深部倾斜岩层巷道变形分析与控制

2019-07-26赵志伟康一强

中国矿业 2019年7期

林海，赵志伟，康一强，李昂，王越

(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

随着浅部资源储存量日益减少，我国矿井开采逐渐进入深部。在深部高地应力环境中，巷道开挖后围岩变形速率快、变形量大，发生冲击地压的频率增加，流变特性显著[1-2]。其中，对于深部倾斜岩层巷道所产生的非对称破坏，采用传统的浅部支护方法容易发生非对称大变形，导致巷道结构失稳，难以保证围岩长期稳定。

为此，许多学者针对深部倾斜巷道围岩的变形机理和控制技术进行了大量研究[3-6]。孙晓明等[7]认为深部倾斜岩层巷道断面与岩层倾斜方向的钝角部位是产生非对称变形破坏的关键部位；杨帆等[8]对急倾斜软硬互层巷道进行研究，并提出急倾斜软硬互层巷道围岩的稳定技术；王炯等[9]对深部穿层巷道非对称变形机理和控制技术进行研究，提出了锚网索+底角锚杆的支护技术，在现场取得了良好应用；范明建等[10]对大倾角复合岩层巷道围岩进行研究，提出全断面强力锚网支护与注浆加固为一体的控制技术；王襄禹等[11]对弱面影响下深部倾斜岩层巷道非对称变形进行研究，通过采用分阶段动态控制技术，强化弱面及围岩整体强度与承载能力。上述研究解决了大量工程问题，但均未从岩层倾角的角度分析深部倾斜岩层巷道破坏的原因，因此有必要针对岩层倾角对深部巷道变形的影响规律进行研究，进一步完善深部倾斜岩层巷道的控制技术。

九龙矿北翼二水平轨道大巷为典型深部倾斜岩层巷道，掘进期间围岩非对称大变形显著、底鼓严重、支护结构大量破损，给井下正常安全生产带来极大影响。本文在现场调研基础上，针对不同岩层倾角，分析深部倾斜岩层巷道的变形破坏规律，提出深部倾斜岩层巷道控制原理，采用针对性支护方案来保证巷道的长期稳定。

1 工程背景

1.1 工程概况

峰峰九龙矿北翼二水平轨道大巷埋深近千米，属于典型深部软岩巷道。巷道断面形状为直墙半圆拱，净断面尺寸为4 400 mm×3 800 mm，拱高为2 200 mm，沿岩层走向布置，掘进过程中揭露的岩层主要为砂质泥岩、3#煤层和泥岩，掘进过程中岩层倾角大小不定，平均为19°。3#煤层平均厚度为0.6 m，属于稳定煤层。巷道底板为泥岩，厚度为3.0 m，直接顶为砂质泥岩，厚度为3.0 m，老顶为细砂岩，厚度为17 m。

1.2 原支护方案及围岩变形特征

在施工前期，巷道采用锚网喷+锚索联合支护。锚杆尺寸为Φ20 mm×2 400 mm，间排距为700 mm×700 mm，两帮靠近底角处各布置一根与水平呈30°的帮角锚杆；采用Φ21.6 mm×8 000 mm的1 860 MPa级1×7股预应力钢绞线，拱顶每排布置3根锚索，间排距为1 500 mm×1 500 mm；全断面喷射厚度为150 mm的C20混凝土。二次支护采用U36钢支架，净规格4 400 mm×3 800 mm，每架分4节使用，棚距700 mm。原支护方案如图1所示。

图1 原支护方案Fig.1 Original support scheme

巷道开挖后，围岩非对称变形特征显著，围岩变形长期保持在较高速率，变形特征总结如下所述。

1) 矿压显现剧烈。巷道开挖后围岩迅速变形，初期变形量最高可达20 mm/d；流变特性显著，围岩变形时间长，多次返修仍然效果不佳，巷道的维护成本居高不下，且仍然难以满足井下正常生产。

2) 两帮非均匀大变形。两帮突出明显，最大移进量约为1 000 mm；受岩层产状影响，围岩非均匀变形显著，顶板右侧拱肩下沉，部分顶板出现冒漏，变形量较大。

3) 底鼓严重。巷道底板为强度较低的泥岩，原支护方案对底板支护强度低，在高地应力作用下底鼓十分严重，最大底鼓量约为500 mm，对巷道铺设轨道施工影响较大。

4) 支护结构大量损坏。随着围岩变形量增大，常见锚杆托盘崩落现象，钢筋混凝土喷层撕裂，钢支架柱腿弯曲，支护结构大量损坏降低了对围岩的支护阻力。

1.3 围岩成分分析

巷道围岩成分分析采用D/MAX2500型X射线衍射仪对。测试结果表明，巷道的帮部和直接底为泥岩，矿物成分中高岭石的含量为21%，伊利石/蒙脱石的混合层含量为69%，这类岩石属于膨胀性软岩，遇水时极易发生膨胀降低围岩强度，不利于巷道整体的稳定与维护。

