王云博，景繼東，張德泉，蔣守來

(1.山東科技大學土木建筑學院，山東青島266590;2.新汶礦業(yè)集團(伊犁)能源開發(fā)有限責任公司，新疆伊犁835000)

由于軟巖工程的特殊性和復雜性，煤礦軟巖巷道治理是長期困擾我國煤炭生產和建設的難題之一［1－4］。伊犁四礦煤田區(qū)內含煤地層屬于中生代侏羅紀地層［5］，巖性以泥巖或粉砂質泥巖為主，其次為細砂巖、炭質泥巖，成巖較差，強度低，膠結弱，易崩解，軟化系數(shù)為0.02～0.25。23－2煤層頂板巖石發(fā)育水平層理，層面結合力較差、強度低，屬易冒落不穩(wěn)定頂板;底板為泥巖、粉砂質泥巖、炭質泥巖，抗水、抗風化和膠結弱，易風化崩解離層。在+660m水平石門支護后發(fā)生大面積底鼓，在04工作面回風巷掘進期間發(fā)生片幫、冒落等大變形破壞現(xiàn)象;其他巷道也有不同程度的頂板離層、片幫、底鼓等。由此可見，若不解決好軟弱圍巖的穩(wěn)定性問題，將會嚴重影響煤礦的安全生產，在掘進過程中極有可能發(fā)生破壞性事故。

針對復雜地質狀況下的軟巖支護，已有大量的理論研究和工程實踐工作。在理論方面，按支護系統(tǒng)剛度強度，可分為高強一次支護和先讓后抗、先柔后剛支護兩大類［6］;在實踐方面，主要支護技術有棚架支護技術、錨網(wǎng)噴技術和軟巖聯(lián)合支護技術［7］。但目前膠結弱軟巖工程問題的研究比較少，本文針對伊犁四礦礦區(qū)中生代軟巖產生的頂板冒落、片幫和底鼓等變形破壞現(xiàn)象，綜合采用現(xiàn)場地質勘察、理論分析、數(shù)值計算、物理力學試驗和現(xiàn)場測試等手段和方法，研究了巷道圍巖的特性，揭示了其變形破壞機制，提出了圍巖變形控制理論及支護優(yōu)化方案并進行工程應用研究。

1 工程地質及圍巖特性

井田內含煤地層為中生代侏羅紀三工河和八道灣組，發(fā)育一系列平緩的撓曲褶皺，向斜南翼傾角30°，北翼傾角15～20°。構造行跡主要表現(xiàn)為褶皺和斷裂兩種，主要構造線方向總體呈近東西向展布。伊犁四礦開拓巷道揭露的頂?shù)装鍘r性主要為泥巖、砂質泥巖、炭質泥巖、細砂巖和中砂巖，巖體水平層理發(fā)育，層間膠結弱，易風化、易吸水軟化、崩解、導致圍巖強度降低。細砂巖和中砂巖為粒狀結構，多為泥質物填充，膠結弱，巖石強度較低，軟化系數(shù)為0.03～0.29。

2 伊犁四礦軟巖變形特性

通過對地質資料的研究、室內試驗及現(xiàn)場測試，總結了伊犁四礦軟巖變形特性。

2.1 膨脹特性

在實驗室中運用微觀電鏡分析及X射線衍射儀對巖石試樣進行微觀結構及礦物成分測試可知:泥巖微裂隙較為發(fā)育，貫通性好，孔隙中含有大量粒狀伊利石，粒表覆蓋膨脹性較強的片狀I/S混層(伊利石/蒙脫石混層)礦物，黏土礦物含量為64.3%，其中膨脹性黏土礦物 I/S混層含量為60%;細砂巖、中砂巖整體結構較泥巖完整，微裂隙寬度較小，砂質巖中黏土礦物含量為45.2%，其中膨脹性黏土礦物I/S混層含量為43%。

從測試結果來看，圍巖原生裂隙發(fā)育、貫通性好，一經(jīng)施工擾動便會惡化，促使裂隙張開、擴展、貫通，進而產生次生裂隙，破碎程度增大;圍巖中膨脹性黏土礦物含量高，遇水易膨脹破碎，影響圍巖的穩(wěn)定。

2.2 崩解特性

伊犁四礦的頂?shù)装鍘r性主要為泥質巖類，組成顆粒十分微小。微小顆粒在吸水后可形成很厚的水化膜吸附層，引起巖石內部不均勻性膨脹，致使泥質巖類內部產生的力不均勻，進而產生大量的微裂隙，微裂隙的產生又促進了水繼續(xù)與巖體內部的黏粒發(fā)生作用，形成一個惡性循環(huán)，最終導致泥質巖類天然內部結構被破壞，產生膨脹崩解。

