高應力紅頁巖巷道失穩機理與控制技術研究

張東岳，馬振乾,2，梁旭超，陳安民，羅 超，丁萬奇

(1.貴州大學礦業學院，貴州 貴陽 550025；2.河南理工大學深井瓦斯抽采與圍巖控制技術國家地方聯合工程實驗室，河南 焦作 454003；3.貴州政立礦業有限公司，貴州 開陽 550300)

貴州省是我國礦產資源大省，磷礦儲量26.95億t，居全國第3位，其中富礦占全國總量的44%，是我國主要的磷礦資源產地和磷化工基地之一[1]。貴州省磷礦資源分布區域較集中，共分為4個礦集區，目前開發強度較大的為開陽-息烽礦集區和甕安-福泉礦集區。其中，開陽磷礦作為我國少有的富磷礦床，主要開采震旦系上統陡山沱組的磷塊巖，礦井開拓及采準工程多布置在礦體下方的紅頁巖中。紅頁巖是一種比較特殊的沉積巖，層理明顯，層間厚度不大，暴露后風化速度快，具有遇水膨脹、泥化的特性，如不及時進行支護和封閉，極易引發片幫和冒頂。目前，開陽磷礦區多個礦山開拓及采準工程進入到+600～+800 m水平，埋深達到500～800 m，在高應力作用下紅頁巖脆性減弱，塑性增強，表現出明顯的高應力軟巖的特性。在馬路坪礦[2-3]、沙壩土礦[4]、青菜沖礦[5]等多個礦山中，紅頁巖巷道均出現了噴層開裂剝落、錨桿失效、局部片幫冒頂、嚴重底鼓等現象，巷道需要反復維修，對礦山的正常生產造成嚴重影響。

在高應力紅頁巖巷道失穩破壞機理方面，馬春德[2]采用離散元數值模擬分析了深部紅頁巖巷道開挖后圍巖應力和位移分布特征，解釋了巷道圍巖變形的發展趨勢和規律；李地元等[6]通過對開陽磷礦青菜沖礦的紅頁巖現場取樣，研究了干濕循環作用下紅頁巖靜態力學特性；廖九波等[7]采用顆粒流軟件PFC對馬路坪礦750中段紅頁巖巷道開挖后圍巖變形破壞規律進行數值模擬，探討了圍巖各個關鍵部位的位移分布特征；李夕兵等[8]對比分析了不同動力擾動下紅頁巖巷道圍巖拉伸裂紋和剪切裂紋擴展情況，提出隨著擾動波強度的增加，模型中裂紋數量顯著增加，且以拉伸破壞為主；何忠國等[9]統計了開磷集團青菜沖礦10個中段開拓巷道的5 279條結構面，得出礦體下盤的紅頁巖節理較發育且延伸距離較大是造成開拓巷道維護困難的重要原因。

在高應力紅頁巖巷道控制技術方面，馬春德[2]研制出了一種適用于高應力大變形巖體的波浪式協調變形吸能錨桿，在現場施工中取得了良好的支護效果；江軍生等[3]、李夕兵等[10]針對馬路坪礦紅頁巖巷道嚴重底臌問題，提出增設底角錨桿、底板錨桿及加筋混凝土底板控制底臌方案；WANG等[11]在研究深部紅頁巖地質特性的基礎上，提出了巷道掘進地壓控制技術；姚金蕊等[12]將鋼纖維混凝土應用于深部紅頁巖巷道支護中，大大改善了支護效果，為深部開采提供了有力的安全保障；吳強等[13]、王大勇[14]、宋仕毅等[15]實測了紅頁巖巷道圍巖位移變化規律，為紅頁巖巷道優化支護方案提供了依據。

綜上所述，國內外學者在紅頁巖巷道失穩機理及控制技術方面做了大量研究，解決了大量的工程難題，但由于紅頁巖賦存環境千差萬別，影響巷道圍巖失穩的關鍵因素不盡相同，在高應力紅頁巖巷道控制理論與技術方面仍需要進一步深入研究。本文以貴州政立礦業有限公司平安磷礦二礦844交叉口至溜井段巷道為研究對象，通過鉆孔窺視掌握圍巖裂隙發育程度，采用格柵拱架與錨管注漿聯合支護技術，嘗試解決平安磷礦二礦紅頁巖巷道圍巖變形量大的難題，以保證礦井的安全生產。

