弱膠結軟巖巷道圍巖劣化機理及巷道支護設計優化

劉統申 崔永江 張聯升

（內蒙古上海廟礦業有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 016200）

軟巖巷道頂板大變形及底板底鼓問題是煤礦生產過程中的一項技術性難題[1]。上海廟礦區煤層圍巖強度低，膠結性差，表現出軟巖的非線性變形特性[2]，巷道頂底板呈現出多種圍巖劣化效應，頂板持續變形、底板底鼓、支護結構失效，嚴重阻礙了煤礦高效生產。

在軟巖圍巖劣化治理過程中，相關領域的國內外學者進行了大量的探索研究，這其中包括圍巖松動圈理論[3]、聯合支護理論[4]、新奧法理論[5]等。在軟巖巷道底鼓控制研究過程中，何滿潮等[6]提出建立巷道頂板、兩幫、底角三者聯合支護體系，可以對巷道底鼓進行有效控制；SUN Jin 等[7]研究了巷道底板切槽卸壓的方式控制底鼓變形；文志杰[8]建立了巷道底鼓力學模型，提出了一種新型反底拱支護方案。

綜上，在軟巖巷道圍巖劣化防治領域國內外學者取得了一系列研究成果，但由于地質條件的復雜多樣以及理論計算存在的局限性，導致目前軟巖巷道頂底板控制頻繁失效。為此，以榆樹井煤礦為研究背景，采用鉆孔成像儀對煤巷軟巖破壞結構進行觀測，確定巷道松動圈范圍，基于力學理論建立底板層裂結構模型，得出巷道底板劣化機制。在此基礎之上，進一步優化頂板支護參數和底板支護結構，并通過現場工業試驗驗證該方案的有效性，為類似圍巖條件的煤礦提供相關參考。

1 工程概況

榆樹井煤礦工作面埋深約400 m，主采8 煤層，平均厚度2.2 m，屬于穩定性中厚煤層。煤層頂底板為泥巖、砂質泥巖等，強度低，膠結性及自承能力差，屬于典型的軟巖。巷道頂板出現變形破碎、底板底鼓破壞，淋水加劇了巷道底板泥化。

2 巷道破壞特征及機理分析

2.1 巷道圍巖結構分析

采用鉆孔數字攝像測量系統對巷道圍巖內部結構進行觀測。在巷道斷面的頂部2.51 m、右幫1.87 m、左幫1.25 m 處，通過鉆孔窺視均發現了橫向裂隙發育。橫向裂隙的發育范圍可視為松動圈的范圍[9]，由此可知，該斷面松動圈范圍約為1.25～2.51 m。除巷道左幫松動圈范圍小于1.5 m，其他各孔松動范圍均大于1.5 m。根據圍巖松動圈理論可知，該測試巷道巖層屬于Ⅴ類不穩定圍巖（軟巖），圍巖自身承載能力較差。

采用壓力試驗機對煤層頂底板強度進行測試，分析煤層頂底板的圍巖承載能力。采用飽和狀態下頂底板巖石的單軸抗壓強度測定，分析頂底板飽和吸水狀態下的破碎情況。試驗結果見表1。

表1 頂底板力學性能

由表1 可知，煤層頂底板正常狀態下抗壓強度平均值分別為5.58 MPa 和3.94 MPa。考慮到頂底板巖層在采動擾動、水理作用下，實際強度將會更低，承載能力將會更弱。

2.2 變形破壞原因分析

1）煤層頂底板為泥巖、砂質泥巖等，強度低，膠結性及自承能力差。采用D/Max-3B 型X 射線衍射儀[10]對頂底板巖樣成分進行分析，高嶺石和蒙皂石的平均含量較高。其中，蒙皂石具有很強的吸水性和吸水膨脹性，受地下水的影響，易引起圍巖變形導致支護結構失效。

