富水軟巖巷道穩定性控制技術研究

殷齊浩，李春廷，李廷春，薛克龍，高啟強

(1.山東科技大學 山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東 青島 266590；2.上海廟礦業有限責任公司新上海一號煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 016215)

目前隨著東部煤炭資源的不斷減少，資源開發開始向西部地區轉移。西部地層多以白堊系及侏羅系軟巖為主，巖層多為泥巖及泥砂巖互層，此類巖體具有強度低、膠結差等特點[1-4]。在該類富水軟巖巷道開挖過程中，圍巖在地下水作用下強度降低，容易出現大變形，對圍巖的穩定性控制帶來諸多難題[5-6]。特別在西部鄂爾多斯地區有1/4的礦井頂板是變質程度不高的泥質砂巖，在無水的情況下，巖體強度較大；但此類巖石遇水后將出現泥化現象，強度急劇降低，成為影響此類礦井掘進的重要因素[7]。

眾多學者在軟巖穩定性控制方面已開展了大量研究工作。王渭明等[8]在弱膠結軟巖巷道中提出了錨網索耦合支護方案；李為騰等[9]分析了地應力等級、圍巖強度等級因素對軟巖巷道變形量、塑性區范圍等的影響規律；李廷春等[10]分析了泥化弱膠結軟巖地層中矩形巷道的變形破壞過程；李金蘭等[11]通過數值模擬驗證了軟巖巷道幫底錨注支護技術的有效性；王襄禹等[12]認為造成富水弱膠結巷道圍巖變形破壞的主要原因是頂板含水層，并提出圍巖綜合控制技術；李樹剛等[13]對軟巖易風化巷道提出全斷面支護并及時封閉的控制原則；YANG R等[14]認為造成巷道變形的主要原因為黏土礦物含量高，以及支護不匹配；高云峰[15]在軟巖巷道中采用錨(索)網等多介質聯合支護，在工程實際中取得良好效果。但目前對于富水條件下軟巖巷道的穩定性控制技術還缺乏一定的研究，隨著我國西部礦區開采范圍的增加，保證此類巷道的圍巖穩定性將變得越發重要。

根據新上海一號煤礦113082工作面運輸巷建設資料，深入分析地下水對軟巖巷道圍巖及支護結構的影響，并提出圍巖穩定性控制對策。

1 工程地質條件

1.1 水文地質概況

113082工作面運輸巷沿八煤層掘進，八煤層處于侏羅系延安組地層中，含水類型為粗粒砂巖孔隙水，較為富水，但富水性不穩定，分布不均勻。該巷道主要受八煤層頂底板砂巖水的影響，施工的局部頂、底板存在淋水、涌水現象，預計最大涌水量為 20 m3/h，正常涌水量為8.5 m3/h，該含水層作為礦井的主要含水層之一，對巷道的掘進有直接的影響。

1.2 煤層及頂底板巖性

通過井下鉆孔取芯，八煤層厚度平均為3.10 m，傾角為3°～5°，煤層堅固性系數f=1,頂底板巖性特征如表1所示。頂底板巖體以砂巖及砂質泥巖為主，砂巖透水性強，砂質泥巖吸水后易膨脹軟化，這對圍巖支護帶來困難。

2 地下水影響分析

2.1 對圍巖的影響

該煤礦位于鄂爾多斯地區，煤層屬侏羅系延安組地層，整個基巖段砂巖以泥質膠結為主。砂質泥巖在含水量極少的狀態下強度較高，表現出堅硬砂巖的特性，但是遇水后容易崩解泥化，強度下降。同時，距八煤層頂底板含水層的距離較近，在掘進時會受到延安組含水層的直接影響。

富水巷道開挖前，圍巖體處于較大的水頭壓力作用下，孔隙水壓力較高。由有效應力原理可知，雖然圍巖總應力較大，但骨架的有效應力較低。巷道開挖后，圍巖臨空面的孔隙水壓力相比開挖前迅速降至大氣壓值，導致圍巖內有效應力大大升高，對于自身性質較差的巖體極易超過其強度，導致巷道圍巖表面的裂隙向深部擴展、貫通，并產生新的裂隙。隨著巷道圍巖的破裂向深部擴展，塑性變形區不斷擴大，從而使本來就比較軟弱的巖體更加容易發生失穩破壞[16]。同時，隨著圍巖裂隙的擴張，形成貫通的水力通道，巖體內的泥質成分與水發生泥化反應，降低巖體的黏聚力和摩擦因數，弱化巖體強度，降低承載力及巖體的長期強度，圍巖塑性區擴大，不利于軟巖巷道的穩定。

