西北侏羅紀煤田軟巖劣化控制技術

呂玉廣，喬 偉，肖慶華，張永強，韓 港，劉建榮

(1.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；2.內蒙古上海廟礦業有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 016299)

內蒙古上海廟能源化工基地是國家級能源化工基地，主要依托上海廟礦區煤炭資源開發建設。在煤炭資源開發過程中遇到許多軟巖工程難題。采場底板軟化、泥化引起采煤支架陷底、底鼓進而使刮板輸送機上抬；回采巷道人工反復挖底，總量可達20.6 m，是原巷道高度的5.3倍。國際巖石力學學會定義單軸抗壓強度(UDS)介于0.5～25.0 MPa的巖體為軟巖[1]。何滿潮[2]將軟巖劃分為膨脹性軟巖、高應力軟巖、節理化軟巖、復合型軟巖。膨脹性軟巖的膨脹能力受巖體中膨脹性礦物的種類和含量多少影響[3-4]。軟巖在結構上具有軟弱、破碎、松散的特征，在力學方面具有低強度、強流變、易膨脹、高風化特點[5-6]，工程上表現出長期流變、礦壓顯現迅速等特征，容易導致井巷工程失穩[7]。

繆協興[8]提出軟巖巷道圍巖流變大變形有限元計算方法；荊升國[9]提出高應力破碎軟巖巷道棚—索協同支護技術；何滿潮等[10]從時間、空間、方法等角度提出巷道耦合支護理論；奚家米等[11]從小煤柱或沿空掘巷位置方面提出巷道變形控制方法；謝福星等[12]提出多重耦合巷道變形控制技術。前人多以高應力軟巖為研究對象，其與西北侏羅紀弱膠結軟巖存在本質區別，且多致力于巷道底鼓變形控制研究[13]，鮮有涉及采場問題；同時支護措施側重于解決工程力問題，忽視了巖體這種雙相介質中水—巖相互作用影響[14]。許興亮等[15]認識到水是膨脹性軟巖泥化的誘因，注漿阻斷誘因有利于穩定圍巖。但此類軟巖可注性差，注漿阻斷水誘因可操作性不強。

西部侏羅紀煤系地層具有弱膠結、低強度、高膨脹、富含水等特點，工程問題不限于巷道變形，也包括采場底鼓、泥化、采煤支架陷底、掘進機陷底、泥煤等，水—砂混合潰涌亦為該地層條件下典型的工程難題之一[16]。筆者以內蒙古上海廟礦區為研究對象，提出軟巖劣化效應概念及基于水誘因的劣化控制技術體系，以期對同類軟巖劣化工程治理及其控制提供指導和借鑒。

1 軟弱巖體工程地質特性

1.1 弱膠結性

1)膠結物對巖石強度的影響

膠結物不同的2種砂巖見圖1，其顆粒物礦物成分以石英、長石為主。圖1(a)為鈣質膠結砂巖，堅硬，單軸抗壓強度為46.1 MPa；圖1(b)為泥質膠結砂巖，單軸抗壓強度僅為5.6 MPa。可見膠結物對其強度影響顯著。

(a)鈣質膠結砂巖 (b)泥質膠結砂巖

侏羅紀煤系地層為砂泥質互層型沉積結構，絕大多數砂巖為泥質膠結，少數為鈣質膠結，這種軟+硬型地層結構為采后覆巖內離層的產生提供了物質基礎[17]。

2)崩解性試驗

先將砂巖置于水中，砂巖浸水后隨即碎裂，3 min 后崩解為散砂，再將崩解物傾倒入盆中。泥質膠結砂巖浸水崩解試驗過程如圖2所示。

圖2 泥質膠結砂巖浸水崩解試驗過程

試驗結果表明，泥質膠結砂巖遇水容易崩解，推斷其在水動力下具有流砂屬性，能夠形成水—砂混合流體，為基巖突水潰砂提供了砂源。

1.2 低強度

巖石單軸抗壓強度0.5～25.4 MPa，平均 5.9 MPa，極少數超過40 MPa，力學強度低，屬典型的軟巖。

1.3 高膨脹性

1)膨脹性礦物

采用X射線熒光光譜分析礦物成分，分析結果見圖3。泥巖中石英平均質量分數為52.23%；高嶺石平均質量分數為31.06%；伊利石平均質量分數為10.67%；蒙脫石平均質量分數為6.78%。