1 工程地質概況

平安磷礦二礦位于貴陽市開陽縣金中鎮境內，礦區面積為0.95 km2，礦山生產能力為30萬t/a。礦井為平硐開拓，開采深度為+1 130～+600 m標高。844中段運輸巷道布置在磷礦下盤的紅頁巖中，巷道布置如圖1所示。

紅頁巖表現為明顯的薄層狀層理構造，層理間距從幾毫米到十幾厘米不等(圖2)。層理對巖石強度和巖石變形程度產生較大的影響，導致巖體具有明顯的各向異性。巖石力學測試結果[2]表明：當加載方向與層理方向夾角為90°時，巖石力學強度最大，單軸抗壓強度接近45 MPa；當此夾角為30°時，單軸抗壓強度僅為22.5 MPa，降低了50%。加載方向與層理方向夾角為0°時紅頁巖的彈性模型最大，同樣當此夾角為30°時，彈性模型最小(圖3)。

采用全自動壓汞儀測試了自然狀態和吸水48 h后紅頁巖樣品的孔徑分布(圖4)。 自然狀態下紅頁巖孔隙總體積為0.050 9 mL/g，孔隙率為1.62%。紅頁巖吸水48 h后孔隙總體積為0.064 5 mL/g，孔隙率增大至1.77%。由圖4可以看出，紅頁巖內部孔隙孔徑主要集中在0～50 nm與10～200 μm的范圍內，由于水只有在非常大的水壓力梯度作用下才能在0～50 nm的孔隙中流動，因此吸水對其影響較小。 自然狀態下孔徑在10～200 μm的微孔隙占總孔隙體積的37.45%，吸水后占比增加至45.82%，因此，吸水后引發的巖石強度弱化是紅頁巖巷道失穩破壞的重要原因。

圖1 844中段運輸巷道布置圖Fig.1 844 sub-level transportation roadway layout

圖2 平安磷礦二礦紅頁巖層理構造Fig.2 Bedding structure of red shale in No.2 mine ofPing’an phosphate mine

圖3 不同加載方向與紅頁巖層理夾角下試件的力學參數Fig.3 Mechanical parameters of red shale under differentangle between loading direction and red shale bedding

圖4 紅頁巖樣品孔徑分析Fig.4 Pore size analysis of red shale samples

圖5是對紅頁巖試樣進行電鏡掃描所得到的SEM圖像。由圖5可以看出，黏土礦物的主要單晶形態是不規則的片狀結構和層狀結構[16]，且聚集態主要呈復雜的多層交叉支撐結構，微孔形態多為不規則的多邊形。

2 巷道變形破壞特征及失穩原因

試驗段巷道原支護為錨網噴支護，2016年巷道出現明顯變形后對其進行擴刷，修復后仍采用錨網噴支護。目前巷道頂部開裂、底臌嚴重，呈現全斷面破壞，巷道頂底移近量在500～700 mm之間，巷道高度2.7～2.9 m(圖6)。

本文采用CXK12(A)-Z礦用本安型鉆孔窺視儀對844中段運輸巷道進行鉆孔窺視，布置2個測站，距離巷道交叉點的距離分別為20 m和30 m，頂板鉆孔深8 m，幫部鉆孔深4 m，典型測試結果如圖7所示。 由此可見，巷道擴刷后孔口在0.5～0.8 m之間，圍巖破碎十分嚴重，頂板裂隙發育范圍在1.5～1.8 m，幫部裂隙發育范圍在2.5～4.0 m。

圖6 巷道變形破壞特征Fig.6 Roadway deformation and failure characteristics

圖7 鉆孔窺視圖Fig.7 Borehole camera images

根據巷道圍巖應力環境和圍巖巖性綜合分析，紅頁巖巷道破壞的主要原因如下所述。

1) 巷道埋深大，水平應力高。巷道實際埋深近600 m，垂直應力在15 MPa左右，且洋水礦區地應力以水平構造應力為主，最大主應力方向與洋水背斜的走向基本相同，呈近南北向。巷道開挖后水平應力向頂底板集中，引起巷道頂底板的變形破壞。

