東歡坨軟巖巷道破壞機(jī)理與控制研究

賀健宇，劉建莊，楊東啟，閆闖

(華北理工大學(xué) 河北省礦業(yè)開(kāi)發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 唐山市 063210)

0 引言

雖然煤炭在我國(guó)能源消耗總量的比重中不斷降低，但仍然占50%以上，煤炭依舊是我國(guó)的主要能源。淺部資源和容易開(kāi)采地區(qū)的煤炭資源越來(lái)越少，向深部開(kāi)采成為了必然的要求[1-2]。深部軟巖巷道支護(hù)難題一直制約著煤炭資源的開(kāi)發(fā)和高效利用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)軟巖巷道的破壞和控制技術(shù)進(jìn)行了大量研究取得了優(yōu)秀成果[3-8]。高曉旭等[9]綜合運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬和工業(yè)性試驗(yàn)相結(jié)合的方法來(lái)分析巷道底鼓控制技術(shù)，指出了巷道底鼓的主要原因。成小勇[10]利用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行合理支護(hù)方案選擇，確定了錨桿索的合理錨固長(zhǎng)度。李雪健[11]針對(duì)穿層軟巖巷道掘進(jìn)過(guò)程中圍巖性質(zhì)發(fā)生變化的問(wèn)題，提出了“注漿錨索+注漿錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土”組合支護(hù)技術(shù)。高鳳偉[12]依據(jù)地應(yīng)力情況、巷道頂板結(jié)構(gòu)特性和煤巖體的物理力學(xué)特性，提出了全斷面高預(yù)緊力錨索支護(hù)技術(shù)。王羽揚(yáng)等[13]認(rèn)為對(duì)關(guān)鍵部位的支護(hù)增阻可以有效防止“點(diǎn)-面”破壞，改善底板的水理化環(huán)境，管控底板水平向應(yīng)力狀態(tài)是底鼓整體控制的關(guān)鍵。張官禹等[14]在底板采用錨梁+錨桿+網(wǎng)噴+澆筑混凝土的聯(lián)合支護(hù)，有效地控制了圍巖變形。國(guó)內(nèi)外學(xué)者的豐富研究成果為研究東歡坨軟巖巷道的破壞機(jī)理和支護(hù)方式提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1 工程地應(yīng)力測(cè)試

東歡坨井田位于開(kāi)平煤田西北側(cè)，地層屬于華北型沉積。-950 m水平石門(mén)穿過(guò)富含蒙脫石黏土礦物的灰白色砂巖，圍巖巖性較脆，吸水后膨脹，裂隙發(fā)育嚴(yán)重，巷道圍巖表現(xiàn)出明顯的流變特征。雖然在巷道掘進(jìn)后采用了比較強(qiáng)的支護(hù)方式，但是圍巖變形和結(jié)構(gòu)破壞仍然十分明顯，頂板下沉，兩幫向內(nèi)收斂，大面積噴層開(kāi)裂，鋼筋網(wǎng)脫落，甚至發(fā)生冒落，有些地方頂板下移量達(dá)到700 mm，兩幫變形量甚至達(dá)到了1200 mm。雖然經(jīng)過(guò)及時(shí)套修，但是支護(hù)效果仍然不理想，這種情況嚴(yán)重制約了企業(yè)的生產(chǎn)，同時(shí)也危害著井下人員和設(shè)備的安全。

地下工程開(kāi)挖后原巖應(yīng)力場(chǎng)重新分布是支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形、破環(huán)的根本原因。為研究-950 m水平石門(mén)的地應(yīng)力情況，采用應(yīng)力解除法對(duì)深部圍巖應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量。結(jié)合巷道的實(shí)際布置位置，在巷道中選取2個(gè)測(cè)點(diǎn)，安裝空心包體測(cè)力計(jì)，利用應(yīng)變儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)分析采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)解算出可靠的地應(yīng)力，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，最大主應(yīng)力達(dá)35.28 MPa，傾角為9.43°，中間主應(yīng)力是27.15 MPa，傾角為87.03°，最小主應(yīng)力是20.03 MPa，傾角為1.90°，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力接近水平，中間主應(yīng)力接近垂直。最大主應(yīng)力是最小主應(yīng)力的1.76倍，該地區(qū)應(yīng)力場(chǎng)以水平應(yīng)力為主。由于最大主應(yīng)力達(dá)到35.28 MPa，地應(yīng)力偏高，這是促使巷道發(fā)生變形破壞的直接外因。

