富水软岩巷道稳定性控制技术研究

殷齐浩，李春廷，李廷春，薛克龙，高启强

(1.山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266590；2.上海庙矿业有限责任公司新上海一号煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 016215)

目前随着东部煤炭资源的不断减少，资源开发开始向西部地区转移。西部地层多以白垩系及侏罗系软岩为主，岩层多为泥岩及泥砂岩互层，此类岩体具有强度低、胶结差等特点[1-4]。在该类富水软岩巷道开挖过程中，围岩在地下水作用下强度降低，容易出现大变形，对围岩的稳定性控制带来诸多难题[5-6]。特别在西部鄂尔多斯地区有1/4的矿井顶板是变质程度不高的泥质砂岩，在无水的情况下，岩体强度较大；但此类岩石遇水后将出现泥化现象，强度急剧降低，成为影响此类矿井掘进的重要因素[7]。

众多学者在软岩稳定性控制方面已开展了大量研究工作。王渭明等[8]在弱胶结软岩巷道中提出了锚网索耦合支护方案；李为腾等[9]分析了地应力等级、围岩强度等级因素对软岩巷道变形量、塑性区范围等的影响规律；李廷春等[10]分析了泥化弱胶结软岩地层中矩形巷道的变形破坏过程；李金兰等[11]通过数值模拟验证了软岩巷道帮底锚注支护技术的有效性；王襄禹等[12]认为造成富水弱胶结巷道围岩变形破坏的主要原因是顶板含水层，并提出围岩综合控制技术；李树刚等[13]对软岩易风化巷道提出全断面支护并及时封闭的控制原则；YANG R等[14]认为造成巷道变形的主要原因为黏土矿物含量高，以及支护不匹配；高云峰[15]在软岩巷道中采用锚(索)网等多介质联合支护，在工程实际中取得良好效果。但目前对于富水条件下软岩巷道的稳定性控制技术还缺乏一定的研究，随着我国西部矿区开采范围的增加，保证此类巷道的围岩稳定性将变得越发重要。

根据新上海一号煤矿113082工作面运输巷建设资料，深入分析地下水对软岩巷道围岩及支护结构的影响，并提出围岩稳定性控制对策。

1 工程地质条件

1.1 水文地质概况

113082工作面运输巷沿八煤层掘进，八煤层处于侏罗系延安组地层中，含水类型为粗粒砂岩孔隙水，较为富水，但富水性不稳定，分布不均匀。该巷道主要受八煤层顶底板砂岩水的影响，施工的局部顶、底板存在淋水、涌水现象，预计最大涌水量为 20 m3/h，正常涌水量为8.5 m3/h，该含水层作为矿井的主要含水层之一，对巷道的掘进有直接的影响。

1.2 煤层及顶底板岩性

通过井下钻孔取芯，八煤层厚度平均为3.10 m，倾角为3°～5°，煤层坚固性系数f=1,顶底板岩性特征如表1所示。顶底板岩体以砂岩及砂质泥岩为主，砂岩透水性强，砂质泥岩吸水后易膨胀软化，这对围岩支护带来困难。

2 地下水影响分析

2.1 对围岩的影响

该煤矿位于鄂尔多斯地区，煤层属侏罗系延安组地层，整个基岩段砂岩以泥质胶结为主。砂质泥岩在含水量极少的状态下强度较高，表现出坚硬砂岩的特性，但是遇水后容易崩解泥化，强度下降。同时，距八煤层顶底板含水层的距离较近，在掘进时会受到延安组含水层的直接影响。

富水巷道开挖前，围岩体处于较大的水头压力作用下，孔隙水压力较高。由有效应力原理可知，虽然围岩总应力较大，但骨架的有效应力较低。巷道开挖后，围岩临空面的孔隙水压力相比开挖前迅速降至大气压值，导致围岩内有效应力大大升高，对于自身性质较差的岩体极易超过其强度，导致巷道围岩表面的裂隙向深部扩展、贯通，并产生新的裂隙。随着巷道围岩的破裂向深部扩展，塑性变形区不断扩大，从而使本来就比较软弱的岩体更加容易发生失稳破坏[16]。同时，随着围岩裂隙的扩张，形成贯通的水力通道，岩体内的泥质成分与水发生泥化反应，降低岩体的黏聚力和摩擦因数，弱化岩体强度，降低承载力及岩体的长期强度，围岩塑性区扩大，不利于软岩巷道的稳定。

