开滦膨胀软岩巷道变形机理及控制对策

杨 拓，刘建庄，李 准，薛福祥，刘树弟

(1.华北理工大学 矿业工程学院 河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063210；2.开滦(集团)有限责任公司，河北 唐山 063018)

深部巷道存在原岩应力高、岩溶水压高、地质构造多、水文条件复杂等典型特点，加之巷道断面在通风、运输和预留变形的要求下有加大趋势，导致巷道支护技术面临较大挑战，锚固失稳、支架变形、冒顶坍塌时有发生，给煤矿生产带来重大损失。应对上述技术难题，我国学者开展了大量的理论推导、实验测试、矿压监测、支护构件升级、工程实践优化等工作[1-6]。何满潮、郝育喜等通过采用“恒阻装置+钢筋网+底角注浆锚杆”的方法有效控制了沙吉海矿的软岩巷道大变形问题[7，8]，王连国、魏夕合等通过锚注方法提升了软岩巷道支护结构的整体承载能力[9，10]，柏建彪等在古汉山矿提出了“主动卸压+注浆”的方案，使围岩膨胀变形能得到有效释放，提高了围岩整体性和强度[11，12]，张农等分析了朱集煤矿巷道注浆效果不佳的主要原因，优化了巷道围岩的滞后注浆参数[13]，陈辉等通过在底板开卸压槽并进行二次加强支护维护了车集矿28采区轨道巷的稳定性[14]。本文在上述研究基础上，采用微观和力学特性测试的方法，结合开滦矿区林南仓煤矿-850m回风斜井工程实际，对膨胀性软岩巷道的变形机理进行深入分析，提出具有针对性的控制对策，以期为类似巷道施工提供借鉴。

1 工程概况

开滦林南仓煤矿地处蓟玉煤田，矿井主要巷道层位岩性较脆，裂隙发育，以灰色或灰白色泥质砂岩为主，该类岩石具有膨胀性强，黏土矿物含量高，属于典型的软化膨胀围岩。-850回风斜井初始设计为-650～-900m水平，设计工程量790m，其中下山工程量720m，倾角19.5°～22°，巷道层位设计在煤12底板以下10～15m岩层中。整条巷道最大涌水量预计为4.2m3/min，正常涌水量为1.0m3/min。采用13.36m2金属拱形支架、铺设钢网进行临时支护，“∅20mm×2000mm锚杆+100mm喷浆”作为永久支护。由于受断层影响，致使巷道逐渐偏离设计层位，当巷道施工到下部时，依次穿越12#、11#、9#煤层。施工中巷道揭露显示，区域受12#煤底板及F1断层裂隙含水层影响较大，构造切割频繁，沿原生构造裂隙和巷道开挖裂隙导渗的顶板砂岩裂隙水，造成围岩吸水软化与膨胀，巷道初掘后变形速度快，29U拱形支架15～20d即变形失稳，导致后期无法行车，底板多次卧底放压依然不能稳定，巷道的软化流变性表征明显。之后经多方论证，最终确定将标高上提至-850m。

2 微观特性和宏观变形分析

2.1 围岩矿物成分分析

为从微观结构和矿物成分方面探究围岩软化膨胀机理，采用型号为Quanta°250°环境扫描电子显微镜系统(美国FEI)和D/MAX-rA型X射线衍射仪进行岩样形貌观测及矿物成分测定。实验条件为室温23°，湿度62%，依据沉积岩中粘土矿物和常见非粘土矿物X衍射分析方法(SY/T 5163—2010)，得到样品的衍射图谱曲线，对照标准衍射图谱特征值进行物相分析，可得出各样品中粘土矿物成分含量，见表1。

表1 粘土矿物成分含量 %

从表1可见，粘土矿物含量在50%～80%左右，矿物类型以蒙脱石、高岭石和伊蒙混层为主，其中11#煤底蒙脱石和高岭石各占约50%，12#煤顶伊蒙脱混层占61%，12#煤底蒙脱石为主。蒙脱石具有很强的吸水特性，其吸水率可达20%～80%，高岭石吸水软化性强，富含水解软化的蒙脱石、高岭石和伊蒙混层，是该类围岩水化失稳的物质基础[15]。

2.2 围岩微观结构分析

三种岩样放大8000倍时的SEM照片如图1所示，岩样中微米级、纳米级微裂隙均较为发育，其中1#样本颗粒松散堆积，孔洞状连通孔隙发育，局部板状颗粒间出现狭缝状孔隙，板状颗粒相互支撑形成的不规则连通孔隙；3#样本微米级孔隙和裂隙最为发育，裂隙边缘具有明显的荷叶状和花瓣状叠层结构，层面之间构成宽的狭缝状连通孔隙，2#次之。三个样本内部颗粒之间缺乏化学胶结物，孔隙在深部均相互连通，导致顶板砂岩裂隙水微浸润通道和空间畅通，宏观上吸水强，水解软化与膨胀的进程快，这是巷道围岩软化和支护失稳的主要机理。

