★ 煤炭科技·开拓与开采 ★
王 涛1,2
(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013； 2.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京市朝阳区，100013)
摘 要 为解决深井向斜轴部影响区软岩巷道围岩变形控制难题，基于地质条件详查、力学参数测试、矿物成份测定和数值计算，分析了胡底煤业3#煤层石门围岩变形破坏机制。结果表明，埋深大、构造影响、围岩软弱、底鼓是石门变形的主要原因，并提出对辅运石门进行全断面主动注浆支护和局部结构补偿的综合加固方案，先用浆液充填破碎岩体裂隙恢复其完整性，提升其残余强度，阻止围岩扩容性破坏向深部发展；后采用高强锚索在围岩表面施加预应力形成范围广、厚度大的叠加压应力区，限制围岩长期流变变形。现场应用表明，加固方案有效控制了石门围岩变形，保证了其长期安全使用。
关键词 石门 软岩巷道 注浆加固 巷道支护
中图分类号 TD713
文献标识码 A
基金项目：国家重点研发计划(2017YFC0603004，2017YFC0804205)
引用格式：王涛. 深井向斜轴部影响区软岩大巷石门综合加固技术研究[J]. 中国煤炭，2018,44(8)：62-67.
Wang Tao1,2
(1. Coal Mining and Designing Department, Tiandi Science and Technology Co., Ltd., Chaoyang, Beijing 100013; 2. Coal Mining and Designing Branch, China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013)
Abstract In order to solve the deformation control and maintenance problems of surrounding rock of soft rock roadway in the influence zone of deep inclined shaft axis, through detailed geological production conditions and geomechanical parameters testing, clay mineral composition determination and numerical model calculations, the deformation and failure mechanism of cross-cut surrounding rock in main roadway of No. 3 coal seam in Hudi Mine were analyzed. It was shown that the main cause of roadway deformation was the large buried depth, the influence of the syncline structure, the looseness of surrounding rock and floor heave. A comprehensive reinforcement plan for full cross section active grouting support and local structure compensation for auxiliary transportation of cross-cut was put forward. It was used to fill the fractured rock mass with slurry to restore the integrity, improving the residual strength and preventing the dilatancy of surrounding rock from developing to the deep area. Then high strength anchor cable was applied to the surrounding rock surface to form a superimposed compressive wide and thick stress zone, which confined the long-term rheological deformation of the surrounding rock. The field application showed that the reinforcement scheme effectively controlled the deformation of surrounding rock in cross-cut and ensures its long-term safe use.