巷道開挖后，圍巖暴露在空氣中，與空氣中的水、生產用水及頂板淋水接觸發(fā)生作用，導致巖體膨脹、崩解，巖體強度隨時間增加而降低，巷道薄弱部位首先產生明顯大變形，如不及時支護，進而形成局部松動破碎區(qū)，失去承載力。巷道底板處于開放無約束狀態(tài)時，由于施工原因底板常有積水，水沿底板裂隙、孔隙滲入巖體，導致巖體由淺及深逐漸軟化、膨脹，底板的強度降低，若處理不好，會影響到兩幫及頂板的穩(wěn)定性。

2.3 構造應力作用特性

現(xiàn)場地應力測試表明，伊犁四礦地應力以水平應力為主，最大水平應力為垂直應力的1.2～1.5倍，水平構造應力作用明顯。伊犁四礦煤系地層在長時間地質構造應力場的作用下，巖層本身發(fā)生了變形，儲存了大量的變形能［8］。巷道開挖以后，臨空面成為巖體內積聚能量釋放的突破口，能量的釋放在宏觀上表現(xiàn)為巖體向臨空面變形。另外，巖層在巷道成形時，臨空面附近的巖體應力狀態(tài)從天然狀態(tài)下的三維向開挖后的二維轉變，在構造應力的作用下，缺乏三向約束的巖體極易發(fā)生破壞而產生非線性彈塑性變形，這種變形往往導致軟巖支護的宏觀破壞。

2.4 工程應力擾動特性

巷道受開挖的擾動明顯，擾動應力可以促使圍巖次生節(jié)理和裂隙發(fā)育，使巖體更為破碎，進一步降低巷道圍巖的穩(wěn)定性。+660m水平石門鄰近21－1煤層回風大巷，由于巷道開挖施工，產生了頂板離層量增大、底板底鼓等塑性大變形。

2.5 巖體結構面弱化特性

伊犁四礦巷道圍巖水平層理發(fā)育，層間膠結弱，當有水滲入時，層理結構面將會嚴重弱化，形成軟弱夾層。軟弱夾層的強度低，在應力的作用下，容易產生錯動變形，加上巖層內部擠壓力的影響，會產生巖層的撓曲離層、巷道頂板局部嚴重下沉、底鼓等現(xiàn)象。

3 控制原理及支護設計

3.1 控制原理

3.1.1 原理分析

軟巖工程力學理論［9］中的觀點認為，軟巖支護中必須允許出現(xiàn)塑性區(qū)，只有這樣才能充分釋放圍巖的變形能，使支護結構不至于受到太大的應力而產生破壞。然而，在允許塑性區(qū)產生的同時，一定要防止塑性區(qū)增長過大。這就要求支護結構既具有一定的柔性和變形的能力，以適應圍巖變形，又要具有一定的剛度，能夠產生足夠的支護抗力來阻止圍巖產生過大的有害塑性變形。采用二次錨網(wǎng)噴+預應力錨索聯(lián)合支護，可以有效地達到控制圍巖的效果。

3.1.2 二次錨網(wǎng)噴+預應力錨索支護

伊犁四礦圍巖較軟弱，開挖后塑性變形大，表面圍巖易發(fā)生破碎，層間軟弱結構面的錯動變形會引起變形與支護的不協(xié)調，易導致支護體系的失穩(wěn)。在開挖之后立即進行初噴，可以及時地封閉圍巖，有效地防止表面圍巖的風化、崩解等引起的破壞與剝落，并對圍巖提供一定的剛度。初噴后緊接著進行一次錨網(wǎng)噴，有效地保護和加固圍巖，支護－圍巖共同作用形成具有一定變形能力的承載圈［10］。在達到最佳二次支護時間以后，再進行錨網(wǎng)噴+預應力錨索聯(lián)合支護，錨網(wǎng)噴可以充分加固淺部承載圈，增加承載圈范圍內的剛度，減小圍巖變形，然后在預應力錨索的作用下，充分調動巷道深部巖體強度，使淺部圍巖集中應力向深部轉移、擴展，促使應力達到再平衡，實現(xiàn)支護結構和巷道圍巖的共同變形。

3.1.3 底板支護

軟巖巷道開挖后，在底板往往會產生較大的塑性區(qū)，假如在頂板和兩幫加固效果較好而底板巖性較差、強度較低的情況下，在應力場的作用下，通過兩幫的壓模效應，易促使底板產生擠壓型底鼓。因此軟巖巷道要特別注意控制底板變形破壞，保障巷道整體性穩(wěn)定。通過打底角錨桿的方式可以達到穩(wěn)定底板的要求［11］。

