深井向斜軸部影響區(qū)軟巖大巷石門綜合加固技術(shù)研究

王 濤

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013； 2.煤炭科學研究總院開采設(shè)計研究分院，北京市朝陽區(qū)，100013)

相關(guān)資料表明，目前我國許多礦區(qū)煤層開采深度已超過600～800 m，少數(shù)礦區(qū)開采深度達到千米以上。近年來隨著沁水煤田淺部煤炭資源的減少，晉城礦區(qū)主采的3#煤層開采逐漸由淺部轉(zhuǎn)入深部，迫切需要針對3#煤層深部安全開采的理論和技術(shù)難題開展研究。礦井開采深度的增加直接導致巷道支護難度逐漸增大，特別在褶曲、斷層和陷落柱等區(qū)域構(gòu)造應力的作用下，支護問題顯得尤為突出，圍巖相繼出現(xiàn)大變形、強流變特性，巷道維護量非常之大。而對于突出煤層大巷，受上覆巖層厚度大、巖巷穿層、構(gòu)造、軟弱巖體、底板無支護等多重因素的影響，支護難度更大，往往出現(xiàn)重復修巷的局面，對深部礦井的采掘安全造成巨大威脅。

目前，針對晉城礦區(qū)深井構(gòu)造作用下軟巖巷道圍巖變形破壞機制及其穩(wěn)定控制方面的技術(shù)研究較少。因此，本文針對深井向斜軸部影響區(qū)突出煤層軟弱巖巷支護難題，結(jié)合胡底煤礦巷道支護工程實踐，以輔助運輸石門為主要對象，開展深向斜軸部影響區(qū)軟巖巷道圍巖加固技術(shù)研究，為沁水煤田類似條件下巷道支護提供理論依據(jù)及技術(shù)支撐。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)與采礦條件

胡底煤業(yè)3#煤開拓巷道由南向北依次布置5條大巷石門，均在距3#煤約17～55 m的頂板巖層中掘進，受褶曲影響有穿層現(xiàn)象，圍巖巖性以砂質(zhì)泥巖為主，部分穿層段為砂巖和砂質(zhì)泥巖互層，層理發(fā)育，膠結(jié)性差，易風化。相鄰石門之間巖柱寬度為30 m，埋深在500～740 m之間。大巷石門設(shè)計采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護，隨著5條石門由西向東掘進，巷道埋深慢慢增加，當掘進進入石門上向斜軸部區(qū)域時，埋深超過700 m，支護成型后1～5個月，大巷石門均出現(xiàn)了嚴重的變形損壞。兩幫收縮變形最大值為1260 mm，頂板變形量最大值為560 mm。石門變形失穩(wěn)主要形式為巷道幫頂噴砼開裂，嚴重變形區(qū)域噴砼掉落，裸露出支護材料和碎裂巖體，有少量錨桿、錨索破斷現(xiàn)象；底鼓嚴重，底板受兩幫收縮擠壓后鼓起量最大達到1600 mm。由于巷道使用需要，礦方已經(jīng)對石門變形嚴重影響到安全使用區(qū)域進行了巷修處理，但從巷修后巷道變形觀測結(jié)果來看效果不佳，巷道仍處于長期流變變形中。因此，有必要對胡底煤業(yè)深井向斜軸部影響區(qū)大巷石門圍巖變形破壞機制展開研究，在分析其變形、破壞特點和原因基礎(chǔ)上，提出科學有效的綜合加固方案，控制大巷石門的長期流變變形，防治多次翻修的現(xiàn)象，從而保證大巷石門永久安全使用。

1.2 地質(zhì)力學參數(shù)測試

針對胡底煤業(yè)大巷石門變形區(qū)域上覆巖層厚度大、向斜軸部影響范圍大和穿層的地質(zhì)條件，為了全面了解巖體的地質(zhì)力學參數(shù)，采用煤巖體地質(zhì)力學原位測試成套技術(shù)布置了2個測站進行了地應力、圍巖強度和結(jié)構(gòu)測試。

