弱胶结软岩巷道变形破坏控制技术及其应用

王云博，景继东，张德泉，蒋守来

(1.山东科技大学土木建筑学院，山东青岛266590;2.新汶矿业集团(伊犁)能源开发有限责任公司，新疆伊犁835000)

由于软岩工程的特殊性和复杂性，煤矿软岩巷道治理是长期困扰我国煤炭生产和建设的难题之一［1－4］。伊犁四矿煤田区内含煤地层属于中生代侏罗纪地层［5］，岩性以泥岩或粉砂质泥岩为主，其次为细砂岩、炭质泥岩，成岩较差，强度低，胶结弱，易崩解，软化系数为0.02～0.25。23－2煤层顶板岩石发育水平层理，层面结合力较差、强度低，属易冒落不稳定顶板;底板为泥岩、粉砂质泥岩、炭质泥岩，抗水、抗风化和胶结弱，易风化崩解离层。在+660m水平石门支护后发生大面积底鼓，在04工作面回风巷掘进期间发生片帮、冒落等大变形破坏现象;其他巷道也有不同程度的顶板离层、片帮、底鼓等。由此可见，若不解决好软弱围岩的稳定性问题，将会严重影响煤矿的安全生产，在掘进过程中极有可能发生破坏性事故。

针对复杂地质状况下的软岩支护，已有大量的理论研究和工程实践工作。在理论方面，按支护系统刚度强度，可分为高强一次支护和先让后抗、先柔后刚支护两大类［6］;在实践方面，主要支护技术有棚架支护技术、锚网喷技术和软岩联合支护技术［7］。但目前胶结弱软岩工程问题的研究比较少，本文针对伊犁四矿矿区中生代软岩产生的顶板冒落、片帮和底鼓等变形破坏现象，综合采用现场地质勘察、理论分析、数值计算、物理力学试验和现场测试等手段和方法，研究了巷道围岩的特性，揭示了其变形破坏机制，提出了围岩变形控制理论及支护优化方案并进行工程应用研究。

1 工程地质及围岩特性

井田内含煤地层为中生代侏罗纪三工河和八道湾组，发育一系列平缓的挠曲褶皱，向斜南翼倾角30°，北翼倾角15～20°。构造行迹主要表现为褶皱和断裂两种，主要构造线方向总体呈近东西向展布。伊犁四矿开拓巷道揭露的顶底板岩性主要为泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩、细砂岩和中砂岩，岩体水平层理发育，层间胶结弱，易风化、易吸水软化、崩解、导致围岩强度降低。细砂岩和中砂岩为粒状结构，多为泥质物填充，胶结弱，岩石强度较低，软化系数为0.03～0.29。

2 伊犁四矿软岩变形特性

通过对地质资料的研究、室内试验及现场测试，总结了伊犁四矿软岩变形特性。

2.1 膨胀特性

在实验室中运用微观电镜分析及X射线衍射仪对岩石试样进行微观结构及矿物成分测试可知:泥岩微裂隙较为发育，贯通性好，孔隙中含有大量粒状伊利石，粒表覆盖膨胀性较强的片状I/S混层(伊利石/蒙脱石混层)矿物，黏土矿物含量为64.3%，其中膨胀性黏土矿物 I/S混层含量为60%;细砂岩、中砂岩整体结构较泥岩完整，微裂隙宽度较小，砂质岩中黏土矿物含量为45.2%，其中膨胀性黏土矿物I/S混层含量为43%。

从测试结果来看，围岩原生裂隙发育、贯通性好，一经施工扰动便会恶化，促使裂隙张开、扩展、贯通，进而产生次生裂隙，破碎程度增大;围岩中膨胀性黏土矿物含量高，遇水易膨胀破碎，影响围岩的稳定。

2.2 崩解特性

伊犁四矿的顶底板岩性主要为泥质岩类，组成颗粒十分微小。微小颗粒在吸水后可形成很厚的水化膜吸附层，引起岩石内部不均匀性膨胀，致使泥质岩类内部产生的力不均匀，进而产生大量的微裂隙，微裂隙的产生又促进了水继续与岩体内部的黏粒发生作用，形成一个恶性循环，最终导致泥质岩类天然内部结构被破坏，产生膨胀崩解。

