富水弱胶结软岩巷道围岩变形破坏特征分析

贾俊超，刘 阳

(1.中赟国际工程有限公司，河南 郑州 450000； 2.河南省地质灾害防治工程技术研究中心，河南 郑州 450000)

弱胶结软岩作为一种不良地质体，在我国西部矿区煤系地层中普遍存在[1-2]。由于它具有强度低、胶结性差、遇水易泥化崩解等特点，故常常导致在其内部修建的巷道围岩变形量大，支护困难，甚至出现冒顶、坍塌等事故，严重威胁煤矿安全高效开采[3-5]。

为研究弱胶结软岩巷道科学合理的支护方式，近年来，众多煤炭科技工作者们进行了大量有益的研究工作，取得了很多具有代表性的成果。王进学等[6]提出锚杆锚索耦合支护设计方案，并利用FLAC对巷道支护的稳定性进行了数值计算，计算结果表明，对巷道底板塑性区域内的滑移体进行关键部位加强支护可以有效控制巷道底鼓的发生和发展。张德宝等[7]以东胜井田某矿主斜井弱胶结软岩巷道支护工程为研究对象，通过室内试验分析弱胶结软岩遇水软化机理，通过理论计算，提出全断面锚网喷架支护方案并给出具体支护参数。李清等[8]通过研究杨家村矿弱胶结软岩巷道围岩变形机制，指出直墙半圆拱形巷道与锚网索喷支护技术能有效改善围岩物理力学性质，提高围岩承载能力；郝育喜等[9]结合沙吉海煤矿现场实际对巷道变形破坏机理进行研究，提出恒阻大变形锚杆+钢筋网+混凝土喷层+恒阻大变形锚索+底角注浆锚管的支护方案；孙振伟等[10]采用理论分析、数值模拟和现场实测等手段，对弱胶结软岩巷道底鼓变形机理进行研究，提出连续抗滑桩支护的新方式。

上述研究成果为弱胶结软岩巷道围岩稳定控制提供了宝贵意见，但这些研究却很少考虑地下水渗流对弱胶结软岩性质的影响。为此，本文以色连二矿12307矩形回风巷为工程背景，考虑采空区积水下渗对弱胶结软岩强度的影响，采用FLAC3D对新旧2种方案(旧方案为锚杆索网联合支护，新方案为“钢筋网+全锚索+混凝土地坪”联合支护)下弱胶结软岩巷道的应力、变形、塑性区等分布特征进行了数值模拟分析。研究可为实际巷道施工提供指导，也可为其他类似工程支护方案比选提供借鉴。

1 工程概况

色连二矿12307矩形回风巷净宽5.0 m、净高2.6 m，平均埋深320 m。其周边20 m范围内岩层由上往下依次为弱胶结砂质泥岩、裂隙较为发育的细砂岩和中砂岩、弱胶结砂质泥岩、煤岩、弱胶结砂质泥岩以及粉砂岩，如图1所示[11-12]。巷道旧支护方案为锚杆索网联合支护，如图2所示。顶板以及两帮锚杆均采用直径20 mm、长2.5 m的螺纹钢锚杆，间排距分别设为880 mm×900 mm和750 mm×900 mm；顶锚索采用直径17.8 mm、长7.3 m的预应力钢绞线，间排距设为1.6 m×1.8 m；金属网则采用10号菱形金属网。

图1 巷道周边地层分布Fig.1 Stratum distribution map around roadway

图2 巷道旧支护方案设计Fig.2 Design of old roadway supporting scheme

由于受第1层砂质泥岩上方12206采空区积水的影响，12307巷道顶板中细砂岩富含岩层裂隙水，致使巷道掘进期间顶底板砂质泥岩因淋水而产生泥化以及膨胀现象，最终造成周边锚杆索突出，金属网撕裂，顶底板变形严重，给煤矿安全开采带来严重困难。为此，针对12307巷道围岩变形破坏原因，矿上提出了如图3所示的“钢筋网+全锚索+混凝土地坪”的新支护方案，在该支护方案中，顶板采用“横向M钢带+纵向槽钢梁+钢筋网喷射混凝土+长短锚索”联合支护，长锚索采用直径21.3 mm、长8.3 m的预应力钢绞线，间排距设为1.4 m×1.8 m，短锚索采用直径17.8 mm、长5.3 m的预应力钢绞线，间排距设为880 mm×900 mm；两帮采用“纵向槽钢梁+钢筋网喷射混凝土+短锚索”联合支护，锚索采用直径17.8 mm、长5.3 m的预应力钢绞线，间排距设为750 mm×900 mm；底板采用混凝土地坪封底。