地應力測試結(jié)果見表1。所測區(qū)域應力場類型為σH>σv>σh，σH占優(yōu)勢，最大主應力值大于18 MPa，應力場為構(gòu)造應力占優(yōu)勢的高應力值區(qū)域，地應力方向集中在北偏東63.9°～67.6°。

地應力測試結(jié)束后，采用WQCZ-56型圍巖強度測試裝置對拱頂和幫部10 m深度以內(nèi)錨固區(qū)域的巖體進行了抗壓強度測試，共進行了2個點、4個鉆孔的強度測試，其中第1個點測試結(jié)果見表2，錨網(wǎng)索支護范圍內(nèi)砂質(zhì)泥巖強度最大值為54 MPa，最小值為36 MPa。

表1 大巷石門地應力測量結(jié)果

注：H——埋深；σv——垂直應力；σH——最大水平主應力；σh——最小水平主應力；α——最大水平主應力方向

表2 頂板巖層抗壓強度測試結(jié)果

進行測試前采用礦用電子鉆孔窺視儀對輔運和主運石門進行了鉆孔結(jié)構(gòu)觀察，結(jié)果表明向斜軸部影響區(qū)域大巷石門的支護體錨固范圍內(nèi)(5.8 m以內(nèi))巖體有大量橫向和縱向裂隙貫通發(fā)育，厚層軟巖發(fā)生較嚴重碎脹毀壞，整體性喪失。圍巖屬于代表性的深部節(jié)理化松散破碎軟巖。

2 深井向斜軸部影響區(qū)軟巖巷道變形破壞機制

2.1 大巷石門圍巖變形破壞特征

胡底煤業(yè)深部向斜軸部影響區(qū)大巷石門圍巖自身特征及所處環(huán)境導致其圍巖變形具有如下特點：

(1)掘進期間較短時間內(nèi)變形量大。根據(jù)井下監(jiān)測結(jié)果，胡底煤業(yè)大巷石門掘進至埋深650 m以上的向斜軸部影響區(qū)后，掘進支護成型1～5個月內(nèi)產(chǎn)生較大的變形，變形量急劇增加，最大頂?shù)装逑鲁梁蛢蓭褪湛s達到1.2～2.0 m。

(2)變形持續(xù)時間長。深井向斜軸部影響區(qū)石門圍巖變形具有典型的流變特性和明顯的時效性。剛掘出表現(xiàn)為劇烈變形持續(xù)時間較短，隨后表現(xiàn)為減緩變形持續(xù)時間較長。最后達到穩(wěn)定變形，但圍巖變形仍以一定的速度增加，如不進行維護，巷道變形不斷發(fā)展，直至整體失修。

(3)變形部位表現(xiàn)為全斷面變形。石門礦壓顯現(xiàn)表現(xiàn)為四周來壓，掘進成型后拱頂、兩幫和底板均出現(xiàn)強烈變形和破壞，整個斷面嚴重收縮。如不采取有效的控底措施，則強烈底鼓會加劇幫、拱頂?shù)淖冃魏推茐摹?/p>

(4)從圍巖窺視結(jié)果可以看出，巷道圍巖破壞主要變現(xiàn)為橫縱向裂隙、節(jié)理發(fā)育、破碎巖體和軟弱夾層。其中淺部主要變現(xiàn)為巖體碎塊化破碎和裂隙發(fā)育，深部為節(jié)理和軟弱夾層破壞。圍巖破碎深度達到0～9.4 m，主要破碎區(qū)域分布在孔口0～5.8 m范圍之內(nèi)。

2.2 大巷石門圍巖變形破壞原因分析

根據(jù)胡底煤業(yè)大巷石門變形破壞主要特征，結(jié)合對胡底礦大巷石門全面的地質(zhì)力學評估結(jié)果分析，胡底煤業(yè)大巷石門發(fā)生變形、破壞的原因如下：