3.2 支護設計優(yōu)化

針對伊犁四礦巷道圍巖的變形特點，基于對現(xiàn)場地質狀況和室內試驗，采用工程類比、理論計算和數(shù)值模擬，綜合分析確定支護參數(shù)。

(1)錨桿 錨桿采用φ20mm的全螺紋鋼等強錨桿，長度為2400mm，錨桿錨固形式為端頭錨固，每根錨桿采用3支k2835型樹脂錨固劑加長錨固，錨桿的間排距為800mm×800mm，平行布置，二次支護錨桿與一次支護錨桿成五花布置;托盤為長×寬×厚=150mm×150mm×10mm的鋼板托盤。

(2)錨索 頂板關鍵部位采用φ17.8mm的預應力錨索，長度為6300mm，平行布置，間排距為2000mm×1600mm;錨固方式采用5支k2835型樹脂錨固劑加長錨固，托盤采用350mm×200mm× 10mm的鋼板加工而成的金屬托盤。

(3)金屬網(wǎng) 采用φ8mm的鋼筋點焊網(wǎng)片，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為長×寬=2700mm×900mm，網(wǎng)格為80mm×80mm，網(wǎng)片之間采用雙股10號鐵絲每隔200mm扭結一扣。

(4)混凝土噴層 噴射混凝土強度等級為C20，內摻速凝劑，噴層總厚度為200mm。

(5)底角錨桿 為防止上方壓力通過兩幫的壓模效應擠壓底板，造成底板巖層流動而產生底鼓，采用φ22mm的錨桿，長度為3500mm，排距800mm作底角錨桿。

巷道支護見圖1。

圖1 巷道斷面支護

3.3 支護效果的數(shù)值模擬

為了驗證支護方案優(yōu)化后的效果，本文運用數(shù)值軟件FLAC3D分別模擬不支護、原支護及優(yōu)化后支護3種方案下巷道開挖后圍巖的變形情況。其中把巷道不支護開挖定為方案1，原巷道支護為方案2，方案2支護形式為一次錨網(wǎng)噴+U型棚，錨桿φ20mm×2400mm，錨桿間排距為800mm×800mm，U型棚排距為800mm，優(yōu)化后的巷道支護定為方案3。

3.3.1 計算模型

位于23－2煤層的3條巷道在煤層中掘進，頂?shù)装鍨閹r石，屬半煤半巖巷道。3條巷道埋深均在300～360m之間，埋深相差不大。3條巷道相互間距為50m，大于巷道本身寬度的10倍，彼此擾動作用較弱，相互影響可以忽略。巷道平面布置圖如圖2所示。

圖2 23－2煤層巷道平面布置

本次數(shù)值模擬以23－2煤層回風大巷為研究對象。模擬所取參數(shù)均通過物理力學試驗所得，能真實地反映實際巷道圍巖的變形情況。該巷道為直墻半圓拱斷面，斷面凈尺寸為4800mm×4100mm。數(shù)值計算模型為長×寬×高=30m×60m×60m，劃分35640個單元，38471個節(jié)點，計算所采用的物理力學參數(shù)見表1。

表1 工程巖體物理力學參數(shù)

3.3.2 數(shù)值模擬結果分析

在不同的方案下，模擬所得到的豎向位移場和水平位移場如圖3所示，所得最大變形量如表2所示。

圖3 不同方案下巷道圍巖位移場分布

表2 不同支護形式下巷道變形量值

(1)從圖3和表2中可以看出，方案1中巷道圍巖表面的最大變形量為436.58mm，兩幫變形量大于頂?shù)装宓淖冃瘟?，圍巖在不支護的情況下發(fā)生了大變形破壞。方案2中巷道圍巖變形得到一定的控制，但U型棚對兩幫和底板變形限制作用小，圍巖仍存在變形量過大、與支護形式不耦合的現(xiàn)象。在現(xiàn)場中可以發(fā)現(xiàn)架設的U型棚出現(xiàn)棚腿被壓彎或整個被扭曲的現(xiàn)象。方案3中巷道變形量與方案1和方案2相比，頂板分別減小了近89.7%和74.0%，底板分別減小了近83.3%和76.5%，兩幫分別減小了近93.5%和84%，圍巖變形量最大為52.88mm。