2.2 对支护结构的影响

1)对锚固强度的影响：砂质泥岩在水作用下发生泥化现象，岩体强度大幅度下降。对于锚固长度相同的锚杆，当围岩强度降低时，锚杆的锚固点位置降低，锚固强度下降。

2)锈蚀的影响：巷道支护结构基本上为金属材料，与水作用会加速支护结构的锈蚀进程。一方面是对杆体的锈蚀，降低杆体抗拉强度，使其过早出现破断；另一方面是对托盘的锈蚀，若托盘及连接螺母锈蚀严重，锚(索)杆预应力大幅度降低，锚固效果将大幅度下降。

3 富水软岩巷道稳定性控制方案

3.1 变形控制机理

根据采准巷道矿压理论，在各方等压条件下，假设巷道半径为r，塑性区半径为R，巷道变形分析模型如图1所示。

巷道围岩塑性区半径R及周边位移u计算公式如下[17]：

(1)

(2)

(3)

式中:R为塑性区半径，m；r为巷道半径，m；p0为原岩应力，MPa；Pi为支护强度，MPa；C为围岩的黏聚力，MPa；φ为围岩的内摩擦角，(°)；μ为围岩泊松比；K为侧压系数；E为围岩弹性模量，GPa；σc为围岩单轴抗压强度，MPa；η为岩体扩容梯度。

由式(1)、(2)可以得出，巷道的塑性区范围、收敛量与围岩的物理力学参数密切相关。在E=2 GPa，η=2，μ=0.3，φ=30°，C=4 MPa的条件下，巷道围岩收敛量与支护强度的关系如图2所示。由图2 可见，当支护强度为0.0 MPa时，巷道围岩收敛量为0.31 m；而当支护强度为0.6 MPa时，巷道围岩收敛量降低至0.18 m。

在p0=20 MPa，Pi=0 MPa，E=2 GPa，η=2，μ=0.3的条件下，巷道周边的塑性区半径、围岩收敛量与岩体黏聚力C、内摩擦角φ的关系如图3、图4所示。由图3～4可以看出，随着C、φ值的不断增大，巷道围岩的变形量明显减小。因此，巷道开挖后应尽量减小围岩自身的强度损失，维护巷道的稳定性。

图4 巷道塑性区半径、收敛量与围岩内摩擦角关系

3.2 巷道稳定性控制方案

由上述分析可知，对于富水软岩巷道，首先应该采取有效的控水措施，尽量减小水对围岩强度及支护结构的影响，维护围岩原有强度和支护强度；其次，采取针对性支护措施，设计合理的支护参数。

1)有效控水措施：水的作用会劣化围岩强度，同时影响锚固剂、支护构件的物理力学性能，降低支护强度。因此，在巷道掘进时应该加强对水的管理，采取导、疏相结合的控水措施。

2)全断面、多手段联合支护：软岩巷道在开挖初期具有变形量大、变形速率快等不利于巷道稳定性的特点。在巷道开挖后应及时恢复全断面上的径向应力，限制围岩的径向位移。同时，根据围岩不同部位的变形特点，采用不同支护手段，达到最优支护效果。另外，增加预紧力，采用高强锚杆(索)支护体系，选取合理锚固参数，发挥围岩自承能力。

4 现场应用

4.1 控水措施

在巷道一侧开设疏导孔及时疏导顶板水，疏导孔内不安装锚杆或锚索。当顶板淋水时可在巷道内淋水处铺设金属网雨布，将顶板水引入水沟里。如果巷道内出水严重，则在巷道低洼处设置沉淀池及水池，并通过水泵及时排出积水。

提前排放顶板水，减小地下水对巷道围岩力学性质的影响，同时也可降低顶板锚孔内的出水速度、减少出水量，减小水对支护结构的影响。通过水泵将积水及时排出，尽量降低水对底板表面及附近围岩的影响。