图3 巷道新支护方案设计Fig.3 New supporting design of roadway

2 巷道开挖数值模拟模型

为研究新旧两种支护方案对12307回风巷围岩稳定性的影响，采用FLAC3D建立如图4所示的三维巷道开挖数值模拟模型。该模型长55 m、宽60 m、高48 m，共划分为243 600个单元和255 529个节点。模型力学边界条件定义为底面固定、四周水平位移约束，顶面施加垂直应力7.2 MPa。模型水力边界则定义为底面以及四周不透水，顶面施加水压0.6 MPa。

图4 巷道开挖数值模拟模型Fig.4 Numerical simulation model of roadway excavation

不同岩层采用摩尔—库仑模型进行模拟，其破坏准则如式(1)所示，当考虑围岩渗水对弱胶结软岩强度影响时[13-15]，减小弱胶结软岩的天然内聚力和内摩擦角值(表1)。此外，为研究采空区积水对巷道的影响，设置岩体水力模型为各向同性渗透模型进行渗流模拟，流固耦合方程见式(2)。

表1 巷道周边不同岩层的力学与渗透参数Tab.1 Mechanical and permeability parameters of different rock formations around roadway

(1)

式中，f为屈服函数；σ1和σ3分别为最大和最小主应力；c为围岩黏聚力；φ为内摩擦角。

(2)

式中，k为渗透率；g为重力加速度；υ为水的黏度系数；ρf为流体的密度；Kf为孔隙流体的体积弹性压缩模量；Ks为多孔介质骨架固体颗粒的体积弹性压缩模量。

进行巷道开挖模拟时，设置巷道掘进进尺为3 m，采用cable单元模拟锚杆和锚索；采用shell单元模拟金属网、钢筋网喷射混凝土以及混凝土地坪；采用beam单元模拟W钢带和槽钢梁[16-18]；不同支护结构的物理力学参数取值见表2。

表2 支护结构的物理力学参数Tab.2 Physical and mechanical parametersof supporting structure

3 数值计算结果分析

3.1 巷道围岩剪应力分布规律

当巷道向前掘进36 m后，新旧2种支护方案下巷道围岩的剪应力分布如图5所示。

图5 剪应力分布Fig.5 Shear stress distribution

旧支护方案下，由于其支护强度不足，导致巷道顶底板砂质泥岩在巷道开挖后破坏严重，其承载力急剧下降，表现为剪应力在整个岩层内都基本为0；同时，浅部应力向深部转移而在顶底板硬岩层(粉砂岩、中砂岩、细砂岩)范围内出现明显的剪应力集中区，其最大剪应力达到近7.0 MPa，由最大剪应力集中位置往顶底部深处，围岩剪应力又逐渐衰减为0。相比于顶底板，巷道两帮同样也会在距巷表约5.0 m的位置出现剪应力集中现象，但因煤岩抗剪强度降低，其最大剪应力集中值仅为3.8 MPa；而在浅部出现剪应力降低的区域，因煤岩在破坏后仍具有一定的承载能力，其剪应力基本保持在0.7～2.1 MPa。

新支护方案下，由于采用全锚索的方式将巷道浅部弱胶结砂质泥岩悬吊于深部硬岩层中，同时对巷道表面进行了钢筋网喷射混凝土封闭处理，有效地控制住了砂质泥岩在破坏后的吸水膨胀软化现象。因此，巷道顶底板砂质泥岩在巷道开挖后仍保持有较高的承载能力，此时，巷道围岩在顶底板虽然仍会产生剪应力集中现象，但其集中值则降低至5.2 MPa，同时，浅部砂质泥岩剪应力也基本维持在1.4～3.5 MPa。而巷道两帮剪应力则不会产生明显的集中现象，且其在浅部与深部均相对较小，约为1.8 MPa。