Key words cross-cut, soft rock roadway, grouting reinforcement, roadway support
相关资料表明，目前我国许多矿区煤层开采深度已超过600～800 m，少数矿区开采深度达到千米以上。近年来随着沁水煤田浅部煤炭资源的减少，晋城矿区主采的3#煤层开采逐渐由浅部转入深部，迫切需要针对3#煤层深部安全开采的理论和技术难题开展研究。矿井开采深度的增加直接导致巷道支护难度逐渐增大，特别在褶曲、断层和陷落柱等区域构造应力的作用下，支护问题显得尤为突出，围岩相继出现大变形、强流变特性，巷道维护量非常之大。而对于突出煤层大巷，受上覆岩层厚度大、岩巷穿层、构造、软弱岩体、底板无支护等多重因素的影响，支护难度更大，往往出现重复修巷的局面，对深部矿井的采掘安全造成巨大威胁。
目前，针对晋城矿区深井构造作用下软岩巷道围岩变形破坏机制及其稳定控制方面的技术研究较少。因此，本文针对深井向斜轴部影响区突出煤层软弱岩巷支护难题，结合胡底煤矿巷道支护工程实践，以辅助运输石门为主要对象，开展深向斜轴部影响区软岩巷道围岩加固技术研究，为沁水煤田类似条件下巷道支护提供理论依据及技术支撑。
胡底煤业3#煤开拓巷道由南向北依次布置5条大巷石门，均在距3#煤约17～55 m的顶板岩层中掘进，受褶曲影响有穿层现象，围岩岩性以砂质泥岩为主，部分穿层段为砂岩和砂质泥岩互层，层理发育，胶结性差，易风化。相邻石门之间岩柱宽度为30 m，埋深在500～740 m之间。大巷石门设计采用锚网索喷联合支护，随着5条石门由西向东掘进，巷道埋深慢慢增加，当掘进进入石门上向斜轴部区域时，埋深超过700 m，支护成型后1～5个月，大巷石门均出现了严重的变形损坏。两帮收缩变形最大值为1260 mm，顶板变形量最大值为560 mm。石门变形失稳主要形式为巷道帮顶喷砼开裂，严重变形区域喷砼掉落，裸露出支护材料和碎裂岩体，有少量锚杆、锚索破断现象；底鼓严重，底板受两帮收缩挤压后鼓起量最大达到1600 mm。由于巷道使用需要，矿方已经对石门变形严重影响到安全使用区域进行了巷修处理，但从巷修后巷道变形观测结果来看效果不佳，巷道仍处于长期流变变形中。因此，有必要对胡底煤业深井向斜轴部影响区大巷石门围岩变形破坏机制展开研究，在分析其变形、破坏特点和原因基础上，提出科学有效的综合加固方案，控制大巷石门的长期流变变形，防治多次翻修的现象，从而保证大巷石门永久安全使用。
针对胡底煤业大巷石门变形区域上覆岩层厚度大、向斜轴部影响范围大和穿层的地质条件，为了全面了解岩体的地质力学参数，采用煤岩体地质力学原位测试成套技术布置了2个测站进行了地应力、围岩强度和结构测试。
地应力测试结果见表1。所测区域应力场类型为σH>σv>σh，σH占优势，最大主应力值大于18 MPa，应力场为构造应力占优势的高应力值区域，地应力方向集中在北偏东63.9°～67.6°。
地应力测试结束后，采用WQCZ-56型围岩强度测试装置对拱顶和帮部10 m深度以内锚固区域的岩体进行了抗压强度测试，共进行了2个点、4个钻孔的强度测试，其中第1个点测试结果见表2，锚网索支护范围内砂质泥岩强度最大值为54 MPa，最小值为36 MPa。
表1 大巷石门地应力测量结果
测站H/mσv/MPaσH/MPaσh/MPaα/(°)169716.2717.679.79北偏东63.9267216.3818.349.41北偏东67.6
注：H——埋深；σv——垂直应力；σH——最大水平主应力；σh——最小水平主应力；α——最大水平主应力方向
表2 顶板岩层抗压强度测试结果
岩性累计厚度/m厚度/m强度/MPa岩性描述泥岩10.32.740.44较破碎,岩层间胶结性差,横向裂隙发育粉砂岩7.61.871.57粉砂薄层,少量横向和纵向裂隙砂质泥岩5.85.850.84破碎,节理裂隙发育,完整性差
进行测试前采用矿用电子钻孔窥视仪对辅运和主运石门进行了钻孔结构观察，结果表明向斜轴部影响区域大巷石门的支护体锚固范围内(5.8 m以内)岩体有大量横向和纵向裂隙贯通发育，厚层软岩发生较严重碎胀毁坏，整体性丧失。围岩属于代表性的深部节理化松散破碎软岩。
胡底煤业深部向斜轴部影响区大巷石门围岩自身特征及所处环境导致其围岩变形具有如下特点：
(1)掘进期间较短时间内变形量大。根据井下监测结果，胡底煤业大巷石门掘进至埋深650 m以上的向斜轴部影响区后，掘进支护成型1～5个月内产生较大的变形，变形量急剧增加，最大顶底板下沉和两帮收缩达到1.2～2.0 m。