4.2 联合支护方案

1)顶板采用W型钢带、锚杆、锚索、金属网支护。其中锚杆采用∅22 mm×2 800 mm高强螺纹阻尼锚杆，间排距700 mm×700 mm，每根锚杆选用3卷MSZ2550树脂锚固剂(有水时用K2550树脂锚固剂)进行锚固；锚索采用∅17.8 mm×7 000 mm普通锚索，间排距1 400 mm×1 800 mm，每根锚索选用 5卷 MSZ2550树脂锚固剂(有水时用K2550树脂锚固剂)进行端锚；金属网采用∅6 mm的Q235钢筋焊接的网孔为100 mm×100 mm的经纬网，网片规格为 2 520 mm×720 mm，搭接长度为100 mm。

2)两墙采用钢筋梯配合锚杆支护。其中钢筋梯采用∅12 mm圆钢加工，钢筋梯必须与顶部第1根锚杆(靠近两墙)固定且置于W型钢带的上面；锚杆支护参数与顶板相同。

3)底板采用∅20 mm×2 500 mm全螺纹锚杆，间排距700 mm×700 mm，用钢筋网配钢筋梯支护，喷浆封闭。

4)高强锚杆转矩不小于300 N·m，锚固力不小于80 kN；螺纹锚杆转矩不小于200 N·m，锚固力不小于80 kN；锚索预紧力不小于120 kN。

5)喷浆砼强度等级为C20，全断面进行喷浆，喷层厚度100 mm。

巷道断面支护情况如图5所示。

图5 巷道断面支护示意图

5 数值模拟预测分析

5.1 模型建立

为验证方案的可行性，利用FLAC3D数值模拟软件进行计算，该模型尺寸为50 m×25 m×2 m，材料参数如表2所示。在模型中间开挖直墙半圆拱巷道，其宽5.2 m、墙高2.5 m。考虑到地下水对围岩的影响，将模型中巷道周边泥岩及砂质泥岩的材料参数折减30%。巷道开挖后，按照4.2节支护方案进行全断面一次性支护。岩层采用Mohr-Coulomb模型，上覆岩层的重力按照均布荷载的形式施加在模型上边界，模型共划分22 635个单元，26 240个节点，具体模型如图6所示。

表2 围岩力学参数

图6 巷道模拟模型

5.2 预测分析

计算过程中对巷道变形量、塑性区范围进行监测，以巷道开挖后80 d作为计算终止标准。基于监测结果绘制垂直和水平位移云图、最大和最小主应力云图、塑性区范围、位移发展曲线图，如图7～8所示。

(a)水平位移云图

(b)垂直位移云图

(c)最小主应力云图

(d)最大主应力云图

(e)塑性区范围

图8 巷道变形发展曲线

由图 7(a)、(b)可知，当巷道完成支护后，浅部围岩的位移量大于深部围岩的位移量。

由图7(c)、(d)、(e)可知，巷道顶、底板出现了小范围受拉区，最大拉应力为0.794 MPa;模拟计算求得巷道顶板松动圈范围为 1.95 m，两帮松动圈范围为1.56 m;底板砂质泥岩下方0.7 m厚的煤层，其强度较低，出现小范围塑性区。围岩松动圈范围均小于锚杆设计长度，充分说明该设计方案的合理性，能够有效维护巷道围岩的稳定。

由图8可知，巷道开挖40 d后巷道收敛变形逐渐趋于稳定。开挖80 d后，顶板、底板及两帮最终位移量分别为10.95、7.87、8.55 mm。巷道位移量呈现对称分布，顶板位移量大于两帮位移量，巷道底板位移量最小。上述数据充分说明该设计方案能够有效控制围岩的变形。

6 结论

1)新上海一号煤矿113082工作面运输巷属典型的软岩巷道，影响巷道稳定性的主要因素为围岩强度低,以及周边地下水的影响。

2)富水软岩巷道在施工时受到地下水的作用，巷道开挖后围岩强度下降，长期强度降低，塑性区范围增大，加剧围岩的变形。另外，地下水的侵蚀会造成支护结构的锚固能力降低。

3)针对富水软岩巷道可采用以下措施维持其稳定性：首先采取导、疏结合的控水措施，减小对原有围岩强度的影响，降低对支护结构的损害；另外采用全断面、多手段联合加固的支护手段，有效控制围岩变形，有利于实现巷道的长期稳定。

4)根据数值模拟计算结果，巷道顶板、底板及两帮最终位移量分别为10.95、7.87、8.55 mm，说明该方案能够有效控制围岩的变形，保持巷道的稳定性。