1—石英標準卡片；2—高嶺石標準卡片；3—伊利石標準卡片；4—蒙脫石標準卡片。

伊利石、蒙脫石等礦物吸水后體積膨脹，是工程劣化的內在因素之一。

2)膨脹性試驗

在常溫(25 ℃)下采用瓦氏膨脹儀做泥巖膨脹性試驗，巖石膨脹率歷時變化曲線如圖4所示。可以看出，試驗開始后前30 h膨脹率快速增高，隨后趨于穩定，最大膨脹率為0.325%。

圖4 巖石膨脹率歷時變化曲線

試驗表明，泥質巖體具有高膨脹性，膨脹擴容產生膨脹應力擠壓支護體系，是工程劣化的關鍵因素之一。

3)水解試驗

將泥巖樣本浸入清水中，5 min后其完全碎裂，稍作攪動即變成泥漿。(泥)巖水解試驗過程見圖5。

(a)泥巖樣本 (b)巖石碎裂 (c)攪動成泥漿

試驗結果表明，泥巖遇水極易泥化、水解，是工程劣化的又一重要因素。

1.4 富水性

1)水文地質條件

多年來井下疏放水鉆孔施工情況表明，“有砂巖就有水，出水必帶砂”。新上海一號煤礦噸煤排水0.36 m3，2014年采煤工作面頂板突水潰砂，短時水砂量達到2 000 m3/h；榆樹井煤礦噸煤排水0.74 m3。該地層可以被稱為富水軟巖。

2)含水率對巖石力學強度的影響

根據各類巖石含水率與巖石抗壓強度試驗數據，取其平均值后繪制巖石抗壓強度與含水率的關系曲線，如圖6所示。

圖6 巖石抗壓強度與含水率的關系曲線

試驗結果表明，巖石吸水飽和度越高其抗壓強度越低。

2 劣化效應概念與工程特征

2.1 劣化效應概念

將弱膠結膨脹性富水軟巖條件下表現出來的突水潰砂、泥化、蠕變、底鼓、收斂、閉合、支護體系受損等一切非穩定工程現象，統稱為軟巖劣化效應。巖體自身條件是劣化內因，水是誘因。

2.2 劣化工程特征

1)弱膠結性+富水性引起突水潰砂

圖7是錨索孔出水與泥砂堆積現場照片。巷道頂板錨索孔(?30 mm)出水，單孔水量6 m3/h；水攜帶的泥砂在巷道內出現堆積。

(a)錨索孔出水 (b)水中含砂

煤層頂板巖層具有一定的富水性，引起頂板淋水大或鉆孔出水；弱膠結砂巖在水流動狀態下迅速崩解并被水攜帶。

采煤工作面回采過程中，容易發生水—砂混合突涌事故。2014年7月28日，111084工作面推進141 m時架前頂板出水，短時最大水量2 000 m3/h，總水量約23.3萬m3，攜帶泥砂量約3.58萬m3，工作面被泥砂掩埋。這是近年來侏羅系煤田典型的地質災害之一，危害性較大。

2)膨脹性+水引起巷道泥化、膨脹擴容

巷道底板(巖石)泥化現象如圖8所示。掘進機機身陷入巷道底板無法正常行走；巷道底板泥化，人員行走困難。泥化現象影響掘進速度、降低反底拱噴漿質量。

(a)掘進機下陷 (b)人員行走困難

采煤工作面泥化與膨脹擴容現場照片見圖9。采煤工作面頂板淋水量大，可搭設雨棚降低水的影響；巷道上部為煤體，下部為巖體，巖體吸收空氣中水分后膨脹擴容，形成寬約1 200 m的錯臺。

(a)采煤工作面泥化現象 (b)巷道膨脹擴容

采煤工作面水—巖相互作用造成工作面底板軟化，綜采支架陷底，推移困難；底板鼓起、刮板輸送機上抬，致使采煤機通行高度不足，影響采煤效率；同時形成大量泥煤，容易堵倉，進入選煤場洗選難度大、影響煤質。

3)綜合作用巷道大變形

巖體自身膠結性弱、強度低、承載能力差，巷道容易失穩；巖體吸收空氣中水分后膨脹擴容產生膨脹力擠壓支護體，可能會導致巷道大變形甚至巷道報廢。失穩巷道圖片見圖10。

(a)準備巷道大變形 (b)回采巷道閉合

3 軟巖工程劣化控制技術

3.1 控制技術體系

10余年來在實踐中探索、探索中實踐，總結出“治軟先治水”核心理念，提出基于水誘因的“大水防控、小水管理、強化支護、協同治理”十六字方針，形成一套技術管理體系。軟巖工程劣化控制技術體系如圖11所示。