2) 上層礦柱的影響。試驗段巷道上方為礦柱，距離磷礦層在25 m以內。磷礦石回采造成礦柱應力集中，且集中應力向底板傳播，在其影響作用下紅頁巖巷道圍巖應力迅速增大，數倍于原巖應力，是引起巷道破壞的重要原因。

3) 圍巖強度較低，自穩能力差。平安磷礦二礦紅頁巖傾角為30°～40°，對巷道的安全控制較為不利。同時紅頁巖也表現出明顯的高應力軟巖的特性，軟化臨界荷載為單軸抗壓強度的70%～80%。因此，紅頁巖并非常見的地質軟巖，它在低應力狀態下仍表現出脆性巖石的變形特征，但在高應力條件下會發生明顯的脆延轉化，出現顯著的塑性變形，表現出明顯的工程軟巖特征。

4) 支護方案不合理。原方案采用錨網噴支護，錨桿為管縫式錨桿，預緊力較低，支護初期的支護強度較低，難以有效限制巷道圍巖變形。巷道松動破壞范圍大，未進行注漿加固，在礦柱集中應力及采動應力共同作用下巷道出現嚴重變形破壞。

3 控制對策及關鍵技術

結合現有的巷道支護理論與技術，要實現紅頁巖巷道的穩定性控制，首先要提高淺部破碎圍巖的承載能力；其次，要允許圍巖發生一定的變形，實現讓壓，避免高應力造成圍巖劣化與支護結構失穩；最后，要充分調動深部圍巖的承載能力。據此提出了“高強錨注+格柵拱架+小孔徑錨索”的高應力紅頁巖巷道支護措施。

3.1 高強錨注技術

高應力紅頁巖巷道淺部圍巖將不可避免地發生破裂，采用高強錨注技術對于改善淺部圍巖力學性質，提高圍巖的承載能力具有重要作用。 結合現有的技術條件和工程經驗，采用長1 500 mm，直徑45 mm的管縫式錨桿，間排距為2 000 mm×1 800 mm，托盤尺寸為150 mm×150 mm×5 mm；金屬網為規格2 150 mm×1 550 mm的鋼筋網，網孔大小為100 mm×100 mm。結合鉆孔窺視結果，淺孔注漿采用長3 080 mm，直徑為42 mm的錨管，間排距2 000 mm×3 600 mm，注漿材料采用硫鋁酸鹽水泥。

3.2 格柵拱架支護技術

高應力紅頁巖巷道單靠錨注支護很難形成具有很強承載能力的承壓拱系統，采用格柵拱架與淺部圍巖共同形成承壓拱，可以極大提高承壓拱的承載能力，使圍巖長期保持穩定[17]。首先，在巷道兩幫澆筑高1.2 m、厚350～400 mm的混凝土墻，將直徑18 mm的主筋按間距300 mm固定。然后將直徑12 mm的輔筋按間距400 mm綁扎在主筋上形成混凝土的鋼筋骨架(圖8)。鋼筋骨架綁扎完成后對巷道進行噴漿，厚度為300～500 mm。格柵拱架混凝土支護結構具有極大的可縮性，能夠適應巷道初期的變形要求，使圍巖中的高應力向深部轉移。

圖8 格柵拱架示意圖Fig.8 Schematic diagram of arch grille

3.3 小孔徑錨索深層錨固技術

與錨桿相比，錨索具有錨固深度大、可施加較大預緊力等諸多優點，可以將錨注支護與格柵拱架混凝土形成的承載結構與深部圍巖相連，對其施加較高的支護阻力，有效限制巷道出現過大的變形，并且可以充分調動深部圍巖的承載能力[18]，使更大范圍的巖體共同承載。 錨索采用直徑為15.24 mm的鋼絞線，頂板及肩窩錨索長度為8 m，兩幫錨索長5 m，間排距為2 000 mm×1 800 mm，預緊力不小于100 kN。