(2)变形持续时间长。深井向斜轴部影响区石门围岩变形具有典型的流变特性和明显的时效性。刚掘出表现为剧烈变形持续时间较短，随后表现为减缓变形持续时间较长。最后达到稳定变形，但围岩变形仍以一定的速度增加，如不进行维护，巷道变形不断发展，直至整体失修。
(3)变形部位表现为全断面变形。石门矿压显现表现为四周来压，掘进成型后拱顶、两帮和底板均出现强烈变形和破坏，整个断面严重收缩。如不采取有效的控底措施，则强烈底鼓会加剧帮、拱顶的变形和破坏。
(4)从围岩窥视结果可以看出，巷道围岩破坏主要变现为横纵向裂隙、节理发育、破碎岩体和软弱夹层。其中浅部主要变现为岩体碎块化破碎和裂隙发育，深部为节理和软弱夹层破坏。围岩破碎深度达到0～9.4 m，主要破碎区域分布在孔口0～5.8 m范围之内。
根据胡底煤业大巷石门变形破坏主要特征，结合对胡底矿大巷石门全面的地质力学评估结果分析，胡底煤业大巷石门发生变形、破坏的原因如下：
(1)深部采动应力和地质构造影响。由于胡底煤业石门埋深达到650 m以上，原岩应力水平高。根据井下实测表明是以构造应力为主导的高地应力类型，且最大水平主应力的方向与井下巷道轴向方向均呈60°角度斜交，不利于石门维护。石门失修严重区域掘进时穿过石门上向斜构造，石门上向斜轴向近南北，轴长1580 m，两翼地层倾角不对称，西翼(倾角21°)较东翼(倾角9°)更为陡峭。变形严重的主要区域在向斜的轴部及西翼，向斜对巷道支护的负面影响很大。采用FLAC3D数值模拟软件模拟了石门上向斜构造区域围岩应力分布情况如图1所示。由图1可以看出，在向斜轴部上部和底部岩层分别出现一定范围垂直于向斜枢纽的压应力和拉应力集中区，距轴部越远，区域应力集中程度越小。在高地应力作用下，岩层倾斜弯曲导致向斜内部能量积聚，当石门掘进穿过向斜时，打破高应力平衡状态，加剧石门维护的难度。
图1 向斜构造区域围岩应力分布
(2)围岩软弱、易风化，结构完整性差。石门为穿层巷道，岩性不一、软弱不均，各层间存在节理、原生裂隙，特别是辅运石门砂质泥岩中含有1#煤层，而且1#煤层上下层伴生为更软弱的碳质泥岩，受到高应力垂直、水平剪切作用，岩块间易产生相对滑动，变形破坏加剧。同时围岩以强度低，易风化砂质泥岩为主，风化侵蚀后围岩结构遭到进一步破坏，承载能力丧失。对此特选取了辅运石门巷帮岩体进行了成分分析，对其矿物组成成份进行了鉴定，结果见表3。
由表3可以看出，辅运石门泥岩中黏土矿物占总体成份的49%～65.4%，平均占比为57.5%，主要区域黏土矿物中伊蒙混层占76.3%，伊利石占14.7%，高岭石占4%，绿泥石占5%，其中伊蒙混层中伊利石占20%；个别区域黏土矿物中高岭石占73%，伊蒙混层占20%，伊利石占2%，绿泥石占5%。X射线衍射结果表明，胡底煤业辅运石门泥岩含有较多的伊蒙混层，亲水性强，吸水后具有膨胀软化特性。对于这类巷道采用注浆的方式进行加固时要控制浆液的水灰比，由于浆液水量占比越少，流动性越差，因此浆液中需要加入提高浆液流动性和降水性的添加剂。
表3 黏土矿物X射线衍射分析报告
注：S-蒙皂石类；I/S-伊蒙混层；I-伊利石；K-高岭石；C-绿泥石；C/S-绿蒙混层
(3)巷道底鼓。石门开挖后不仅顶板、两帮易发生显著变形和破坏，底鼓也是一种常见的巷道破坏形式，几条大巷石门已经经过多次的起底，仍在不断底鼓，如不采取有效的控底措施，则强烈底鼓会加剧帮、拱顶的变形。
(4)单一支护形式难以有效控制石门裂隙岩体的持续有害变形。石门变形后，对其进行扩刷、起底之后进行单一的全锚索支护，但巷道变形仍不能控制。究其原因是巷道变形后，巷道围岩破坏深度最大可达9.4 m，修巷只能去除表面破碎围岩，其内部破碎围岩仍然存在，后期补强锚索仍然安装在破碎围岩范围内，锚索锚固效果差，锚固范围内存在裂隙无法传递施加在围岩表面的预应力，主动支护效果差，对围岩约束力弱，因此刷巷支护后仍不能控制围岩的持续变形。
综上所述，埋深大、向斜轴部影响、围岩节理化松散软弱是大巷石门变形剧烈、破坏严重的最主要原因；加之未采取控底措施以及帮顶加固方案不当导致巷道变形加剧。
根据大巷石门的地质条件及数值模拟、围岩成份测定对其变形破坏机制研究基础上，集合深井向斜轴部影响区软岩巷道围岩变形、破坏特征，提出全断面主动注浆支护和薄弱环节结构补偿的综合加固支护技术。
(1)全断面支护。石门强烈底鼓会弱化帮部承载结构的稳定，更易产生结构性失稳；有效的控底方案可通过提高底板围岩承载结构的稳定性来巩固帮部围岩支护效果。因此从石门长期稳定性出发，有必要对石门进行全断面加固支护。
(2)主动注浆。外部压力将浆液注入变形后围岩裂隙中，凝固后形成大小各异的结石体充填裂隙，最大化恢复碎裂岩体完整性，提升其残余强度，限制外部载荷作用下破碎岩块间的相对滑动，阻止围岩扩容性破坏向深部发展。