2 倾斜岩层巷道破坏特征的数值模拟

2.1 建立数值模型

不同区域的岩层倾角是变化的，掌握不同倾角岩层对巷道变形的影响规律，是提出合理支护方案的基础。为了研究岩层倾角对深部巷道变形的影响，以北翼二水平轨道大巷的地质条件为基础，建立8个不同岩层倾角的计算模型，岩层倾角分别为15°、25°、35°、45°、55°、65°、75°、90°。模型的尺寸为50 m×50 m×1 m，巷道的埋深为980 m，模型顶部为自由表面，并赋予围岩自重，在模型的两侧施加相应的地应力，设定初始的约束条件，本次模拟采用的本构模型为Mohr-Coulomb模型。各岩层物理力学参数见表1。

表1 岩体材料物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters ofrock mass materials

2.2 模拟结果及分析

如图2所示，不同岩层倾角下巷道围岩剪应力分布特征如下所述。

1) 当岩层倾角在15～45°之间时，随着岩层倾角增加，巷道顶板右拱肩和底板左侧的剪应力集中区域逐渐减小；巷道顶板左拱肩和底板右侧的剪应力集中区域逐渐增加。

2) 当岩层倾角大于45°时，随着岩层倾角增加，巷道顶板右拱肩和底板左侧的剪应力集中区域不断增加，顶板左拱肩和底板右侧的剪应力集中区域逐渐减小。

3) 岩层倾角为45°时是关键转折点，此时顶板右拱肩和底板左侧剪应力集中区达到最低值，而顶板左拱肩和底板右侧达到峰值。

如图3所示，不同岩层倾角下巷道围岩塑性区分布特征如下所述。

1) 当岩层倾角为15°时，在高地应力、围岩岩性、岩层倾角共同影响下，塑性区主要分布在巷道两帮和底板位置，左右两帮的塑性区深度为6 m，底板中间塑性区最大深度达7.5 m，顶板塑性区深度为2 m。

2) 随着岩层倾角的增加，顶板的塑性区范围逐渐加大，两帮的塑性区范围逐渐减小，当岩层倾角大于45°时，塑性区形状向“瘦高”型发展；随着岩层倾角继续增大，顶板的塑性破坏加大，两帮的塑性破坏减小，底板一直保持较大变形。

3) 当岩层倾角为90°时，巷道顶底板的破坏范围较大，两帮破坏范围小，巷道顶板和底板破坏深度分别为5.5 m和6.5 m，左右两帮的破坏深度分别为3.5 m和1.5 m。

4) 不同倾角岩层对塑性区分布具有诱导作用，塑性区易沿岩层层间扩展，塑性区分布近似沿着岩层层面法向中心对称分布。

图2 不同岩层倾角下巷道围岩剪应力图Fig.2 Shear stress diagram of surrounding rock of roadway at different dip angles of rock strata

图3 不同岩层倾角下巷道围岩塑性区Fig.3 Plastic zone of surrounding rock of roadway under different dip angles of rock strata

综上所述，倾斜岩层的倾角在接近水平时，岩体的破坏模式接近于“岩梁”型；当岩层倾角在不超过45°时，岩层层间产生滑移破坏，且靠近巷道拱肩部位岩体的分离、弯曲破坏，二者共同作用；对于倾角大于45°的岩层，破坏模式为岩体沿层间层理面滑移。北翼二水平轨道大巷岩层倾角平均为19°，破坏模式属于第二种。

3 巷道变形破坏原因

基于以上分析，对巷道围岩的变形破坏原因分析如下所述。

1) 倾斜岩层层间剪切滑移和靠近拱肩岩体分离、弯曲变形，围岩非均匀变形显著。巷道开挖后，围岩的应力非对称分布，加剧岩层之间的剪切作用，巷道断面与岩层的锐角部位法向应力增加，剪切滑移变形小，而钝角部位法向应力减小，剪切滑移变形较大，是非对称变形的关键部位；靠近顶板右拱肩部位的岩体出现分离和弯曲；二者共同作用导致围岩非均匀变形。

2) 地应力高，围岩松软破碎。北翼二水平轨道大巷最大主应力约为23.4 MPa，方向接近水平方向，现场调研和黏土成分分析表明巷道所在的地层节理裂隙发育，围岩松软破碎，围岩的完整性被严重破坏，抵抗外界环境破坏和自承能力下降，导致巷道开挖后围岩迅速变形失稳。

3) 底板支护强度不足，底鼓变形强烈。原方案在底板只铺设混凝土喷层，没有锚固措施，这是巷道加固体系的薄弱环节；而底板以强度较低的泥岩为主，遇水容易大量膨胀，在高地应力作用下，底板软弱围岩向巷道内挤压变形，导致底鼓十分严重。