表1 地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

2 微觀測(cè)試

圍巖的礦物組成和微觀結(jié)構(gòu)都極大地影響其破壞情況，在-950 m水平石門(mén)中采集三塊完整巖樣，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行密封保存，帶回實(shí)驗(yàn)室做取樣測(cè)試分析。項(xiàng)目包括 X射線(xiàn)衍射（XRD）和掃描電鏡（SEM），通過(guò)綜合分析礦物組成和微觀結(jié)構(gòu)來(lái)確定巷道發(fā)生破壞的原因。

2.1 X射線(xiàn)衍射測(cè)試

X射線(xiàn)與晶體相遇時(shí)能發(fā)生衍射現(xiàn)象。而每一種礦物都具有其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)。通過(guò)X射線(xiàn)衍射實(shí)驗(yàn)來(lái)確定圍巖中的礦物組成，實(shí)驗(yàn)儀器選用D/MAX－rA型 X射線(xiàn)衍射儀，實(shí)驗(yàn)條件為室溫24℃，濕度35%，測(cè)定得到圍巖礦物組成見(jiàn)表2、表3。

由表2、表3可知，巖樣主要成分包括石英、斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、菱鐵礦和黏土礦物，黏土礦物占比為61%～71%。黏土礦物又以蒙脫石和高嶺石為主，其中蒙脫石含量達(dá)73%～90%。蒙脫石具有很強(qiáng)的吸水性，吸水后極易軟化、崩解、膨脹，使圍巖的強(qiáng)度降低，因而提高了支護(hù)難度，對(duì)巷道穩(wěn)定非常不利。

表2 礦物成分含量 %

表3 黏土礦物的成分含量 %

2.2 掃描電鏡測(cè)試

掃描電鏡實(shí)驗(yàn)可以確定巖樣的微觀形貌與結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)儀器選用Quanta FEG場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡。巖樣放大4000倍的結(jié)果如圖1所示。

圖1 電鏡掃描結(jié)果

由圖1可以看出，巖樣放大4000倍后，巖性較為松散，1號(hào)巖樣和2號(hào)巖樣的微裂縫和層間裂隙發(fā)育明顯，孔隙主要包括納米級(jí)微孔、過(guò)渡孔和中孔，連通性較好。3號(hào)巖樣可見(jiàn)其孔洞，裂隙十分發(fā)育，包括納米級(jí)微孔、過(guò)渡孔和中孔，其中微米級(jí)孔洞和孔隙最為發(fā)育，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜。由于巖石內(nèi)部裂隙、孔洞發(fā)育，在開(kāi)挖后圍巖由三向受力狀態(tài)變成了雙向受力狀態(tài)，圍巖受力改變使得內(nèi)部的微裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展、貫通，水分子通過(guò)微裂隙存在于小薄片與小薄片之間，并使其發(fā)生膨脹、軟化，降低圍巖的承載強(qiáng)度，這是軟巖巷道圍巖破壞和支護(hù)失穩(wěn)的主要內(nèi)因。

3 抗壓測(cè)試

在-950 m水平石門(mén)處鉆孔取心，實(shí)驗(yàn)室制成標(biāo)準(zhǔn)試件，用TAW-2000型電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中圍壓選擇 0～25 MPa。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示。不加圍壓時(shí)巖樣產(chǎn)生豎向劈裂裂縫，發(fā)生受拉破壞，在施加 5～25 MPa圍壓后巖樣產(chǎn)生斜向裂縫，發(fā)生剪切破壞。當(dāng)圍壓從0上升到25 MPa的過(guò)程中，巖樣的抗壓強(qiáng)度由116.2 MPa增加到268.1 MPa，巖樣的極限軸應(yīng)變由0.5%增加到1%。對(duì)于支護(hù)優(yōu)化的指導(dǎo)意義在于，可以通過(guò)增加巷道的護(hù)表強(qiáng)度，減少受拉破壞的發(fā)育，選擇合適的支護(hù)方式，使圍巖具備圍壓恢復(fù)加固功能，有效地提高軟巖的抗壓強(qiáng)度和極限變形能力。

圖2 巖樣破壞情況

圖3 巖樣三軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 支護(hù)方案和結(jié)果

實(shí)現(xiàn)深井軟碎圍巖的錨固強(qiáng)化，需要錨桿在性能方面進(jìn)行強(qiáng)度、剛度兩方面的提升，使之與圍巖變形相耦合；另一方面需要改善圍巖的結(jié)構(gòu)和整體性，運(yùn)用二次高強(qiáng)錨桿和注漿錨桿補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，是較為便捷和可靠的施工技術(shù)方法。根據(jù)東歡坨-950 m水平高應(yīng)力軟弱破碎圍巖巷道的施工條件和工藝裝備，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定新型錨固強(qiáng)化控制方案。