巷道开挖后，围岩暴露在空气中，与空气中的水、生产用水及顶板淋水接触发生作用，导致岩体膨胀、崩解，岩体强度随时间增加而降低，巷道薄弱部位首先产生明显大变形，如不及时支护，进而形成局部松动破碎区，失去承载力。巷道底板处于开放无约束状态时，由于施工原因底板常有积水，水沿底板裂隙、孔隙渗入岩体，导致岩体由浅及深逐渐软化、膨胀，底板的强度降低，若处理不好，会影响到两帮及顶板的稳定性。

2.3 构造应力作用特性

现场地应力测试表明，伊犁四矿地应力以水平应力为主，最大水平应力为垂直应力的1.2～1.5倍，水平构造应力作用明显。伊犁四矿煤系地层在长时间地质构造应力场的作用下，岩层本身发生了变形，储存了大量的变形能［8］。巷道开挖以后，临空面成为岩体内积聚能量释放的突破口，能量的释放在宏观上表现为岩体向临空面变形。另外，岩层在巷道成形时，临空面附近的岩体应力状态从天然状态下的三维向开挖后的二维转变，在构造应力的作用下，缺乏三向约束的岩体极易发生破坏而产生非线性弹塑性变形，这种变形往往导致软岩支护的宏观破坏。

2.4 工程应力扰动特性

巷道受开挖的扰动明显，扰动应力可以促使围岩次生节理和裂隙发育，使岩体更为破碎，进一步降低巷道围岩的稳定性。+660m水平石门邻近21－1煤层回风大巷，由于巷道开挖施工，产生了顶板离层量增大、底板底鼓等塑性大变形。

2.5 岩体结构面弱化特性

伊犁四矿巷道围岩水平层理发育，层间胶结弱，当有水渗入时，层理结构面将会严重弱化，形成软弱夹层。软弱夹层的强度低，在应力的作用下，容易产生错动变形，加上岩层内部挤压力的影响，会产生岩层的挠曲离层、巷道顶板局部严重下沉、底鼓等现象。

3 控制原理及支护设计

3.1 控制原理

3.1.1 原理分析

软岩工程力学理论［9］中的观点认为，软岩支护中必须允许出现塑性区，只有这样才能充分释放围岩的变形能，使支护结构不至于受到太大的应力而产生破坏。然而，在允许塑性区产生的同时，一定要防止塑性区增长过大。这就要求支护结构既具有一定的柔性和变形的能力，以适应围岩变形，又要具有一定的刚度，能够产生足够的支护抗力来阻止围岩产生过大的有害塑性变形。采用二次锚网喷+预应力锚索联合支护，可以有效地达到控制围岩的效果。

3.1.2 二次锚网喷+预应力锚索支护

伊犁四矿围岩较软弱，开挖后塑性变形大，表面围岩易发生破碎，层间软弱结构面的错动变形会引起变形与支护的不协调，易导致支护体系的失稳。在开挖之后立即进行初喷，可以及时地封闭围岩，有效地防止表面围岩的风化、崩解等引起的破坏与剥落，并对围岩提供一定的刚度。初喷后紧接着进行一次锚网喷，有效地保护和加固围岩，支护－围岩共同作用形成具有一定变形能力的承载圈［10］。在达到最佳二次支护时间以后，再进行锚网喷+预应力锚索联合支护，锚网喷可以充分加固浅部承载圈，增加承载圈范围内的刚度，减小围岩变形，然后在预应力锚索的作用下，充分调动巷道深部岩体强度，使浅部围岩集中应力向深部转移、扩展，促使应力达到再平衡，实现支护结构和巷道围岩的共同变形。

3.1.3 底板支护

软岩巷道开挖后，在底板往往会产生较大的塑性区，假如在顶板和两帮加固效果较好而底板岩性较差、强度较低的情况下，在应力场的作用下，通过两帮的压模效应，易促使底板产生挤压型底鼓。因此软岩巷道要特别注意控制底板变形破坏，保障巷道整体性稳定。通过打底角锚杆的方式可以达到稳定底板的要求［11］。