2）巷道支護方式及參數不合理，支護強度不能滿足要求，造成支護系統的破壞失效，穩定性下降，圍巖移近量增大。

3）工作面受應力疊加及動載擾動影響。

2.3 基于弱膠結結構的底鼓機理

由上海廟礦區巷道變形破壞情況分析可知：垂直應力通過巷幫傳遞到底板圍巖，底板圍巖同時受到水平應力和垂直應力影響，在其影響下，裸露的底板為應力集中及向上的變形破壞提供了條件。由于煤巖體自身存在缺陷，巷道的開挖使得缺陷得以擴展[11]，加之層狀巖體存在力學性能差的天然弱面，因此大量次生裂紋在底板弱面處得以發育。而且，受地下水影響，底板巖層發生水理作用，產生軟化、膨脹使得缺陷局部拉應力集中，缺陷邊緣沿水平應力方向產生大量張性翼裂紋[12]，如圖1（a）所示。在壓應力作用下，翼裂紋將沿軸向方向擴展并聯合，在巷道底板弱面處產生大量宏觀拉伸裂縫，形成層裂結構，如圖1（b）所示。

圖1 巷幫壁面附近層裂結構形成示意圖

在底板的層裂結構形成后，底板穩定性可簡化為薄板的穩定性。為便于分析受力，截取軸向方向長度b的單位長度巷道圍巖進行研究。因直接底巖層在與煤幫、巷旁支護體的相交處破斷，根據彈性力學薄板理論[13]，可將其視為兩對邊簡支、兩對邊自由的薄板。底板簡化模型如圖2。

圖2 底板層裂結構示意圖

根據圖2 結構示意圖，第i層底板的壓曲微分方程[14]：

式中：px為巷道底板單位長度所受的均布載荷，N·m；μ為泊松比；ti為第i層底板的厚度，m。將式（1）、（3）聯立可得：

根據彈性板殼的雙三角級數法，可得[16]：

式中：n為任意正整數；An為待定系數；a為底板巖層的寬度，m。

將式（3）代入式（4）可得：

式中：E為巖層的彈性模量，GPa；t為巖層厚度，m；μ為巖層的泊松比。

將式（9）代入式（8）可得：

根據文獻[15]可知，水平應力為底板失穩破壞的主要誘發因素，則失穩條件為底板所受水平應力σ大于其臨界應力σc，即：

式中：σ為圍巖層裂區域內壓應力[17]。結合上海廟礦區應力環境，該應力主要為靜應力σx矢量，則底板失穩條件可轉化：

根據礦山壓力理論，在原巖應力下σx=[μ/（1-μ）]γH，考慮到掘巷后應力的重新分布，則σx可大致計算[18]：

將式（10）（13）代入式（12）可得：

由式（14）可知，巷道底板失穩的臨界應力與底板施加的靜態載荷之間的相對大小關系是巷道底板穩定的決定性因素。巷道使用過程中，在圍巖應力及水理作用雙重作用下，底板出現層裂失穩、泥化，因此應制定相應的專項防治措施。

3 巷道支護方案參數設計

3.1 巷道頂板支護參數確定

目前常用的煤巷支護設計主要包括三種：工程類比法、經驗設計法、理論計算法。其中前兩種方法存在諸多不確定性，容易影響最終的支護效果。極限平衡法是在巷道未破碎前，使用錨桿索進行支護，從而達到控制圍巖變形的作用[11]。其中錨桿錨索的支護參數設計采用普氏冒落拱原理作為數學模型，其力學模型如圖3。