(1)深部采動應力和地質(zhì)構(gòu)造影響。由于胡底煤業(yè)石門埋深達到650 m以上，原巖應力水平高。根據(jù)井下實測表明是以構(gòu)造應力為主導的高地應力類型，且最大水平主應力的方向與井下巷道軸向方向均呈60°角度斜交，不利于石門維護。石門失修嚴重區(qū)域掘進時穿過石門上向斜構(gòu)造，石門上向斜軸向近南北，軸長1580 m，兩翼地層傾角不對稱，西翼(傾角21°)較東翼(傾角9°)更為陡峭。變形嚴重的主要區(qū)域在向斜的軸部及西翼，向斜對巷道支護的負面影響很大。采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬了石門上向斜構(gòu)造區(qū)域圍巖應力分布情況如圖1所示。由圖1可以看出，在向斜軸部上部和底部巖層分別出現(xiàn)一定范圍垂直于向斜樞紐的壓應力和拉應力集中區(qū)，距軸部越遠，區(qū)域應力集中程度越小。在高地應力作用下，巖層傾斜彎曲導致向斜內(nèi)部能量積聚，當石門掘進穿過向斜時，打破高應力平衡狀態(tài)，加劇石門維護的難度。

圖1 向斜構(gòu)造區(qū)域圍巖應力分布

(2)圍巖軟弱、易風化，結(jié)構(gòu)完整性差。石門為穿層巷道，巖性不一、軟弱不均，各層間存在節(jié)理、原生裂隙，特別是輔運石門砂質(zhì)泥巖中含有1#煤層，而且1#煤層上下層伴生為更軟弱的碳質(zhì)泥巖，受到高應力垂直、水平剪切作用，巖塊間易產(chǎn)生相對滑動，變形破壞加劇。同時圍巖以強度低，易風化砂質(zhì)泥巖為主，風化侵蝕后圍巖結(jié)構(gòu)遭到進一步破壞，承載能力喪失。對此特選取了輔運石門巷幫巖體進行了成分分析，對其礦物組成成份進行了鑒定，結(jié)果見表3。

由表3可以看出，輔運石門泥巖中黏土礦物占總體成份的49%～65.4%，平均占比為57.5%，主要區(qū)域黏土礦物中伊蒙混層占76.3%，伊利石占14.7%，高嶺石占4%，綠泥石占5%，其中伊蒙混層中伊利石占20%；個別區(qū)域黏土礦物中高嶺石占73%，伊蒙混層占20%，伊利石占2%，綠泥石占5%。X射線衍射結(jié)果表明，胡底煤業(yè)輔運石門泥巖含有較多的伊蒙混層，親水性強，吸水后具有膨脹軟化特性。對于這類巷道采用注漿的方式進行加固時要控制漿液的水灰比，由于漿液水量占比越少，流動性越差，因此漿液中需要加入提高漿液流動性和降水性的添加劑。

表3 黏土礦物X射線衍射分析報告

注：S-蒙皂石類；I/S-伊蒙混層；I-伊利石；K-高嶺石；C-綠泥石；C/S-綠蒙混層

(3)巷道底鼓。石門開挖后不僅頂板、兩幫易發(fā)生顯著變形和破壞，底鼓也是一種常見的巷道破壞形式，幾條大巷石門已經(jīng)經(jīng)過多次的起底，仍在不斷底鼓，如不采取有效的控底措施，則強烈底鼓會加劇幫、拱頂?shù)淖冃巍?/p>

(4)單一支護形式難以有效控制石門裂隙巖體的持續(xù)有害變形。石門變形后，對其進行擴刷、起底之后進行單一的全錨索支護，但巷道變形仍不能控制。究其原因是巷道變形后，巷道圍巖破壞深度最大可達9.4 m，修巷只能去除表面破碎圍巖，其內(nèi)部破碎圍巖仍然存在，后期補強錨索仍然安裝在破碎圍巖范圍內(nèi)，錨索錨固效果差，錨固范圍內(nèi)存在裂隙無法傳遞施加在圍巖表面的預應力，主動支護效果差，對圍巖約束力弱，因此刷巷支護后仍不能控制圍巖的持續(xù)變形。