图1 岩样SEM照片

2.3 围岩变形宏观分析

-850回风斜井变形量大，稳定时间短，存在可观测特征的长期流变，浅表围岩裂隙充分，破碎区拓展导致锚固力衰减，大范围锚杆低阻失效，最终失去对锚固区的结构支撑作用，拱形支架变形特征为全断面大变形收缩，-850回风斜井变形情况如图2所示。究其原因，巷道顶板砂岩裂隙水量较大，围岩中原生裂隙及开挖裂隙相互贯穿，为水的浸润和滴渗流动提供了大量通道，导致围岩的水解膨胀和软化，原锚固结构弱化失稳，巷道支架将承受较高的围岩压力，最终突破系统稳定强度将导致失稳发生。巷道翻修揭露显示，围岩破碎区大多超过锚杆根部，未出现锚杆大量破断现象出现，因此，支护强化的重点将是锚杆长度的调整和锚固性能的提升。

图2 -850回风斜井变形情况

3 抗压试验研究

采用TAW-2000型电液伺服岩石三轴试验机进行单轴和常规三轴抗压试验，共计测定干样和饱水样2种。围压根据地应力测试结果选取0～25MPa间6组。

岩样实验破坏方式如图3所示。单轴压缩时，干湿岩样的破坏均表现为竖向劈裂纹，说明该条件下主导围岩失稳的方式为拉破坏；在5～25MPa围压下，岩石破坏呈现出斜向剪切单裂纹或对顶锥裂纹，表明该条件下主导围岩失稳的方式为库伦剪切破坏。

图3 岩样实验破坏方式

岩样三轴实验结果如图4所示。干岩样的单轴抗压强度78.8MPa，随着围压的增大，其抗压强度逐渐上升至231.1MPa，且5MPa围压以上极限轴应变在0.7%～0.8%间。湿岩样单轴抗压强度49.7MPa，随着围压的增大，其抗压强度逐渐上升至202.6MPa，且5MPa围压以上极限轴应变在0.4%～0.9%间。可见，干岩样在三轴压缩下具备较高承载能力，随着围压增至25MPa，极限应力可达200MPa以上，水对低围压试件的软化作用极其显著，单轴抗压强度软化系数为63.1%(低于75%)，耐软化性极差。轴应变曲线在塑性后期有一个明显的峰后跌落段，残余强度随围压增大呈现增大趋势。

图4 岩样三轴实验结果

4 巷道变形控制对策

针对-850回风斜井富粘土矿物围岩，以灰白色砂岩为主，通过分析其矿物成分、微观结构及其物理力学特性，确定了多层次锚卸注的强力支护对策，以多层次密集锚杆形成的锚固体作为支护承载的主体，通过在巷道底角开挖卸压槽实现巷道初掘后的快速让压和裂隙激发，为紧跟的两层次注浆提供浆液扩展通道，及时固结峰后让压的浅表围岩裂隙，有效阻断水对岩体深度浸润或浸泡，将部分失效的锚杆二次粘结，实现2.0～2.4m锚固区的强化承载，保证巷道塑性区和破碎区围岩自稳。

根据围岩远场应力、裂隙发育、渗水情况，多层次锚卸注支护方案如图5所示，具体参数设计为：巷道断面预留200～400mm的变形量，锚杆规格为∅20mm×2400mm，第一层间排距800mm×800mm，实时监测巷道变形发展情况，每发生100mm的顶板、底板或帮部收敛位移即可实施下一层次锚杆支护，在上层空挡间打设，在第二层次锚杆打设完毕后，进行卸压槽开挖，每个卸压槽打3根锚杆，同时打第一层注浆锚杆∅20mm×2400mm，间排距2500mm×2500mm，顶帮5根，底板3根；以表面收敛位移100mm的时机作为启动二次高压注浆指标，第二层注浆锚杆顶帮6根，卸压槽各一根，两次注浆的水泥标号P.O42.5，水灰比0.7～1.1，注浆压力为1.5～2.5MPa。

图5 多层次锚卸注支护(mm)

通过采用多层次注浆改性，阻断了水对膨胀性软岩的物化作用，同时使巷道浅部围岩的峰后残余强度得到显著提升，后期在开滦矿区典型区域巷道的一次施工和一次翻修中成功应用。采用十字断面法，将测点布置在巷道帮顶及底板正中，观测频度为2～3d一次，经过为期120d的巷道表面收敛位移观测，发现巷道顶底板最大收敛量100mm，收敛速度稳定在0.8mm/d，两帮最大收敛量87mm，收敛速度稳定在0.6mm/d。

5 结 论

1)经现场调研和微观测试，粘土矿物含量达50%～80%左右，以蒙脱石和高岭石为主，微裂隙较为发育，巷道变形失稳的内在机制为高粘土矿物含量的围岩在深部开挖应力作用下，沿宏观和细观裂隙水化膨胀，进而导致原锚固结构弱化失稳。

2)通过对干湿岩样在不同围压下的抗压实验，发现水对低围压试件的软化作用极其显著，单轴抗压强度软化系数为63.1%，耐软化性极差，应采用注浆加固对围岩进行改性，实现锚固区的强化承载。

3)经现场工程实践表明，增大巷道前期变形空间允许值，通过卸压槽快速释放浅表松动区膨胀应力，多层次注浆填充原生和开挖裂隙，阻断了水对岩体的膨胀软化作用，取得了显著的工程效果。