2.2 對支護結構的影響

1)對錨固強度的影響：砂質泥巖在水作用下發生泥化現象，巖體強度大幅度下降。對于錨固長度相同的錨桿，當圍巖強度降低時，錨桿的錨固點位置降低，錨固強度下降。

2)銹蝕的影響：巷道支護結構基本上為金屬材料，與水作用會加速支護結構的銹蝕進程。一方面是對桿體的銹蝕，降低桿體抗拉強度，使其過早出現破斷；另一方面是對托盤的銹蝕，若托盤及連接螺母銹蝕嚴重，錨(索)桿預應力大幅度降低，錨固效果將大幅度下降。

3 富水軟巖巷道穩定性控制方案

3.1 變形控制機理

根據采準巷道礦壓理論，在各方等壓條件下，假設巷道半徑為r，塑性區半徑為R，巷道變形分析模型如圖1所示。

巷道圍巖塑性區半徑R及周邊位移u計算公式如下[17]：

(1)

(2)

(3)

式中:R為塑性區半徑，m；r為巷道半徑，m；p0為原巖應力，MPa；Pi為支護強度，MPa；C為圍巖的黏聚力，MPa；φ為圍巖的內摩擦角，(°)；μ為圍巖泊松比；K為側壓系數；E為圍巖彈性模量，GPa；σc為圍巖單軸抗壓強度，MPa；η為巖體擴容梯度。

由式(1)、(2)可以得出，巷道的塑性區范圍、收斂量與圍巖的物理力學參數密切相關。在E=2 GPa，η=2，μ=0.3，φ=30°，C=4 MPa的條件下，巷道圍巖收斂量與支護強度的關系如圖2所示。由圖2 可見，當支護強度為0.0 MPa時，巷道圍巖收斂量為0.31 m；而當支護強度為0.6 MPa時，巷道圍巖收斂量降低至0.18 m。

在p0=20 MPa，Pi=0 MPa，E=2 GPa，η=2，μ=0.3的條件下，巷道周邊的塑性區半徑、圍巖收斂量與巖體黏聚力C、內摩擦角φ的關系如圖3、圖4所示。由圖3～4可以看出，隨著C、φ值的不斷增大，巷道圍巖的變形量明顯減小。因此，巷道開挖后應盡量減小圍巖自身的強度損失，維護巷道的穩定性。

圖4 巷道塑性區半徑、收斂量與圍巖內摩擦角關系

3.2 巷道穩定性控制方案

由上述分析可知，對于富水軟巖巷道，首先應該采取有效的控水措施，盡量減小水對圍巖強度及支護結構的影響，維護圍巖原有強度和支護強度；其次，采取針對性支護措施，設計合理的支護參數。

1)有效控水措施：水的作用會劣化圍巖強度，同時影響錨固劑、支護構件的物理力學性能，降低支護強度。因此，在巷道掘進時應該加強對水的管理，采取導、疏相結合的控水措施。

2)全斷面、多手段聯合支護：軟巖巷道在開挖初期具有變形量大、變形速率快等不利于巷道穩定性的特點。在巷道開挖后應及時恢復全斷面上的徑向應力，限制圍巖的徑向位移。同時，根據圍巖不同部位的變形特點，采用不同支護手段，達到最優支護效果。另外，增加預緊力，采用高強錨桿(索)支護體系，選取合理錨固參數，發揮圍巖自承能力。

4 現場應用

4.1 控水措施

在巷道一側開設疏導孔及時疏導頂板水，疏導孔內不安裝錨桿或錨索。當頂板淋水時可在巷道內淋水處鋪設金屬網雨布，將頂板水引入水溝里。如果巷道內出水嚴重，則在巷道低洼處設置沉淀池及水池，并通過水泵及時排出積水。

提前排放頂板水，減小地下水對巷道圍巖力學性質的影響，同時也可降低頂板錨孔內的出水速度、減少出水量，減小水對支護結構的影響。通過水泵將積水及時排出，盡量降低水對底板表面及附近圍巖的影響。