綜上所述，埋深大、向斜軸部影響、圍巖節(jié)理化松散軟弱是大巷石門變形劇烈、破壞嚴重的最主要原因；加之未采取控底措施以及幫頂加固方案不當導致巷道變形加劇。

3 深部向斜軸部影響區(qū)大巷石門綜合加固設(shè)計

3.1 深部動壓影響巷道圍巖變形控制治理思路

根據(jù)大巷石門的地質(zhì)條件及數(shù)值模擬、圍巖成份測定對其變形破壞機制研究基礎(chǔ)上，集合深井向斜軸部影響區(qū)軟巖巷道圍巖變形、破壞特征，提出全斷面主動注漿支護和薄弱環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)補償?shù)木C合加固支護技術(shù)。

(1)全斷面支護。石門強烈底鼓會弱化幫部承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，更易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)；有效的控底方案可通過提高底板圍巖承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性來鞏固幫部圍巖支護效果。因此從石門長期穩(wěn)定性出發(fā)，有必要對石門進行全斷面加固支護。

(2)主動注漿。外部壓力將漿液注入變形后圍巖裂隙中，凝固后形成大小各異的結(jié)石體充填裂隙，最大化恢復碎裂巖體完整性，提升其殘余強度，限制外部載荷作用下破碎巖塊間的相對滑動，阻止圍巖擴容性破壞向深部發(fā)展。

(3)主動支護。與碎裂圍巖相比，采用漿液進行充填裂隙后，巖體能更有效傳遞錨索施加于圍巖表面的預應力，增加支護體形成的有效壓應力區(qū)范圍和厚度，有利于預應力的相互疊加，形成整體支護結(jié)構(gòu)限制圍巖長期流變變形。

(4)薄弱部位局部加強支護。對輔運石門經(jīng)過長期現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，其幫部泥巖十分軟弱，為巷道整個斷面范圍內(nèi)的薄弱環(huán)節(jié)，該部位圍巖往往更容易碎脹變形，這種局部的失穩(wěn)、破壞會大大降低巷道支護承載結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。因此在保證巷道頂、底板支護強度的同時，需要進一步加強石門幫部圍巖控制。

3.2 注漿材料與參數(shù)

輔運石門組織水泥漿加固。石門一般注漿采用42.5級普通硅酸鹽水泥摻入納米灌注劑(占比為水泥質(zhì)量10%)制備素水泥漿，漏漿時壓注水泥—水玻璃雙液漿，水灰比0.6∶1。納米灌注劑的主要作用是低水灰比的條件下制備的漿液有較好的流動性，減水率為37%，結(jié)石強度高，可提高素水泥漿固結(jié)體抗壓強度95%；摻入后制備出的漿液具有良好的穩(wěn)定性，在壓力作用下不會產(chǎn)生離析和收縮(純水泥漿液凝固后收縮值1/5)。

注漿施工在巷修之后進行，注漿孔布置如圖2(a)所示，幫、頂鉆孔深度分別為3 m和8 m，鉆孔直徑36～58 mm，間距1～1.4 m，排距2 m，每排淺孔與深孔之間交替布置的方式，以增強注漿擴散效果；底板鉆孔深度6 m，孔徑58 mm，間排距均為2 m。底板注漿終孔壓力4 MPa，幫頂注漿終孔壓力6 MPa，注漿工序遵循先底板后幫部再拱頂?shù)捻樞?，孔深不同時遵循由淺入深的注漿順序。

3.3 強力錨索材料及參數(shù)