圖3 拱形巷道頂板壓力拱力學模型

1）當量半徑計算

運用圓形巷道標準化的方法來進行支護設計，當量半徑：

式中：rs為當量半徑，m；S為巷道的斷面面積，m2；kx為斷面矯正系數，此值取1.10。

計算得出巷道當量半徑rs=2.23 m。

2）錨固長度計算

錨桿錨固段內錨桿載荷與錨桿同黏結劑之間和鉆孔巖壁同黏結劑之間黏結力的和滿足以下關系：

式中：Lm為錨桿錨固段長度；P為錨桿屈服力，此值取60 kN；d為錨桿鉆孔直徑；τr為黏結劑與周邊巖體的黏結力。

計算得出巷道錨固長度Lm=0.18 m。

3）錨桿設計長度計算

基于鉆孔窺視獲得的圍巖松動區范圍，確定錨桿設計長度：

式中：L為錨桿設計長度； 為2.51 m；Lw為錨桿端部外露的長度，此值取0.1 m。

計算得出巷道錨桿設計長度L=2.79 m。因此最終確定錨桿直徑為Φ20 mm，長度為2800 mm，間排距為700 mm×800 mm。

4）錨索參數設計

錨索的主要支護作用是將錨桿錨固體懸吊在穩定的頂板，考慮上覆巖層的賦存情況，采用Φ17.8 mm 的鋼絞線錨索，長度為7000 mm。

3.2 底板支護設計

針對上海廟礦區特殊的底板巖性條件及地質環境，提出強化兩幫圍巖強度、增強底板剛度的圍巖控制技術。對于巷道兩幫，通過支護構件加強支護，提高兩幫自承能力，從而降低底板承載壓力。對于巷道底板，底板巖石清除至設計深度后，噴50 mmC20 混凝土，降低水理作用對弱膠結軟巖強度的削弱，再鋪鋼筋網施工Φ20 mm×2400 mm高強螺紋阻尼錨桿支護，配合使用鋼梯，間距700 mm×700 mm。錨桿用水泥漿全長錨固，增強底板抗彎剛度，改善底板層裂結構力學性質。底板錨網施工合格后，噴射C20 的混凝土至設計底板。

3.3 支護方案確定

結合上述分析結論，對榆樹井煤礦某工作面膠帶順槽進行支護設計優化，優化后支護示意圖如圖4。順槽采用“錨網索+鋼梯+鋼帶+底板錨網噴反底拱”支護，支護參數如下：

圖4 工作面膠帶順槽全斷面支護參數示意圖（mm）

1）頂板。采用Φ20 mm×2800 mm 左旋無縱筋高強滾絲錨桿，錨桿間排距為700 mm×800 mm；錨索使用Φ17.8 mm×7000 mm 低松弛鋼絞線，間排距為1750 mm×2100 mm。錨桿預緊力大于60 kN，錨索預緊力不低于120 kN。

2）兩幫。巷幫錨桿與頂板錨桿型號一致，間排距700 mm×800 mm。除此之外，兩底角分別增加一根錨桿。

3）底板。底板巖石清除至設計深度后，噴50 mmC20 混凝土，鋪鋼筋網施工錨桿。底板錨桿采用Φ20 mm×2400 mm 高強螺紋阻尼錨桿，間排距700 mm×700 mm，錨桿配合水泥漿進行全長錨固，完成后噴射C20 的混凝土至設計底板。

4 效果分析

采用支護優化方案后，在巷道掘進期間對其進行巷道表面位移監測，監測方案如圖5，監測期間巷道圍巖位移變形情況如圖6。由巷道圍巖監測曲線可知，巷道成型后的20 d 內圍巖處于劇烈變形期，20 d 后巷道圍巖進入緩慢變形期，圍巖的變形逐漸變緩，在巷道成型約40 d 后圍巖收斂趨于穩定。截至觀測60 d，巷道頂板下沉量為110 mm 左右，兩幫變形量為130 mm 左右，底鼓量為70 mm 左右。巷道圍巖變形量在允許范圍之內，弱膠結軟巖巷道大變形得到了有效的控制，保障了巷道在服務期間的安全可靠使用。

圖5 圍巖監測測點布置圖（mm）

圖6 巷道圍巖位移變形圖

5 結論

1）采用鉆孔窺視對巷道圍巖結構進行分析，并對頂底板力學性能及巖樣成分進行分析，最終得出圍巖劣化機理：煤層頂底板巖層屬于弱膠結軟巖，自承能力差，加之頂底板受水理作用，導致圍巖劣化嚴重。

2）基于上海廟礦區特殊的圍巖條件，建立了底板層裂結構模型，推導出了巷道底板失穩的臨界誘發準則：巷道底板失穩的臨界應力與底板施加的靜態載荷之間的相對大小關系是巷道底板穩定的決定性因素。上海廟礦區巷道使用過程中，在圍巖應力及水理作用雙重作用下，底板出現層裂失穩。

3）針對上海廟礦區圍巖劣化機制，對回采巷道支護參數進行優化。采用優化支護參數后，弱膠結軟巖巷道圍巖變形得到了有效控制，保證了工作面安全高效生產。