圖11 軟巖工程劣化控制技術體系

3.2 大水防控

“大水防控”是傳統意義上防治水工程技術人員的工作職責，防止水害事故發生。“疏干開采”技術可改變地層富水性條件，預置導流管措施可改變離層空間匯水時間條件等，從而達到大水防控的目的。

3.2.1 疏干開采

疏干開采技術管理流程如圖12所示，結合圖12作如下說明：

圖12 疏干開采技術管理流程

a.掘進前評價。在采掘工程設計前進行初步評價，勘探程度不足時則需要進行水文地質補充勘探。

b.掘進前預評價。運用“雙圖評價技術”[18]或“多類型四雙工作法”[19]評價煤層頂板富水性規律、預計疏干水量。“疏干水量”可作為采前安全評價的量化判據。

c.疏放水鉆孔設計。根據富水性評價成果圖設計疏放水鉆孔密度、平面夾角，鉆孔仰角由工作面寬度及導水斷裂帶高度共同確定。

d.疏放水鉆孔施工。與巷道掘進同步進行，回采設備安裝前完成放水孔施工。

e.地球物理探查。疏放水孔完工后，采用地球物理勘探手段查找富水異常區(疏放水盲區)。

f.鉆探驗證。對物探發現的富水異常區打孔驗證，若單孔水量超過1 m3/h則需要加密鉆孔。

g.編制采前評價報告。當實際放水量與預計的疏干水量相差較大時需要分析原因，結合孔內殘余水量，做出可采或緩采結論。

h.正式回采。回采過程中動態觀測頂板淋水量、放水孔水量，以及導流管水量變化情況，必要時采取補救措施。

i.采后總結。工作面回采結束后，對富水性評價方法、鉆孔設計、物探效果等進行全面總結。

疏干開采作為水害源頭治理技術可實現無水狀態下開采，有效防止突水潰砂。

3.2.2 預置導流管

導流管作為“大水防控”兜底性措施，在工作面下巷每隔100 m預先下入鋼質導水濾管，一旦形成離層水體可及時導出。

3.3 小水管理

“小水管理”屬于生產管理范疇，在生產活動中管理好頂板淋水、底板滲水、生產用水等，確保水不落地，努力減少水與圍巖(巖石)接觸機會。

1)定向鉆孔疏放。掘進工作面采用千米定向鉆機打長孔放水，每組3個鉆孔，鉆孔軌跡線控制在煤層頂板上方6 m左右的層位(由錨索長度決定)，中孔位于巷道中軸線上，側幫孔與中孔平距6 m左右。一次鉆深600～800 m，保留20～30 m超前距，掘進與放水孔交替施工。

2)漏斗接水。在井下零星的淋水點安裝漏斗狀容器接水，漏斗下方連接軟質膠管，將水導入上一級較大直徑的水管內。

3)廣布雨棚。當出現大面積淋水時搭設雨棚接水，用金屬網做成槽狀骨架，敷上廢舊風筒布做成雨棚，一端略傾斜，以漏斗狀容器接水并用軟管導入上一級排水管。

4)軟管導流。通過由細至粗的導水軟管逐級將水就近導入水窩或集中水倉，巷道內不設水溝。

5)集中排放。巷道開門后優先施工集中水倉，水倉有效容積不小于30 m3，上平巷施工1個水倉，下平巷施工2個水倉。每個鉆機硐室附近施工1個2.0 m×2.0 m×2.5 m(長×寬×深)水窩。?225 mm主排水管路滯后掘進工作面不大于60 m，每隔100 m安裝一個?50 mm三通閥。

6)水窩泄壓。巷道底板賦存不穩定的砂巖，富水性弱、靜水壓力大(4 MPa以上)，水壓作用于隔水層上導致底鼓加速，需要挖深水窩泄壓。

7)噴漿覆蓋。凡裸露巖體均應及時噴漿封閉，縮短巖體在空氣中的暴露時間，弱化膨脹擴容效應。

8)底拱隔水。巷道底板開挖成倒拱形，拱高約40 mm，采用錨桿、金屬網、C20混凝土支護形成反底拱，起到隔絕水巖作用，同時加強圍巖承載能力。

3.4 強化支護

支護是控制圍巖變形的基本手段，“強化支護”強調支護材料的強度和支護體系的剛度，本文僅作原則性說明。

1)弧形斷面原則

“O”形斷面承載能力最好但斷面利用率最低，矩形斷面的斷面利用率最高但承載能力差，為兼顧兩者的優勢，宜采用弧線形斷面，巷道頂板設計為半圓拱，底板為三心拱，縮小直墻高度。