4) 围岩支护强度低，自承能力差。深部软岩巷道支护的关键在于维护破碎围岩残余强度，并调动深处围岩的承载实现协同承载。锚杆的锚固力不足，对围岩施加的支护阻力不够，随着围岩变形增大，锚杆容易发生破断失效；锚索预紧力低，无法调动深部围岩的承载能力。

4 深部倾斜岩层巷道围岩稳定技术

基于以上对巷道破坏特征和原因的分析，对于新掘进巷道必须坚持强力支护、薄弱围岩加强支护、控制底鼓与二次支护为核心的控制技术，使巷道围岩和支护结构共同承载，才能保障围岩长期的稳定。

1) 高强度高预应力控制。采用高预紧力锚杆和高强度预应力锚索，通过提高锚杆的强度和预紧力，利用其初撑力较高和增阻速度快的特点，将松动的围岩巷壁变成一个刚柔并济的壳体，再通过高强度预应力锚索将松动岩体锚固在深部稳固的围岩里。

2) 非均匀变形控制。实施非对称支护，在围岩变形关键部位加强支护；根据倾斜岩层的产状，在变形较大的右拱肩部位进行针对性加强支护，协调围岩的非均匀变形。

3) 控制底鼓。加大巷道底板的支护力度，控制底鼓变形；该巷道底鼓类型为挤压流动型底鼓，采用刚度较大的帮角锚杆阻止两帮应力向底板传递，利用锚索切断底板基脚部位塑性滑移线，底板锚索利用槽钢梁连接起来，形成预应力锚索桁架，从而控制底鼓变形。

4) 全断面喷射C20混凝土。在巷道掘进过程中，安设锚杆锚索后，及时喷射混凝土，隔绝水源，避免将围岩长期暴露在外部环境中，防止围岩遇水膨胀软化；钢筋网布置在喷层中，使混凝土与围岩紧密结合，充分发挥围岩的支承作用。

5) 壁后注浆。由于巷道围岩松软破碎，岩体的承载能力大幅下降，可以采用注浆填充围岩内部裂隙，使松散破碎的围岩形成完整的承载圈；浆液沿着锚杆孔流动并对其进行填充，形成了对锚杆系统的分步联合全长锚固；锚索锚固长度加大，调动深部围岩的承载能力，从而提高巷道整体稳定性。

5 支护方案

根据以上分析，提出支护方案如图4所示，具体支护参数如下所述。

图4 支护方案示意图Fig.4 Schematic diagram of support scheme

1) 锚杆选用Φ20 mm×2 400 mm左旋高强度无纵筋螺纹钢锚杆，间排距为700 mm×700 mm，每根锚杆配置1根Z2835、1根CK2835和2根K2835树脂药卷，两帮角锚杆和水平方向的角度为30°；设计预紧力不低于70 kN。

2) 锚索采用Φ21.6 mm×8 000 mm的1 860 MPa级1×7股预应力钢绞线，每根锚索配CK2835、K2360、Z2360树脂锚固剂各1根；拱顶每排布置3根锚索，间排距为1 500 mm×1 500 mm，右拱肩部布置1根锚索，排距为1 500 mm；底板每排布置3根锚索，采用16#槽型钢相连，间排距为1 500 mm×1 500 mm，锚索设计预紧力不低于150 kN。

3) 采用U36型钢可缩拱形支架，每架分四节使用，彼此搭接长度为600 mm，搭接处用两副卡缆；卡缆的预紧力矩不低于350 N·m；棚距为700 mm，每排U型钢之间设置强力拉杆。

4) 喷C20混凝土层封闭围岩，厚度为150 mm；分两次喷射，初喷厚度为70 mm，挂Φ6 mm钢筋网，打完锚索锚杆后，再进行二次喷射；U型钢棚安置完毕后，喷射一定厚度的混凝土覆盖。

5) 采用水泥-水玻璃浆液实施全断面壁后注浆，注浆孔深度为3 000 mm，直径为45 mm，注浆压力为3～5 MPa，间排距为1 400 mm×1 400 mm。

图5为不考虑原岩应力时采用新支护方案的支护应力场分布情况。从图5可以看到，锚杆锚索的支护应力在围岩中形成有效叠加，共同发挥承载作用，有利于深部倾斜岩层巷道的整体稳定。

6 工程应用

新支护方案应用到新掘进的巷道支护工程中。在围岩控制方面，未见围岩由于膨胀而显现的局部围岩非均匀大变形，在现场施工过程中，当出现顶板有淋水区域，设置水沟及时排水。采用十字布点法对巷道表面位移进行监测，得到时间-位移曲线，如图6所示。由图6可知，巷道支护25 d内围岩变形比较大；25～65 d，围岩变形趋于缓和；65 d后巷道围岩变形趋于稳定。两帮最大移进量为140 mm，底鼓量为79 mm，顶板最大下沉量为39 mm，在巷道投入使用后稳定性较好，能够保证井下正常安全生产。