3.2 巷道围岩位移分布规律

当巷道向前掘进36 m后，新旧2种支护方案下巷道围岩的总位移分布如图6所示。可以看出，巷道开挖后，旧支护方案下围岩最大位移出现在巷道表面的中心位置(在巷道顶板、底板、两帮分别为630、410、155 mm)，并由浅部往围岩深处逐渐减小，当距巷道表面距离达到3 m以上时，围岩位移就基本为0。而新支护方案下巷道围岩发生位移的区域面积明显减小，同时其最大位移在顶板、底板以及两帮分别减小至37.0、31.2、9.8 mm，比旧支护方案下分别减小了94.1%、92.4%以及93.7%。这说明新支护方案明显改善了弱胶结软岩巷道围岩的受力变形特征，有利于保证巷道的掘进安全。

图6 总位移分布Fig.6 Total displacement distribution

不同掘进距离下弱胶结软岩巷道围岩表面的径向位移变化曲线如图7所示。由图7可知，不同掘进距离下，新旧2种方案的巷道围岩表面径向位移均大致呈抛物线形式分布(在中心位置最大，往两侧则逐渐递减为0)。当巷道向前掘进9 m后，巷道顶板、底板以及两帮围岩在旧支护方案下产生的最大径向位移分别为331.2、348.0、146.9 mm；而新支护方案下则分别为33.4、21.0、9.0 mm。随着巷道的继续向前掘进，巷道顶板、底板以及两帮围岩在旧支护方案下产生的最大径向位移将不断增大且增大幅度逐渐减小，至巷道向前掘进36 m后，它们将增长至481.3、406.1、150.8 mm；而新支护方案下，巷道围岩表面径向位移则基本保持不变。这说明旧支护方案下巷道顶底板弱胶结砂质泥岩难以在淋水条件下保持自身的稳定，其位移将随着巷道的向前掘进而不断增长，最终导致巷道表面支护结构开裂破坏甚至失效，威胁煤矿安全生产；而新支护方案下巷道围岩则能够在巷道开挖后迅速保持稳定，其径向位移始终处在一个可控范围内，是安全可靠的。

图7 弱胶结软岩巷道表面位移变化曲线Fig.7 Surface displacement curve of weakly cemented soft rock roadway

3.3 巷道围岩塑性区分布规律

当巷道向前掘进36 m后，新旧2种支护方案下巷道围岩的塑性区分布如图8所示。

图8 塑性区分布Fig.8 Plastic zone distribution

旧支护方案下巷道围岩塑性屈服面积较大，其塑性区破坏深度在顶板、底板以及两帮分别为5.9、4.0、6.0 m，这意味着旧支护方案下巷道围岩将发生大面积屈服破坏而产生众多导水裂隙通道，导致顶底板中细砂岩裂隙水通过这些导水裂隙通道向巷道内渗流，进一步加剧弱胶结砂质泥岩的泥化和膨胀，致使巷道顶底板发生大变形破坏现象；此外，由于巷道围岩塑性区深度超过了锚杆的锚固长度，会使锚杆因锚固力不足而难以有效发挥自身的支护作用，浅部围岩则因此发生松动而出现网兜现象。新支护方案下，巷道围岩塑性屈服面积减小，其在顶板、底板以及两帮的破坏深度分别为2.0、1.5、1.1 m，比旧支护方案减小了66.1%、62.5%、82.7%。可见，新支护方案能够有效控制弱胶结砂质泥岩的泥化，从而保证巷道围岩的开挖稳定，是合理可靠的。

3.4 巷道围岩剪应变分布规律

当巷道向前掘进36 m后，新旧2种支护方案下巷道围岩的剪应变分布如图9所示。

图9 岩剪应变分布Fig.9 Shear strain distribution

旧支护方案下，巷道围岩在开挖后的剪应变相对较大(达到0.2以上)，尤其是在顶底板弱胶结砂质泥岩部位；此时，巷道围岩剪应变在顶底板浅部呈现明显的“乂”形分布特征，其2条最大剪应变带由巷道两侧角点处以一定的弧度向围岩深部延伸并交汇于巷道顶部中心距巷表约1.8 m的位置。这意味着处于最大剪应变带的岩体将发生严重的剪切破坏现象，导致该区域内的岩体因大面积渗水而泥化严重，致使巷道顶板大面积下沉而发生冒顶，同时巷道底鼓也较明显。新支护方案下，巷道围岩剪应变仍主要集中发生在巷道顶底板的弱胶结砂质泥岩内，但此时围岩最大剪应变很小(仅为0.02)且出现在巷道顶底板的表面中心位置。这意味着，在新支护方案下，巷道顶底板砂质泥岩剪切破坏程度较轻，不会产生明显的导水裂隙通道，从而能够有效阻止上方中细砂岩裂隙水下渗，保证巷道的掘进安全。

