高应力软岩硐室底鼓发生机理与控制技术研究

经来旺，严 悦

(1.安徽理工大学 矿山工程力学与支护技术研究所，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大学 力学与光电物理学院，安徽 淮南 232001)

随着我国煤炭开采深度的不断增大，井下机电硐室等结构的围岩应力也在不断地增大，岩石的蠕变效应也越来越显著[1-4]，底鼓现象十分突出，严重的底鼓不仅危及到硐室内机电装备的安全运营，还严重地危及到煤矿的安全生产[5-7]。虽然多年来诞生了众多关于井下巷道和硐室底鼓控制的研究成果[8-11]，但工程地质环境的多样性和不断拓深的开采水平都一再扩展了这一领域的研究空间，从而也将这一领域的理论和技术水平不断地向前推进。以皖北矿区邹庄煤矿-800m水平机电硐室为研究对象，细致地分析了底鼓变形破坏的力学机理，并基于围岩承载结构整体稳定性原理给出了底鼓变形控制的力学机理与治理技术。

1 工程概况

淮北矿区邹庄煤矿-800m水平机电硐室长78m，硐室两端为14m长的小断面(净宽×净高=3200mm×3200mm)；中间为50m长的大断面(净宽×净高=5000mm×3800mm)，硐室断面形状为马蹄形，初始支护设计是锚网喷支护。

硐室竣工之时，底板即发生明显底鼓，顶板浆皮也出现大范围炸裂现象，不得不实施底板浅层注浆和二次锚网喷注工程。然而，底鼓和围岩变形并没有停止，半年之后，巷道底鼓量已超过870mm，机电设备倾斜严重；同时，巷道两帮大幅内收且严重向内倾斜，顶板也再次发生严重的大范围炸皮开裂。半年后即开展了第一次“刷帮卧底”大修。

大修一年后，巷道再次严重变形，底鼓量高达910mm，两帮帮底内移量达760mm，同时拱腰部位也变形严重，多处混凝土喷层碎裂掉落或悬挂于钢筋网上。考虑到该硐室服务期限较长，故决定将其中的机电设备暂时搬离以便于彻底治理围岩变形，研究更科学合理的治理方案。

2 硐室围岩底鼓发生因素及机理分析

硐室底鼓发生机理的剖析离不开一系列与之相关的因素，其中主要的因素是围岩岩性软弱、高地压、底板水害和支护方案的不合理，逐一剖析引发底鼓的力学机理。

邹庄煤矿-800m水平机电硐室综合柱状图如图1所示，图中显示巷道位于一厚达9.75m的泥岩层之中。由表1中的实验数据可知，泥岩的平均抗压强度为14.05MPa；细砂岩的平均抗压强度为29.23MPa。如此差的岩性使得围岩的自承载能力较低，这是该硐室围岩发生严重变形的一个主要原因。另外，面临如此软弱围岩的条件，底板却无任何支护措施，发生底鼓自然在情理之中。

图1 邹庄煤矿-800m水平机电硐室综合柱状

表1 岩石抗压强度测试

邹庄煤矿-800m水平机电硐室所在地地表标高为30m，硐室顶板标高-735.4m、底板标高-740.5m，实际埋藏深度为-765m，层位较深，原始地应力较大，竖向地应力达18.75MPa。另外，硐室与东翼皮带大巷近垂直空交，次生地压相互影响，应力集中程度进一步提高。

围岩性质和地应力是衡量围岩稳定性的两个关键因素，尽管此处地应力绝对数值不算大，但相对于强度如此低的围岩，其相对数值已是非常高。这是围岩变形严重的又一重要因素。

巷道底板锚索孔的钻孔过程表明几乎底鼓严重的巷道底板中均蕴含有大量的水，含水范围一般位于距底板下方0.5～4.5m的范围内，通常情况下钻取一个深度7m左右、直径80～90mm的垂直钻孔，突水量约1～2t。这部分水主要来源于围岩中静态裂隙水的缓慢渗入、巷道掘进施工用水的聚积等。聚积在底板中的水对泥质底板岩石具有巨大的软化效应，强度软化系数高达0.08[12]。

由于底板岩性的大幅软化，其承载能力严重削弱，松动圈范围逐渐向深部扩展，从而使得硐室围岩整体松动圈的外边界形状呈现出纵向尺寸较大、横向尺寸较小的情况，如图2(a)所示。这一推测随着底板锚索钻机的问世也被反复地证实，因为依据钻机钻进的阻力和速度变化可以确定底板松动圈的边界范围。

泥质底板岩石在浸水软化的过程中，会逐渐发生裂解，裂解的过程中体积会膨胀，由于底板松动圈的左右和下方边界都是固定边界，体积膨胀所导致的岩体变形位移的方向只可能是底板上方，从而导致底鼓发生。很多底鼓治理案例表明，底板含水松动圈的深度通常在底板下方4.0～5.0m范围，如此大范围岩体浸水裂解发生的体积膨胀量是一个非常大的数值，故相应的底鼓量自然不可轻视。