(3)主动支护。与碎裂围岩相比，采用浆液进行充填裂隙后，岩体能更有效传递锚索施加于围岩表面的预应力，增加支护体形成的有效压应力区范围和厚度，有利于预应力的相互叠加，形成整体支护结构限制围岩长期流变变形。
(4)薄弱部位局部加强支护。对辅运石门经过长期现场勘查发现，其帮部泥岩十分软弱，为巷道整个断面范围内的薄弱环节，该部位围岩往往更容易碎胀变形，这种局部的失稳、破坏会大大降低巷道支护承载结构的整体稳定性。因此在保证巷道顶、底板支护强度的同时，需要进一步加强石门帮部围岩控制。
辅运石门组织水泥浆加固。石门一般注浆采用42.5级普通硅酸盐水泥掺入纳米灌注剂(占比为水泥质量10%)制备素水泥浆，漏浆时压注水泥—水玻璃双液浆，水灰比0.6∶1。纳米灌注剂的主要作用是低水灰比的条件下制备的浆液有较好的流动性，减水率为37%，结石强度高，可提高素水泥浆固结体抗压强度95%；掺入后制备出的浆液具有良好的稳定性，在压力作用下不会产生离析和收缩(纯水泥浆液凝固后收缩值1/5)。
注浆施工在巷修之后进行，注浆孔布置如图2(a)所示，帮、顶钻孔深度分别为3 m和8 m，钻孔直径36～58 mm，间距1～1.4 m，排距2 m，每排浅孔与深孔之间交替布置的方式，以增强注浆扩散效果；底板钻孔深度6 m，孔径58 mm，间排距均为2 m。底板注浆终孔压力4 MPa，帮顶注浆终孔压力6 MPa，注浆工序遵循先底板后帮部再拱顶的顺序，孔深不同时遵循由浅入深的注浆顺序。
注浆施工完成后为有效控制石门围岩长期流变变形，需要采用强力锚索对帮、顶及底板全断面进行补强加固支护，注浆锚索布置如图2(b)所示。
图2 加固支护断面图
锚索主体为极限破断力600 kN、直径22 mm、长度6.3 m的高强度低松弛钢绞线，采用尺寸为300 mm×300 mm×16 mm的拱形带调心球垫高强锚索托盘及锁具。间排距2 m，底板间距2 m，帮顶间距1.4～2.1 m，布置在注浆钻孔中间。底板锚索采用水泥浆锚固，灌浆锚固长度2000 mm；帮拱锚索采用两长一短树脂锚固剂锚固，锚固长度1970 mm。底板锚索预紧力200 kN，帮拱锚索预紧力250 kN，张拉后注浆进行全长锚固，注浆压力。锚索孔终止压力2～3 MPa。
辅运石门加固范围为4#～5#联络巷之间总长度370 m，共施工注浆钻孔3219个(包括因注浆效果差补打的钻孔)，累计施工钻孔长度15357 m，注干水泥962 t，使用纳米灌注剂96.2 t，使用水玻璃54 t，共施工1674根6.3 m长的锚索。
加固施工完成后在辅助运输石门安装了综合测站对锚索受力和表面位移进行了监测，观测结果曲线如图3所示。由图3可知，石门内帮顶锚索预紧后初期受力增加较快，这说明锚索较好地控制了石门围岩初期的有害变形。后期锚索工作阻力趋于稳定，最大工作阻力为锚索破断载荷的45%～47.8%，说明加固支护安全可靠。由加固后辅运石门变形观测结果可知，两帮收缩变形最大值为100 mm，顶底板移近量最大值为127 mm，再未发生明显的变形。采用全断面注浆和强力锚索加固方式，石门围岩变形得到有效控制，保证了石门长期安全使用。
图3 综合测站矿压监测结果
(1)胡底煤业大巷石门向斜轴部影响区围岩属于典型性的深部节理化松散破碎软岩。石门变形具有全断面收缩、速度快和持续时间长等特点，结构观察表明石门宏观上的围岩大变形其实质是内部层理、裂隙开度增大和扩展过程。
(2)向斜区域轴部上部、下部分别出现压应力和拉应力集中区，高地应力作用下内部能量积聚，大巷石门掘进穿过该区域，能量释放，石门变形、破坏。埋深大、向斜轴部影响、围岩节理化松散软弱是大巷石门变形剧烈、破坏严重的主要原因；加之未采取控底方案，帮顶加固方案不得当导致巷道变形加剧。
(3)全断面主动注浆支护和薄弱环节结构补偿的综合加固技术能有效地控制深井向斜轴部影响区巷道围岩变形。外部压力将浆液注入变形后帮顶底围岩裂隙中，凝固后形成大小各异的结石体充填裂隙，最大化恢复碎裂岩体完整性，提升其残余强度，限制外部载荷作用下破碎岩块间的相对滑动，阻止围岩扩容性破坏向深部发展。完整岩体能更好地传递锚杆、锚索施加于围岩表面的预应力，增加支护体形成的有效压应力区范围和厚度，有利于预应力的相互叠加，形成整体支护结构限制围岩长期流变变形。
(4)矿压监测结果表明综合加固技术有效控制了深部向斜轴部影响区辅运石门长期流变变形，保证了大巷石门围岩长期稳定，为矿井顺利开拓和安全高效生产创造了条件，可在胡底矿甚至晋城矿区类似条件下巷道加固中得以应用。
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作者简介：王涛(1985-)，男，湖北黄冈人，助理研究员，硕士，主要从事巷道支护研究方面的工作。