4 围岩变形破坏机制分析

由图5—图9可知，旧支护方案下12307弱胶结软岩巷道变形破坏以顶板下沉、底板隆起以及片帮剥落为主，其变形破坏机制如下：巷道埋深325 m，围岩在开挖前处于高应力状态，而在开挖后，其应力重新分布导致巷道顶底板砂质泥岩层因应力高度集中而进入塑性状态，形成松动破坏区并出现导水裂隙通道。这时，巷道顶部砂岩裂隙水将通过这些导水裂隙通道进入巷道内，使得巷道顶底部砂质泥岩层发生不同程度的淋水现象，其内部黏土矿物质遇水发生膨胀崩解，导致周边锚索网支护强度降低或局部失效，进而巷道顶底板变形将随淋水时间而持续增长，宏观表现为顶板下沉严重甚至冒顶、底板鼓起开裂等。而对于巷帮煤体，其应力状态在巷道开挖后由三向转变为二向，在集中应力作用下，巷道帮部煤体将发生变形破坏，出现两帮移近、片帮剥落等现象。可见，弱胶结软岩巷道围岩稳定控制的关键在于减小弱胶结软岩的破坏范围和程度，减少其导水裂隙通道数量以及与裂隙水的接触时间。因此，针对富水弱胶结软岩巷道，采用全锚索技术提高巷道支护强度、采用钢筋网喷射混凝土封闭弱胶结软岩巷道表面是较为科学合理的。

为分析验证“钢筋网+全锚索+混凝土地坪”联合支护对巷道围岩控制效果，在12307巷道掘进期间对其表面位移进行了观测，得到了如图10所示的位移变化曲线。由图10可知，巷道掘进12 d后，整个巷道围岩变形量趋于稳定，此时，巷道顶底板移近量不到61 mm，两帮移近量不到22 mm，说明整个巷道围岩在新支护方案下得到了有效控制。

图10 表面位移变化曲线Fig.10 Surface displacement curve

5 结论

本文对锚杆索网以及“钢筋网+全锚索+混凝土地坪”2种方案下弱胶结软岩巷道的应力、变形、塑性区等进行数值模拟分析，得到了以下研究成果。

(1)旧支护方案下，巷道顶底板砂质泥岩剪应力在整个岩层内都基本为0，而在顶底板硬岩层范围内出现明显的剪应力集中区，其最大剪应力达到近7.0 MPa；新支护方案下，弱胶结软岩巷道围岩在顶底板虽然仍会产生剪应力集中现象，但其集中值则降低至5.2 MPa，同时，浅部砂质泥岩剪应力也基本维持在1.4～3.5 MPa。

(2)旧支护方案下弱胶结软岩巷道围岩位移将随着巷道的向前开挖而持续增长，最终其在巷道顶板、底板、两帮出现的最大位移可分别达630、410、155 mm；新支护方案下，弱胶结软岩巷道围岩位移将在巷道开挖后迅速保持稳定，其在顶板、底板以及两帮产生的位移将比旧支护方案分别减小94.1%、92.4%以及93.7%。

(3)旧支护方案下弱胶结软岩巷道围岩塑性区破坏深度在顶板、底板以及两帮分别为5.9、4.0、6.0 m；而新支护方案下巷道围岩在顶板、底板以及两帮的破坏深度则分别为2.0、1.5、1.1 m。

(4)旧支护方案下巷道围岩剪应变最大可达0.2以上，且在顶底板浅部呈现明显的“乂”形分布特征，而新支护方案下巷道围岩剪应变则仅为0.02，出现在巷道顶底板的表面中心位置。