)力、支護(hù)強(qiáng)度、水理作用。

3）提出了巷道底板采用錨梁+錨桿+網(wǎng)噴+澆筑混凝土的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，現(xiàn)場監(jiān)測表明該技術(shù)能夠有效控制圍巖變形，具有良好的工程應(yīng)用效果。