東歡坨軟巖巷道破壞機理與控制研究

賀健宇，劉建莊，楊東啟，閆闖

(華北理工大學(xué) 河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室， 河北 唐山市 063210)

0 引言

雖然煤炭在我國能源消耗總量的比重中不斷降低，但仍然占50%以上，煤炭依舊是我國的主要能源。淺部資源和容易開采地區(qū)的煤炭資源越來越少，向深部開采成為了必然的要求[1-2]。深部軟巖巷道支護難題一直制約著煤炭資源的開發(fā)和高效利用，國內(nèi)外學(xué)者對軟巖巷道的破壞和控制技術(shù)進行了大量研究取得了優(yōu)秀成果[3-8]。高曉旭等[9]綜合運用理論分析、數(shù)值模擬和工業(yè)性試驗相結(jié)合的方法來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)值模擬軟件進行合理支護方案選擇，確定了錨桿索的合理錨固長度。李雪健[11]針對穿層軟巖巷道掘進過程中圍巖性質(zhì)發(fā)生變化的問題，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)緊力錨索支護技術(shù)。王羽揚等[13]認(rèn)為對關(guān)鍵部位的支護增阻可以有效防止“點-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，有效地控制了圍巖變形。國內(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理和支護方式提供了寶貴經(jīng)驗。

1 工程地應(yīng)力測試

東歡坨井田位于開平煤田西北側(cè)，地層屬于華北型沉積。-950 m水平石門穿過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。雖然在巷道掘進后采用了比較強的支護方式，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)過及時套修，但是支護效果仍然不理想，這種情況嚴(yán)重制約了企業(yè)的生產(chǎn)，同時也危害著井下人員和設(shè)備的安全。

地下工程開挖后原巖應(yīng)力場重新分布是支護結(jié)構(gòu)發(fā)生變形、破環(huán)的根本原因。為研究-950 m水平石門的地應(yīng)力情況，采用應(yīng)力解除法對深部圍巖應(yīng)力進行測量。結(jié)合巷道的實際布置位置，在巷道中選取2個測點，安裝空心包體測力計，利用應(yīng)變儀進行數(shù)據(jù)采集，通過分析采集的應(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)力測量結(jié)果

2 微觀測試

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水平石門中采集三塊完整巖樣，現(xiàn)場進行密封保存，帶回實驗室做取樣測試分析。項目包括 X射線衍射（XRD）和掃描電鏡（SEM），通過綜合分析礦物組成和微觀結(jié)構(gòu)來確定巷道發(fā)生破壞的原因。

2.1 X射線衍射測試

X射線與晶體相遇時能發(fā)生衍射現(xiàn)象。而每一種礦物都具有其獨特的晶體結(jié)構(gòu)。通過X射線衍射實驗來確定圍巖中的礦物組成，實驗儀器選用D/MAX－rA型 X射線衍射儀，實驗條件為室溫24℃，濕度35%，測定得到圍巖礦物組成見表2、表3。

由表2、表3可知，巖樣主要成分包括石英、斜長石、鉀長石、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%。蒙脫石具有很強的吸水性，吸水后極易軟化、崩解、膨脹，使圍巖的強度降低，因而提高了支護難度，對巷道穩(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 掃描電鏡測試

掃描電鏡實驗可以確定巖樣的微觀形貌與結(jié)構(gòu)，實驗儀器選用Quanta FEG場發(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號巖樣和2號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微孔、過渡孔和中孔，連通性較好。3號巖樣可見其孔洞，裂隙十分發(fā)育，包括納米級微孔、過渡孔和中孔，其中微米級孔洞和孔隙最為發(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)部的微裂隙進一步擴展、貫通，水分子通過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，降低圍巖的承載強度，這是軟巖巷道圍巖破壞和支護失穩(wěn)的主要內(nèi)因。

3 抗壓測試

在-950 m水平石門處鉆孔取心，實驗室制成標(biāo)準(zhǔn)試件，用TAW-2000型電液伺服巖石三軸試驗機進行三軸壓縮實驗，實驗過程中圍壓選擇 0～25 MPa。

實驗結(jié)果如圖2、圖3所示。不加圍壓時巖樣產(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的過程中，巖樣的抗壓強度由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%。對于支護優(yōu)化的指導(dǎo)意義在于，可以通過增加巷道的護表強度，減少受拉破壞的發(fā)育，選擇合適的支護方式，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 巖樣三軸壓縮實驗結(jié)果

4 支護方案和結(jié)果

實現(xiàn)深井軟碎圍巖的錨固強化，需要錨桿在性能方面進行強度、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，運用二次高強錨桿和注漿錨桿補強支護，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，通過現(xiàn)場試驗，確定新型錨固強化控制方案。

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

圖4 HRB335錨桿支護（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超高強錨桿，每根錨桿使用CK2330樹脂錨固劑4卷，配套安裝150 mm×150 mm厚度為10 mm的高強蝶形大托盤，托盤材質(zhì)高于Q235。安裝順序為錨桿、托盤、高強加厚螺母，如圖5 所示。

圖5 PSB830超高強錨桿支護（單位：mm）

（3）在超高強錨桿旁邊，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，逐步實現(xiàn)高濃度注漿。注漿完畢后，錨桿尾端套入普通蝶形托盤，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（單位：mm）

技術(shù)方案實施以后，在施工巷道內(nèi)部選取測點，采用十字布點法觀測圍巖的表面位移并在超高強錨桿和中空注漿錨桿尾端安裝錨桿測力計進行托錨力監(jiān)測。每隔2 d記錄一次數(shù)據(jù)。經(jīng)過為期40 d的觀測，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，新型支護有效控制了巷道變形。

5 結(jié)論

（1）通過地應(yīng)力測試發(fā)現(xiàn)該地區(qū)應(yīng)力場以水平應(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）通過微觀測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%。蒙脫石具有強烈吸水性，在遇水后軟化、崩解和膨脹，使自身強度大幅降低；巖樣內(nèi)部裂隙和孔洞發(fā)育明顯，巷道開挖后受力狀態(tài)的改變使得內(nèi)部的微裂隙進一步擴展、貫通，圍巖軟化程度進一步加劇。

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

（4）采用二次高強錨桿和注漿錨桿補強支護后，巷道變形問題得到明顯改善，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，新型支護有效地控制了巷道變形。