（1）初掘施工時(shí)采用 HRB335-Φ20 mm×2200 mm錨桿，間排距900 mm×900 mm，每根錨桿使用CK2330型樹(shù)脂錨固劑4卷，如圖4所示。

圖4 HRB335錨桿支護(hù)（單位：mm）

（2）在間隔兩排、兩根錨桿空檔內(nèi)，按照間排距1800 mm×1800 mm施工PSB830-Φ20 mm×2400 mm超高強(qiáng)錨桿，每根錨桿使用CK2330樹(shù)脂錨固劑4卷，配套安裝150 mm×150 mm厚度為10 mm的高強(qiáng)蝶形大托盤(pán)，托盤(pán)材質(zhì)高于Q235。安裝順序?yàn)殄^桿、托盤(pán)、高強(qiáng)加厚螺母，如圖5 所示。

圖5 PSB830超高強(qiáng)錨桿支護(hù)（單位：mm）

（3）在超高強(qiáng)錨桿旁邊，按照同樣規(guī)格間排距 1800 mm×1800 mm，布置 45#-Φ25 mm×5 mm×3000 mm中空注漿錨桿，鐵錨頭漲殼錨固，安裝采用專(zhuān)用釬尾套連接風(fēng)錘，拆除釬尾套后以M25-12.7螺母左旋壓緊橡膠止?jié){塞，注漿選用800目超細(xì)水泥，注漿壓力控制在 1～2 MPa，根據(jù)漿液注入情況可適當(dāng)加大灰水比，逐步實(shí)現(xiàn)高濃度注漿。注漿完畢后，錨桿尾端套入普通蝶形托盤(pán)，用第二螺母擰壓傳遞托錨力，如圖6所示。

圖6 中空注漿錨桿支護(hù)（單位：mm）

技術(shù)方案實(shí)施以后，在施工巷道內(nèi)部選取測(cè)點(diǎn)，采用十字布點(diǎn)法觀測(cè)圍巖的表面位移并在超高強(qiáng)錨桿和中空注漿錨桿尾端安裝錨桿測(cè)力計(jì)進(jìn)行托錨力監(jiān)測(cè)。每隔2 d記錄一次數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)為期40 d的觀測(cè)，錨桿托錨受力在50～80 kN，頂?shù)装遄畲笪灰茷?32 mm，兩幫最大收斂量為93 mm，掘巷變形穩(wěn)定期在26 d左右，新型支護(hù)有效控制了巷道變形。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)地應(yīng)力測(cè)試發(fā)現(xiàn)該地區(qū)應(yīng)力場(chǎng)以水平應(yīng)力為主，最大主應(yīng)力達(dá)到35.28 MPa，是最小主應(yīng)力的1.76倍。地應(yīng)力偏高，這是導(dǎo)致巷道發(fā)生變形破壞的直接外因。

（2）通過(guò)微觀測(cè)試得出巖樣中黏土礦物含量為61%～71%。黏土礦物主要由蒙脫石和高嶺石組成，蒙脫石含量為73%～90%。蒙脫石具有強(qiáng)烈吸水性，在遇水后軟化、崩解和膨脹，使自身強(qiáng)度大幅降低；巖樣內(nèi)部裂隙和孔洞發(fā)育明顯，巷道開(kāi)挖后受力狀態(tài)的改變使得內(nèi)部的微裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展、貫通，圍巖軟化程度進(jìn)一步加劇。

（3）不同圍壓下的巖樣壓縮試驗(yàn)表明，不加圍壓時(shí)巖樣發(fā)生受拉破壞，施加5～25 MPa圍壓后巖樣發(fā)生剪切破壞，通過(guò)施加圍壓可以有效地提高圍巖的抗壓強(qiáng)度和極限變形能力，進(jìn)而增加巖體穩(wěn)固性。

（4）采用二次高強(qiáng)錨桿和注漿錨桿補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，巷道變形問(wèn)題得到明顯改善，錨桿托錨受力為50～80 kN，頂?shù)装遄畲笪灰茷?32 mm，兩幫最大收斂量為93 mm，掘巷變形穩(wěn)定期為26 d左右，新型支護(hù)有效地控制了巷道變形。