3.2 支护设计优化

针对伊犁四矿巷道围岩的变形特点，基于对现场地质状况和室内试验，采用工程类比、理论计算和数值模拟，综合分析确定支护参数。

(1)锚杆 锚杆采用φ20mm的全螺纹钢等强锚杆，长度为2400mm，锚杆锚固形式为端头锚固，每根锚杆采用3支k2835型树脂锚固剂加长锚固，锚杆的间排距为800mm×800mm，平行布置，二次支护锚杆与一次支护锚杆成五花布置;托盘为长×宽×厚=150mm×150mm×10mm的钢板托盘。

(2)锚索 顶板关键部位采用φ17.8mm的预应力锚索，长度为6300mm，平行布置，间排距为2000mm×1600mm;锚固方式采用5支k2835型树脂锚固剂加长锚固，托盘采用350mm×200mm× 10mm的钢板加工而成的金属托盘。

(3)金属网 采用φ8mm的钢筋点焊网片，钢筋网规格为长×宽=2700mm×900mm，网格为80mm×80mm，网片之间采用双股10号铁丝每隔200mm扭结一扣。

(4)混凝土喷层 喷射混凝土强度等级为C20，内掺速凝剂，喷层总厚度为200mm。

(5)底角锚杆 为防止上方压力通过两帮的压模效应挤压底板，造成底板岩层流动而产生底鼓，采用φ22mm的锚杆，长度为3500mm，排距800mm作底角锚杆。

巷道支护见图1。

图1 巷道断面支护

3.3 支护效果的数值模拟

为了验证支护方案优化后的效果，本文运用数值软件FLAC3D分别模拟不支护、原支护及优化后支护3种方案下巷道开挖后围岩的变形情况。其中把巷道不支护开挖定为方案1，原巷道支护为方案2，方案2支护形式为一次锚网喷+U型棚，锚杆φ20mm×2400mm，锚杆间排距为800mm×800mm，U型棚排距为800mm，优化后的巷道支护定为方案3。

3.3.1 计算模型

位于23－2煤层的3条巷道在煤层中掘进，顶底板为岩石，属半煤半岩巷道。3条巷道埋深均在300～360m之间，埋深相差不大。3条巷道相互间距为50m，大于巷道本身宽度的10倍，彼此扰动作用较弱，相互影响可以忽略。巷道平面布置图如图2所示。

图2 23－2煤层巷道平面布置

本次数值模拟以23－2煤层回风大巷为研究对象。模拟所取参数均通过物理力学试验所得，能真实地反映实际巷道围岩的变形情况。该巷道为直墙半圆拱断面，断面净尺寸为4800mm×4100mm。数值计算模型为长×宽×高=30m×60m×60m，划分35640个单元，38471个节点，计算所采用的物理力学参数见表1。

表1 工程岩体物理力学参数

3.3.2 数值模拟结果分析

在不同的方案下，模拟所得到的竖向位移场和水平位移场如图3所示，所得最大变形量如表2所示。

图3 不同方案下巷道围岩位移场分布

表2 不同支护形式下巷道变形量值

(1)从图3和表2中可以看出，方案1中巷道围岩表面的最大变形量为436.58mm，两帮变形量大于顶底板的变形量，围岩在不支护的情况下发生了大变形破坏。方案2中巷道围岩变形得到一定的控制，但U型棚对两帮和底板变形限制作用小，围岩仍存在变形量过大、与支护形式不耦合的现象。在现场中可以发现架设的U型棚出现棚腿被压弯或整个被扭曲的现象。方案3中巷道变形量与方案1和方案2相比，顶板分别减小了近89.7%和74.0%，底板分别减小了近83.3%和76.5%，两帮分别减小了近93.5%和84%，围岩变形量最大为52.88mm。