4.2 聯合支護方案

1)頂板采用W型鋼帶、錨桿、錨索、金屬網支護。其中錨桿采用?22 mm×2 800 mm高強螺紋阻尼錨桿，間排距700 mm×700 mm，每根錨桿選用3卷MSZ2550樹脂錨固劑(有水時用K2550樹脂錨固劑)進行錨固；錨索采用?17.8 mm×7 000 mm普通錨索，間排距1 400 mm×1 800 mm，每根錨索選用 5卷 MSZ2550樹脂錨固劑(有水時用K2550樹脂錨固劑)進行端錨；金屬網采用?6 mm的Q235鋼筋焊接的網孔為100 mm×100 mm的經緯網，網片規格為 2 520 mm×720 mm，搭接長度為100 mm。

2)兩墻采用鋼筋梯配合錨桿支護。其中鋼筋梯采用?12 mm圓鋼加工，鋼筋梯必須與頂部第1根錨桿(靠近兩墻)固定且置于W型鋼帶的上面；錨桿支護參數與頂板相同。

3)底板采用?20 mm×2 500 mm全螺紋錨桿，間排距700 mm×700 mm，用鋼筋網配鋼筋梯支護，噴漿封閉。

4)高強錨桿轉矩不小于300 N·m，錨固力不小于80 kN；螺紋錨桿轉矩不小于200 N·m，錨固力不小于80 kN；錨索預緊力不小于120 kN。

5)噴漿砼強度等級為C20，全斷面進行噴漿，噴層厚度100 mm。

巷道斷面支護情況如圖5所示。

圖5 巷道斷面支護示意圖

5 數值模擬預測分析

5.1 模型建立

為驗證方案的可行性，利用FLAC3D數值模擬軟件進行計算，該模型尺寸為50 m×25 m×2 m，材料參數如表2所示。在模型中間開挖直墻半圓拱巷道，其寬5.2 m、墻高2.5 m。考慮到地下水對圍巖的影響，將模型中巷道周邊泥巖及砂質泥巖的材料參數折減30%。巷道開挖后，按照4.2節支護方案進行全斷面一次性支護。巖層采用Mohr-Coulomb模型，上覆巖層的重力按照均布荷載的形式施加在模型上邊界，模型共劃分22 635個單元，26 240個節點，具體模型如圖6所示。

表2 圍巖力學參數

圖6 巷道模擬模型

5.2 預測分析

計算過程中對巷道變形量、塑性區范圍進行監測，以巷道開挖后80 d作為計算終止標準。基于監測結果繪制垂直和水平位移云圖、最大和最小主應力云圖、塑性區范圍、位移發展曲線圖，如圖7～8所示。

(a)水平位移云圖

(b)垂直位移云圖

(c)最小主應力云圖

(d)最大主應力云圖

(e)塑性區范圍

圖8 巷道變形發展曲線

由圖 7(a)、(b)可知，當巷道完成支護后，淺部圍巖的位移量大于深部圍巖的位移量。

由圖7(c)、(d)、(e)可知，巷道頂、底板出現了小范圍受拉區，最大拉應力為0.794 MPa;模擬計算求得巷道頂板松動圈范圍為 1.95 m，兩幫松動圈范圍為1.56 m;底板砂質泥巖下方0.7 m厚的煤層，其強度較低，出現小范圍塑性區。圍巖松動圈范圍均小于錨桿設計長度，充分說明該設計方案的合理性，能夠有效維護巷道圍巖的穩定。

由圖8可知，巷道開挖40 d后巷道收斂變形逐漸趨于穩定。開挖80 d后，頂板、底板及兩幫最終位移量分別為10.95、7.87、8.55 mm。巷道位移量呈現對稱分布，頂板位移量大于兩幫位移量，巷道底板位移量最小。上述數據充分說明該設計方案能夠有效控制圍巖的變形。

6 結論

1)新上海一號煤礦113082工作面運輸巷屬典型的軟巖巷道，影響巷道穩定性的主要因素為圍巖強度低,以及周邊地下水的影響。

2)富水軟巖巷道在施工時受到地下水的作用，巷道開挖后圍巖強度下降，長期強度降低，塑性區范圍增大，加劇圍巖的變形。另外，地下水的侵蝕會造成支護結構的錨固能力降低。

3)針對富水軟巖巷道可采用以下措施維持其穩定性：首先采取導、疏結合的控水措施，減小對原有圍巖強度的影響，降低對支護結構的損害；另外采用全斷面、多手段聯合加固的支護手段，有效控制圍巖變形，有利于實現巷道的長期穩定。

4)根據數值模擬計算結果，巷道頂板、底板及兩幫最終位移量分別為10.95、7.87、8.55 mm，說明該方案能夠有效控制圍巖的變形，保持巷道的穩定性。