软弱膨胀性岩层巷道变形分析及修复技术研究
黎劲东 吕兆海 赵长红
（国家能源集团宁夏煤业有限责任公司，宁夏银川750001）
摘要 清水营煤矿主斜井沿二煤底板布置，二煤底板整体为膨胀性泥岩，原岩强度相对较高，吸水强度迅速降低并发生结构性膨胀。受围岩结构及巷道淋水渗透应力场的影响，主斜井井筒变形严重，局部底鼓量900 mm，两帮收敛量400 mm。针对清水营煤矿主斜井的变形情况，结合原有巷道支护形式、所处层位地质情况、围岩变形周期等综合分析。通过对32#工字钢的屈服强度、膨胀性围岩应力场及变形量、巷道围岩遇水膨胀扩容导致原支护结构变形失稳的演化特征进行分析。指出巷道变形主要是围岩吸水膨胀扩容产生的压力所致，并得出了巷道围岩变形产生的扩容压力为59 MPa、巷道围岩软化、泥化深度为440 mm。提出“一巷多策，分段支护，有限让压，全断面封闭抗压”来控制膨胀性泥岩巷道的基本思路，有效控制了巷道围岩变形，取得了良好的支护效果。
关键词 渗透应力场 全断面封闭 有限让压 反底拱梁
软岩是指强度低、孔隙度大、胶结性差、受构造面切割及风化影响显著或大量膨胀性黏土矿物的松、散、软、弱岩层，其单轴抗压强度一般小于25 MPa，且有不同程度的遇水泥化膨胀性。膨胀性软岩在水理作用下易产生体积膨胀、破碎和分解，当岩体受到扰动后，受风化潮解及施工用水的影响，其强度随时间的增长而急剧衰减。膨胀性软岩在我国范围内分布较广，软岩吸水膨胀是深井软岩巷道产生大变形乃至坍塌的主要原因之一。随着煤矿采深的增加，使得软岩巷道底鼓面临的问题越来越复杂。长期以来，国内对软岩的物理、水理、力学性质、巷道变形与底鼓的力学机制及控制底鼓的技术措施进行了相关研究，分析认为底鼓产生的原因在于失稳的底板岩层向巷道内压曲、偏应力作用下的扩容，巷道围岩吸水膨胀扩容是导致岩体破坏失稳的重要因素。
根据清水营煤矿主斜井所处岩层的地质特征，结合主斜井变形特征及变形周期，通过对32#工字钢的屈服强度、膨胀性围岩应力场及变形量、巷道围岩遇水膨胀扩容导致原支护结构变形失稳的演化特征进行分析。指出巷道变形主要是由于围岩吸水膨胀扩容产生的压力所导致，并得出了巷道围岩吸水膨胀产生的扩容压力、巷道围岩软化、泥化的深度。提出了“一巷多策，分段支护，有限让压，全断面封闭抗压”的控制膨胀性泥岩巷道的基本思路。
1工程概况
清水营煤矿处于宁东鸳鸯湖矿区，地质赋存条件复杂，岩体节理与裂隙发育，矿区内地层由老到新依次有：三叠系（T）、侏罗纪中统延安组（J2y）、直罗组（J2z）、侏罗纪上统安定组（J3a）、白垩系下统宜君组（K1y）、洛河组（K11h）、古近系上统清水营组（E3q）和第四系（Q）。矿井地层中含水层属弱～中等富水性，分别为第四系孔隙潜水含水层（Ⅰ）、白垩系砾岩裂隙孔隙层间承压含水层（Ⅱ）、侏罗纪上统安定组～中统直罗组裂隙孔隙含水层（Ⅲ）、2～8号煤层间砂岩裂隙孔隙承压含水层（Ⅳ）。隔水层以低阻、高密度的粉砂岩、泥岩为主，主要有4层，分别为安定—直罗组裂隙孔隙含水层顶板隔水层、2～8号煤层含水层顶板隔水层、8号煤层及其顶底板泥岩隔水层、18号煤层及其顶底板泥岩隔水层。其中2号煤层顶板为泥质砂岩含水层，岩石松软易风化，底板为泥质砂岩，遇水易膨胀，煤层硬度系数低，平均厚度5.25 m，倾角23°~30°，顶板为砂岩含水层，岩石易软化、强度低、坚固性差；底板主要成分为高膨胀性的伊利石、绿泥石，其中伊利石、绿泥石等膨胀性矿物成分占70%。主斜井设计长度1428 m，沿2号煤层底板布置，巷道设计为半圆拱形断面，净宽4.2 m，净高3.4 m，坡度25°。主斜井原支护为锚带网喷，局部段增加了U29型钢支架，受矿压及软岩吸水膨胀影响，巷道自维修后在5年时间内逐渐发生变形破坏，尤其是搭接硐室附近变形最为突出，需要维修的巷道总长度1060 m，占巷道总长度的74%。
2巷道变形原因及特性分析
2.1巷道变形表现