(2)方案3在初噴和一次錨網(wǎng)噴的及時支護下，減少了水及風化對表面圍巖的損傷，增強了淺部圍巖的抗變形能力;在預應力錨索的作用下，深部圍巖的強度被充分調動起來，巷道頂板呈大范圍整體變形，降低了頂板發(fā)生離層、冒落的可能性，變形量減小。在底角錨桿作用下，底板變形得到了有效控制。巷道在二次錨網(wǎng)噴+預應力錨索+底角錨桿的支護方式下，與巷道圍巖形成一個整體，全斷面支護效果良好。

4 工程應用效果

將優(yōu)化后的二次錨網(wǎng)噴+預應力錨索支護技術應用于23－2煤層主運大巷的圍巖支護中，檢驗其有效性及合理性。為此，在巷道中設置了5個測站，測站間距20m。對巷道進行了為期5個月的變形觀測，位移－時間典型曲線如圖4所示。

圖4 巷道位移－時間典型監(jiān)測曲線

從圖4中可以看出，支護優(yōu)化后巷道整體變形量較小，兩幫相對移近量最大為48.21mm，頂板下沉量最大為 37.85mm，底板位移量最大為52.46mm。巷道位移明顯分為4個階段:

(1)巷道開挖影響階段 一般在巷道開挖后7d時間內，特點是圍巖變形速率快，變形量大，7d內的變形量占到監(jiān)測總變形量的60%～70%左右，產生原因主要是由于一次錨網(wǎng)噴屬柔性主動支護，允許圍巖變形釋放部分變形能。

(2)減速變形階段 一般在巷道開挖后7～20d時間內，特點是圍巖變形速率下降，在位移－時間曲線上出現(xiàn)拐點，原因是在此期間進行了二次錨網(wǎng)噴+預應力錨索強支護，圍巖剛度增大，抗變形能力增強，變形得到有效地控制，變形速率明顯下降。

(3)穩(wěn)速變形階段 一般在開挖后20d以后，特點是以一個較小的變形速率持續(xù)變形，這是由于圍巖本身的蠕變特性所致。

(4)巷道穩(wěn)定階段 在低速率穩(wěn)定變形3～5個月后，巷道變形達到穩(wěn)定所規(guī)定的標準變形速率(0.1mm/d)，巷道進入穩(wěn)定階段。

頂板離層儀和多點位移計分別用來監(jiān)測頂板和兩幫的錨桿錨固范圍內 (2m)和錨固范圍外(6m)圍巖的離層情況。對各個測站監(jiān)測數(shù)據(jù)進行收集和綜合對比分析，得到錨桿錨固范圍內的離層量最大為15mm，錨桿錨固范圍外的離層量最大為10mm，離層量均較小，巖層發(fā)生嚴重離層、錯動可能性小，在二次錨網(wǎng)噴+預應力錨索支護作用下，巷道圍巖較好地形成了一個承載整體。

5 結論

(1)伊犁地區(qū)中生代軟巖巷道具有膨脹+構造應力作用+工程應力擾動+巖體結構面弱化的復合的變形特性，巷道圍巖軟弱，泥質膠結物易與水作用產生弱膨脹進而導致巖石崩解，產生有害變形，大大弱化巖石強度。巖石層間膠結弱，易產生錯動、離層，頂板穩(wěn)定性差。底板泥巖本身強度低，對水、對擾動敏感，易產生塑性大變形底鼓。

(2)針對弱膠結軟巖的特性提出了二次錨網(wǎng)噴+預應力錨索+底角錨桿主動支護方式。這種支護方式能夠適應軟弱圍巖產生大變形的特性:一次錨網(wǎng)噴主動支護可以在限制圍巖變形的同時，對巷道圍巖進行讓壓，在圍巖塑性區(qū)充分發(fā)展的同時，不至于使支護結構承受過大的應力產生破壞;在讓壓、變形達到一定程度后，二次錨網(wǎng)噴+預應力錨索又能高強度地控制住圍巖的變形，二次錨網(wǎng)噴可以充分加固淺部承載圈，預應力錨索能調動深部巖體強度，避免產生應力集中，使應力均勻化，防止軟弱巖層產生離層、錯動，促使較大范圍內的圍巖成為一個整體，共同承受深部應力。

(3)進行支護參數(shù)的設計，并應用FLAC3D數(shù)值模擬技術，針對巷道無支護、原支護形式及優(yōu)化支護形式進行模擬，通過位移場分布的對比分析，可以看出優(yōu)化后支護方式的明顯效果。最后研究成果應用于23－2煤層主運大巷的巷道支護中，通過5個多月的現(xiàn)場觀察，巷道穩(wěn)定性良好，收斂變形量較小，取得了很好的支護效果。該支護方式的成功應用，為伊犁地區(qū)中生代軟巖同等地質狀況下的巷道支護提供了一定的借鑒和參考價值。

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