2)全斷面支護原則

軟巖巷道底鼓量遠大于頂板下沉量，勢必造成兩幫收斂，底鼓變形量>兩幫收斂變形量>頂板下沉量，堅持全斷面支護原則，更要強化底板支護。巷道底鼓模型及底鼓現場照片如圖13所示,巖層產狀近于直立。

(a)底鼓模型 (b)底鼓照片

3)聯合支護原則

3種代表性巷道支護設計如圖14所示。

開拓巷道：宜采取錨網(索)+全斷面鋼筋混凝土砌碹聯合支護方式(見圖14(a))。

準備巷道：宜采用雙層錨網(索)+噴漿+反底拱聯合支護方式(見圖14(b))。

回采巷道：宜采用單層錨網(索)+噴漿+反底拱聯合支護方式(見圖14(c))。

(a)開拓巷道 (b)準備巷道 (c)回采巷道

4)大密度支護原則

錨桿、錨索等桿件的間排距宜適當縮小，實踐證明700 mm×700 mm間排距的錨桿支護效果明顯優于800 mm×800 mm間排距的支護效果。錨桿、錨索宜適當加長，錨桿以2.8 m長為宜，錨索可以加長到7 m甚至10 m。特殊地段可采用長度4.0 m的錨索替代長度2.8 m的錨桿，或兩者交替布置。

5)及時支護原則

底板錨桿角度與巖層層理關系見圖15。

由圖15可知，新開掘巷道底板錨桿基本垂直于巖層面，形成組織梁或壓縮梁；底鼓變形后經過人工挖底再施工的錨桿與巖層近于平行，此時支護效果不理想，因此特別強調工程質量管理，做到“一次做成、一次做好”。

6)下行布置原則

采煤工作面布置方式本不屬于支護范疇，連續布置的采煤工作面總有一條巷道與采空區相鄰，鄰空側巷道在回采過程中礦壓顯現遠比非鄰空側巷道劇烈，支護難度更大，支護要求有所區別，故納入“強化支護”體系內。

為弱化動壓對鄰空巷道的影響，堅持“上行布置的工作面上行運煤，下行布置的工作面下行運煤，盡量采用下行布置”的原則，始終保持大型機電設備處于非鄰空側巷道內，鄰空巷道變形后能滿足通風、行人基本要求即可。

3.5 協同治理

弱膠結高膨脹富水軟巖帶來的工程難題涉及安全、效率、煤質、成本等多個方面，必須堅持“治軟先治水”理念，堅持水與軟巖協同治理原則。

4 工程效果

1)保障安全生產。2015年以來全面采取“大水防控”技術措施，疏干開采、預置導流管等源頭治理技術措施效果明顯，近年已回采了11個工作面，開采原煤約2 000萬t，未發生過水害事故。

2)采煤效率提升。2014年以前回采了13個工作面，日均采煤工效22.5 t/人；2015年以來回采了11個工作面，日均采煤工效為123.1 t/人，工效提高了4.4倍。

3)掘進效率提升。2014年以前回采巷道平均月成巷190.6 m，接續失調。近年來平均月進度達到460.0 m，2020年4月成巷進度620.3 m，創歷史新高。

4)巷道變形控制效果。通過觀測數據對比，2014年以前施工的巷道斷面收斂率超過40.7%，返修工程量大；近年來斷面收斂率最大10.67%，無需返修即可以滿足安全生產要求。

5 結論

1)軟巖帶來的工程難題不限于巷道大變形，還涉及突水潰砂、圍巖弱化泥化、膨脹擴容、支護體系損傷、設備陷底等一系列工程現象，劣化效應涵蓋了由軟巖引起的所有非穩定工程現象，研究目的由軟巖治理轉化為軟巖劣化效應控制。

2)弱膠結高膨脹富水軟巖具備弱膠結、低強度、高膨脹量、富水等特點，巖層(石)條件是工程劣化的內因，水是誘因。在內因無法改變的情況下，通過控制誘因達到控制軟巖工程劣化目的。

3)“治軟先治水”是軟巖工程劣化控制的核心理念，“大水防控、小水管理、強化支護、協同治理”十六字方針及具體措施可有效解決軟巖工程劣化難題。