巷帮失稳内移挤压底板软化岩体发生底鼓。为了更清楚地剖析底鼓发生的多重因素，现将松动圈从岩体中分离出去来单纯地分析松动圈外围承载结构的稳定性情况。

分离了松动圈后的围岩如图2(b)所示。依据弹性理论不难理解处于较大地应力场中的这一竖向的近似椭圆孔最易失稳破坏之处是左右两帮，当失稳发生后两帮会逐渐发生内移，巷道底板以下部分的两侧帮的向内位移势必会挤压已经软化后的底板松动圈内的岩体，由于受挤压的岩体只能发生向上的位移，于是底鼓发生。

图2 松动圈

综上所述，底鼓发生的因素并不是单一的，除了上述主要影响因素之外，某些具有膨胀性的岩石底板也会导致底鼓的发生[13，14]，但大多数情况下，上述4大因素是底鼓发生的主要因素，且4大因素之间也不是相互独立的，彼此之间相互关联，对底鼓的发生有相互促进的作用。下面依据底鼓发生的主要因素来研究分析底鼓控制的机理与措施。

3 底鼓控制机理研究

上述4大底鼓发生因素可以划分为可控因素和难控制因素两大类，其中高地压属于难控制因素，这类因素的共同特点是难以采取有效措施降低其影响程度；另外3个因素属可控因素，这类因素的共同特点是可以通过某些措施有效地降低其影响程度。对于难控制因素，通常情况下没有必要采取控制措施；对于可控因素则需要研究相应措施降低其影响程度。

3.1 岩体改性

即通过注浆等手段将松散破碎的围岩重新胶结，使之物理力学性质提高。依据弹性力学理论[15]可知注浆改性后的岩体，在同一个应力场中，其径向应力分布规律曲线的增长速度会大幅度提高，如图3所示。

图3 围岩径向应力分布与松动圈关系

M点径向应力增大的直接效应是该位置处的偏应力值大幅降低，相应的计算表达式见公式(2)—(4)。

注浆前弹性区内边界处偏应力：

(σθ)M-(σρ)M-(σρ)M=2q-2(σρ)M

(2)

注浆后弹性区内边界处偏应力：

注浆后弹性区内边界处偏应力减小量：

由于弹性区内边界处偏应力值减小幅度较大，减小后的偏应力值一旦小于围岩发生不稳定蠕变所需要的临界值(长期强度值)，弹性区岩体的不稳定蠕变即刻会停止[16，17]，此时松动圈也会因为外围岩体的稳定而自行稳定下来。因此，岩性的改变会有效地抑制围岩的变形。

对于巷道底板而言，因其内含有的大量静态水严重软化了底板岩石，注浆的改性作用就越发显著，一方面通过注浆可以有效的挤走底板水使得底板岩体不再遭受水的浸泡，另一方面浆液有效地对底板松散岩体实施了重新胶结强化，从根本上改变了底板岩性，对抑制底鼓的发生具有重要作用[18]。

3.2 增强表面支护强度

此处需要借助液压缸效应剖析一下表面强度对提高松动圈承载力的影响。液压缸的承载力主要由缸内液体来实现，但缸内液体实现巨大承载力需要一个先决条件，即液体在承受巨大压力时依然可以保持绝对的稳定性，如若不能保证绝对的稳定性，无论何种液体将连自身的重力都承载不了，会瞬间变形流向位置较低之处。液压缸内的液体之所以可以承受巨大压力，关键在于缸壁给予了它足够的稳定性。

巷道围岩松动圈内的岩体尽管已经裂隙贯通，自身承载力大幅降低，但若我们能够给其一个强度很高的犹如液压缸缸体一样的表面支护强度，使其内破碎岩体具有很高的稳定性，则松动圈的承载力就会大幅提升。目前的支护方式中，无论锚网索喷支护方式还是棚架支护方式都可以实现这一点。

长期以来，软岩巷道之所以容易发生底鼓，主要原因之一就是巷道底板缺少支护手段，无法形成较高的表面支护强度。

3.3 稳定性控制

稳定性控制在巷道围岩控制措施的研究中极其重要，举一简单案例：如图4所示，有两个不同形状的环，一个圆环和一个椭圆环，两环受到同样大小的静水压力作用时，稳定性明显不同，其中(a)环的稳定性要远大于(b)环。依据弹性理论不难断定(b)环最容易丧失稳定性的地方是左右两侧，同理可知较科学的提升其稳定性的办法是在其左右两侧分别增设相互对称的支点，如图4(c)所示。对于大多数软岩巷道而言，因浸水软化的缘故，底板一定范围内岩体强度降低的幅度很大，此时围岩的主要承载结构逐渐地演化成了竖向尺寸远大于横向尺寸的形状，在定性分析时可将其近似地作为一个椭圆孔看待，此时巷道两侧基于稳定性增设的支点可以通过水平帮锚索实现。