注漿施工完成后為有效控制石門圍巖長期流變變形，需要采用強力錨索對幫、頂及底板全斷面進行補強加固支護，注漿錨索布置如圖2(b)所示。

圖2 加固支護斷面圖

錨索主體為極限破斷力600 kN、直徑22 mm、長度6.3 m的高強度低松弛鋼絞線，采用尺寸為300 mm×300 mm×16 mm的拱形帶調(diào)心球墊高強錨索托盤及鎖具。間排距2 m，底板間距2 m，幫頂間距1.4～2.1 m，布置在注漿鉆孔中間。底板錨索采用水泥漿錨固，灌漿錨固長度2000 mm；幫拱錨索采用兩長一短樹脂錨固劑錨固，錨固長度1970 mm。底板錨索預緊力200 kN，幫拱錨索預緊力250 kN，張拉后注漿進行全長錨固，注漿壓力。錨索孔終止壓力2～3 MPa。

4 輔運石門施工及加固效果分析

輔運石門加固范圍為4#～5#聯(lián)絡(luò)巷之間總長度370 m，共施工注漿鉆孔3219個(包括因注漿效果差補打的鉆孔)，累計施工鉆孔長度15357 m，注干水泥962 t，使用納米灌注劑96.2 t，使用水玻璃54 t，共施工1674根6.3 m長的錨索。

加固施工完成后在輔助運輸石門安裝了綜合測站對錨索受力和表面位移進行了監(jiān)測，觀測結(jié)果曲線如圖3所示。由圖3可知，石門內(nèi)幫頂錨索預緊后初期受力增加較快，這說明錨索較好地控制了石門圍巖初期的有害變形。后期錨索工作阻力趨于穩(wěn)定，最大工作阻力為錨索破斷載荷的45%～47.8%，說明加固支護安全可靠。由加固后輔運石門變形觀測結(jié)果可知，兩幫收縮變形最大值為100 mm，頂?shù)装逡平孔畲笾禐?27 mm，再未發(fā)生明顯的變形。采用全斷面注漿和強力錨索加固方式，石門圍巖變形得到有效控制，保證了石門長期安全使用。

圖3 綜合測站礦壓監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié)論

(1)胡底煤業(yè)大巷石門向斜軸部影響區(qū)圍巖屬于典型性的深部節(jié)理化松散破碎軟巖。石門變形具有全斷面收縮、速度快和持續(xù)時間長等特點，結(jié)構(gòu)觀察表明石門宏觀上的圍巖大變形其實質(zhì)是內(nèi)部層理、裂隙開度增大和擴展過程。

(2)向斜區(qū)域軸部上部、下部分別出現(xiàn)壓應力和拉應力集中區(qū)，高地應力作用下內(nèi)部能量積聚，大巷石門掘進穿過該區(qū)域，能量釋放，石門變形、破壞。埋深大、向斜軸部影響、圍巖節(jié)理化松散軟弱是大巷石門變形劇烈、破壞嚴重的主要原因；加之未采取控底方案，幫頂加固方案不得當導致巷道變形加劇。

(3)全斷面主動注漿支護和薄弱環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)補償?shù)木C合加固技術(shù)能有效地控制深井向斜軸部影響區(qū)巷道圍巖變形。外部壓力將漿液注入變形后幫頂?shù)讎鷰r裂隙中，凝固后形成大小各異的結(jié)石體充填裂隙，最大化恢復碎裂巖體完整性，提升其殘余強度，限制外部載荷作用下破碎巖塊間的相對滑動，阻止圍巖擴容性破壞向深部發(fā)展。完整巖體能更好地傳遞錨桿、錨索施加于圍巖表面的預應力，增加支護體形成的有效壓應力區(qū)范圍和厚度，有利于預應力的相互疊加，形成整體支護結(jié)構(gòu)限制圍巖長期流變變形。

(4)礦壓監(jiān)測結(jié)果表明綜合加固技術(shù)有效控制了深部向斜軸部影響區(qū)輔運石門長期流變變形，保證了大巷石門圍巖長期穩(wěn)定，為礦井順利開拓和安全高效生產(chǎn)創(chuàng)造了條件，可在胡底礦甚至晉城礦區(qū)類似條件下巷道加固中得以應用。