(2)方案3在初喷和一次锚网喷的及时支护下，减少了水及风化对表面围岩的损伤，增强了浅部围岩的抗变形能力;在预应力锚索的作用下，深部围岩的强度被充分调动起来，巷道顶板呈大范围整体变形，降低了顶板发生离层、冒落的可能性，变形量减小。在底角锚杆作用下，底板变形得到了有效控制。巷道在二次锚网喷+预应力锚索+底角锚杆的支护方式下，与巷道围岩形成一个整体，全断面支护效果良好。

4 工程应用效果

将优化后的二次锚网喷+预应力锚索支护技术应用于23－2煤层主运大巷的围岩支护中，检验其有效性及合理性。为此，在巷道中设置了5个测站，测站间距20m。对巷道进行了为期5个月的变形观测，位移－时间典型曲线如图4所示。

图4 巷道位移－时间典型监测曲线

从图4中可以看出，支护优化后巷道整体变形量较小，两帮相对移近量最大为48.21mm，顶板下沉量最大为 37.85mm，底板位移量最大为52.46mm。巷道位移明显分为4个阶段:

(1)巷道开挖影响阶段 一般在巷道开挖后7d时间内，特点是围岩变形速率快，变形量大，7d内的变形量占到监测总变形量的60%～70%左右，产生原因主要是由于一次锚网喷属柔性主动支护，允许围岩变形释放部分变形能。

(2)减速变形阶段 一般在巷道开挖后7～20d时间内，特点是围岩变形速率下降，在位移－时间曲线上出现拐点，原因是在此期间进行了二次锚网喷+预应力锚索强支护，围岩刚度增大，抗变形能力增强，变形得到有效地控制，变形速率明显下降。

(3)稳速变形阶段 一般在开挖后20d以后，特点是以一个较小的变形速率持续变形，这是由于围岩本身的蠕变特性所致。

(4)巷道稳定阶段 在低速率稳定变形3～5个月后，巷道变形达到稳定所规定的标准变形速率(0.1mm/d)，巷道进入稳定阶段。

顶板离层仪和多点位移计分别用来监测顶板和两帮的锚杆锚固范围内 (2m)和锚固范围外(6m)围岩的离层情况。对各个测站监测数据进行收集和综合对比分析，得到锚杆锚固范围内的离层量最大为15mm，锚杆锚固范围外的离层量最大为10mm，离层量均较小，岩层发生严重离层、错动可能性小，在二次锚网喷+预应力锚索支护作用下，巷道围岩较好地形成了一个承载整体。

5 结论

(1)伊犁地区中生代软岩巷道具有膨胀+构造应力作用+工程应力扰动+岩体结构面弱化的复合的变形特性，巷道围岩软弱，泥质胶结物易与水作用产生弱膨胀进而导致岩石崩解，产生有害变形，大大弱化岩石强度。岩石层间胶结弱，易产生错动、离层，顶板稳定性差。底板泥岩本身强度低，对水、对扰动敏感，易产生塑性大变形底鼓。

(2)针对弱胶结软岩的特性提出了二次锚网喷+预应力锚索+底角锚杆主动支护方式。这种支护方式能够适应软弱围岩产生大变形的特性:一次锚网喷主动支护可以在限制围岩变形的同时，对巷道围岩进行让压，在围岩塑性区充分发展的同时，不至于使支护结构承受过大的应力产生破坏;在让压、变形达到一定程度后，二次锚网喷+预应力锚索又能高强度地控制住围岩的变形，二次锚网喷可以充分加固浅部承载圈，预应力锚索能调动深部岩体强度，避免产生应力集中，使应力均匀化，防止软弱岩层产生离层、错动，促使较大范围内的围岩成为一个整体，共同承受深部应力。

(3)进行支护参数的设计，并应用FLAC3D数值模拟技术，针对巷道无支护、原支护形式及优化支护形式进行模拟，通过位移场分布的对比分析，可以看出优化后支护方式的明显效果。最后研究成果应用于23－2煤层主运大巷的巷道支护中，通过5个多月的现场观察，巷道稳定性良好，收敛变形量较小，取得了很好的支护效果。该支护方式的成功应用，为伊犁地区中生代软岩同等地质状况下的巷道支护提供了一定的借鉴和参考价值。

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