图4 静水压力下不同形状环稳定性比较

4 实施方案

基于上述控制机理分析，针对-800m水平机电硐室的二次大修，此处采取的主要措施有以下几个方面。

4.1 注浆改性

此处的注浆包含两个部分：帮顶注浆和底板驱水注浆。

4.1.1 帮顶注浆

在“刷帮卧底”工序完成一个星期后实施注浆，巷道断面范围内布置7个注浆孔，其中1#、2#、3#、4#、5#将巷道帮顶等分为四份，2#、3#、4#孔沿巷道表面法线方向，1#、5#钻孔与水平面呈30°夹角，具体间距布置如图5所示。

图5 帮顶注浆孔及底板浅孔注浆孔布置(mm)

4.1.2 底板驱水注浆

由于巷道底板长期浸水，松动圈较大且强度很低，若直接进行L=7800mm的深孔注浆，会导致撮孔、钻不易取出、钻取出后塌孔等事故，故先进行L=3000mm的浅孔注浆，间排距为1.6m×2.1m，如图5所示。一周之后在浅孔位置进行L=7800mm的深孔注浆，间排距为1.6m×1.6m。注浆管与锚索绑扎在一起，在实施底板深孔注浆的同时，底板锚索自动完成全长锚固。注浆管采用内径20mm，外径21.3mm的薄铁皮管，锚索直径为22mm，考虑到钻杆拔出，钻孔直径会快速收缩，选取的钻头型号直径为75mm，此型号钻头钻孔约85～90mm，钻孔结束立即插入注浆管与锚索。

4.2 锚索补强方案

4.2.1 帮顶补强方案

帮顶补强方案如图6(a)所示，其中两帮各2根，顶部3根。锚索端头采用树脂药卷锚固剂(Z2355)与围岩连接，此处锚索锚固力至少为200kN。

图6 补强锚索布置方案(mm)

4.2.2 底板补强方案

具体方案如图6(b)所示，锚索上段设置U型钢短梁作为托盘，29U型钢梁放置在沟槽内，沟槽高度300mm，目的是使锚索顶部和钢梁距离巷道底板50～100mm，底板注浆的同时进行全长锚固，在锚索与U型钢之间添加钢垫板或锚杆托盘(长×宽×厚=100mm×100mm×10mm)做垫衬。

5 效果分析

5.1 测站内测点设置

硐室的大断面部分共设置3个测试断面，每个测试断面间距15m，中间断面位居大断面的中间。每个断面内设置6个测点，分别设置在底角、拱角和顶底处，如图7所示。

图7 断面内各测点的位置设置

本次测量工作所用的测量工具为JSS30A型数显收敛计。该收敛仪的分辨率为0.01mm，能精确测量巷道的变形量，监测时间69d，每4d监测一次，具体结果如图8所示。

图8 断面变形速率动态规律折线

5.2 观测结果与分析

观测数据表明，在整个观测期间，邹庄煤矿-800m水平机电硐室底角移近的平均速率为0.013mm/4d；拱角移近的平均速率为0.004mm/4d；顶底平均变形速率为0.014mm/4d。从变形速率来看巷道变形非常小。此外，变化速率的动态变化规律显示巷道各部位的变形速率呈逐渐减小态势，第47d起变形速率即在0～0.01mm/4d之间摆动，表明巷道基本处于稳定状态，按照8a的服务期考虑，整个服务期内该硐室无需再修复。

6 结 论

1)围岩岩性软弱、高地压、底板水害及支护方案不合理是深水平硐室底鼓发生的主要因素，本文基于此深入剖析了底鼓发生的力学机理。

2)从底鼓发生的主要影响因素入手，给出了深水平硐室底鼓的控制机理，包括注浆岩体改性、采用锚网索喷或棚架支护来增强表面支护强度、设置水平帮锚索实现巷道稳定性控制等，通过这些措施控制围岩变形，达到控制巷道整体稳定性，包括抑制底鼓的效果。

3)基于控制机理，从注浆改性和锚索补强两方面制定邹庄煤矿-800m水平机电硐室的二次大修方案，给出了底板锚索锚注一体化技术，为底板锚索支护手段的顺利实施奠定了基础。

4)现场观测数据表明，该抑制底鼓的技术方案简便易行、效果显著，充分论证了研究成果的科学性与正确性，该成果不仅可以用于高应力软岩机电硐室底鼓控制机理与技术的研究，而且可以用于井下水仓、大断面高应力软岩巷道底鼓控制机理与技术的研究。