4 工程應用與效果分析

4.1 支護工序

1) 擴刷、錨網臨時支護。將原巷道擴刷至設計尺寸：底寬×中高為4.5 m×3.4 m，將巷道表面偏幫及冒頂矸石全部清理掉后，立即施工Φ18 mm×2 800 mm的錨桿掛網，并在其上噴射50 mm厚的混凝土以封閉圍巖，防止紅頁巖風化。

2) 錨管注漿加固。注漿材料采用硫鋁酸鹽水泥(硬化時間約為20 min)或化學漿液注漿控頂，封堵大型裂隙和淺層破碎圍巖體加固。

3) 格柵拱架。巷道斷面架設直徑18 mm主鋼筋，間距為300 mm。 沿巷道走向架設直徑12 mm輔助鋼筋，間距為400 mm，主輔鋼筋用細鐵絲綁扎。

4) 小孔徑錨索深孔強力錨固。易產生應力集中的巷道關鍵部位采用小孔徑錨索進行加強支護。每個斷面布置5套錨索，每眼安裝1卷Z2950樹脂錨固劑和1卷Z2535樹脂錨固劑，錨固長度為1 185 mm。

5) 復噴混凝土。為防止錨網暴露空氣中銹蝕，安裝結束后應對巷道壁及錨網再進行一次噴漿，厚度300～500 mm。

4.2 支護效果分析

以844中段運輸巷道的工程地質條件為背景建立數值計算模型，模型長×寬×高為40 m×13 m×40 m。模型上部施加15 MPa載荷，采用摩爾庫倫本構模型。支護優化前后方案如圖9所示，計算中所取得巖石參數見表1。

表1 數值模擬使用的巖石力學參數Table 1 Rock mechanical parameters in numerical simulation

圖9 巷道支護方案Fig.9 Roadway support scheme

采用原方案巷道頂底板及兩幫的破壞范圍均在2.5 m以上，肩窩及底角破壞范圍甚至達到了8 m(圖10)，遠大于管縫式錨桿的長度，造成巷道變形破壞嚴重。巷道開挖后兩幫位移量達到479 mm，頂板及底板變形量分別為200 mm和111 mm。采用新的支護方案后巷道塑性破壞范圍大大減小，基本控制在2 m左右。巷道兩幫位移由479 mm減小至101 mm，下降了78.9%(圖11)。頂板下沉量為49 mm，僅為原方案的24.5%，底鼓量為82 mm，為原方案的73.8%(圖12)。由此可見，優化后的支護方案可有效抑制巷道圍巖塑性區向深部擴展，確保巷道的穩定。

為進一步掌握巷道的維護效果，對巷道表面位移及頂板離層、錨索載荷等進行了現場監測。監測結果表明：巷道兩幫最大變形量在100 mm以內，頂板下沉量控制在40 mm以內，錨索受力在100～120 kN之間趨于穩定，表明新方案控制效果良好(圖13)，能夠滿足巷道安全生產要求。

圖10 巷道塑性區分布Fig.10 Distribution of plastic zone in roadway

圖11 巷道兩幫位移分布Fig.11 Displacement distribution of roadway rib

圖12 巷道頂底板位移分布Fig.12 Displacement distribution of roadway roof and floor

圖13 巷道控制效果Fig.13 Roadway control effect

5 結 論

1) 紅頁巖內部孔隙孔徑主要集中在0～50 nm與10～200 μm的范圍內。自然狀態下孔徑在10～200 μm的微孔隙占總孔隙體積的37.45%，吸水后占比增加至45.82%，吸水后引發的巖石強度弱化是紅頁巖巷道失穩破壞的重要原因。

2) 提出高強錨注+格柵拱架+小孔徑錨索的高應力紅頁巖巷道支護對策，該支護結構能夠適應巷道初期的變形要求，有效限制巷道出現過大變形，并充分調動深部圍巖的承載能力。

3) 現場監測表明紅頁巖巷道兩幫最大變形量在100 mm以內，頂板下沉量控制在40 mm以內，錨索受力在100～120 kN之間，并趨于穩定，表明新方案控制效果良好。