研究表明，影响巷道围岩变形的因素主要有巷道岩层性质，围岩应力状态、水理渗透作用以及支护强度。针对清水营煤矿主斜井变形的具体情况分析，巷道变形的主要表现为两帮收敛、底鼓严重，顶板变形相对较小。巷道变形主要表现在以下几点：刚性支护段较柔性支护段变形更为严重；巷道交岔点处及巷道布置密集地段的变形较正常段变形严重；巷道围岩扰动范围越大巷道变形越严重；淋水、渗透性越强的地段巷道变形越严重；围岩含泥量越高巷道变形越严重；在同一断面上，巷道底鼓存在明显的差异性，与底板水渗透性变化一致；未喷浆封闭的巷道钢支架腐蚀严重，巷道变形量较大；巷道在水理作用下膨胀变形破坏的周期长。
2.2巷道变形原因分析
2.2.1支护强度及支护形式
刚性支护中没有充分考虑围岩吸水膨胀后产生变形压力的释放，导致刚性支护变形得以释放变形压力，而变形压力的持续释放达到刚性支护的屈服极限，最终表现为巷道的变形失稳。可缩性钢支架支护段对巷道顶部采用了有限度的让压支护，但对巷道底板及墙角的变形未采取限制性措施，另外原巷道底板支护强度有限，导致了巷道底板围岩吸水膨胀持续变形从而引发两帮的收敛破坏，但底鼓的速率远远大于两帮内敛及顶板下沉的速率。
2.2.2巷道围岩性质
巷道底板岩层的强度和结构状态对底鼓起着决定性的作用。主斜井沿2号煤层底板布置，巷道顶板的膨胀性泥岩量相对较少，对巷道稳定性影响较小，而巷道两帮及底板处在膨胀性泥岩中，巷道开挖后，形成自由空间，巷道围岩空隙水形成水力通道向下的趋势难以改变，尽管后期巷道进行了喷浆封闭，但巷道围岩渗水将沿喷浆层内壁缓慢渗入到巷道帮部以下。造成巷道帮部及底板泥化，弱化范围扩大，泥化围岩产生的膨胀力将随着泥化范围的扩大而增大。
2.2.3地质构造应力
巷道围岩应力对巷道的稳定性有一定的影响，围岩应力越大，巷道变形越严重。清水营煤矿主斜井沿向斜轴布置，巷道围岩以水平应力为主，这种应力的存在导致巷道围岩更加难以控制。
2.2.4巷道布置密度
巷道布置密度过大，在施工过程中造成相邻巷道相互影响，或由于联络巷之间的相互贯通造成应力重叠扩大了围岩的扰动范围，增加了巷道的支护难度。
2.2.5水理渗透作用
在膨胀性较强的泥岩巷道中，在支护及地下水的影响下，通过钻孔等裂隙渗入岩体的水量改变了岩体内摩擦系数，造成围岩弱化、在不同方向形成岩体泥化膨胀的自由空间加剧了岩体的膨胀性。另外水沟长期受地下水的侵蚀作用，逐渐损坏，地下水慢慢渗入巷道底板岩层，岩层吸水膨胀，造成水沟侧底板最先发生破坏，随着渗透范围的横向扩大，渗入岩层的纵向深度也在逐渐增加，最终造成底鼓的差异性。
岩体的摩擦角随着岩体含水率的增大而减小，因此渗入岩体的水将改变岩体内部的摩擦角及摩擦系数，并对膨胀性泥岩的应力、应变值影响很大。
式中：K——随含水率变化的变化量；
W——岩石渗透含水率。
由式（1）可知，膨胀性泥岩内随着含水率的增加，应力、应变和位移实际值迅速增加。
3巷道围岩破坏力的计算及支护对策
3.1巷道围岩破坏力的计算
3.1.1根据钢梁稳定性进行计算
膨胀性泥岩巷道变形主要受地下水及井下潮湿空气的影响。巷道开挖前原岩应力保持相对平衡，在巷道开挖过程中爆破震动形成的裂隙和巷道支护过程中湿式打眼等使井下潮湿空气、地下水渗透到巷道轮廓2.5 m以外甚至更远，这为膨胀性泥岩巷道遇水变形创造了条件。为便于研究，将巷道支护32#工字钢横梁等效为两端固定的压杆结构，两侧围岩膨胀变形的力简化为等效力。在侧向压力的作用下，当压力达到临界力Fcr时，钢梁向弱结构面发生弯曲变形，当侧向压力继续增大则导致钢梁变形破坏，通过计算使钢梁发生弯曲变形的外力等效求出软岩巷道吸水膨胀的膨胀力。具体计算如下：
式中：λ——钢梁柔度值；
E——钢梁的弹性模量，MPa；
σs——钢梁抗压强度，MPa；
σcr——钢梁临界应力，MPa。
将E=2×105MPa和σs=235 MPa代入式（2），得到钢梁柔度为121＞λp，这表明钢梁可按照细长杆模型计算其临界应力。根据式（3），得到钢材的变形的临界应力为135 MPa，表明当32#钢梁受到135 MPa的压力时，即巷道两侧的围岩膨胀产生的侧压达到67.5 MPa时，钢梁将处于弯曲极限平衡状态，随着膨胀力的继续增大，钢梁将继续变形直至破坏。
3.1.2根据围岩应力场变化进行计算
根据上文所述，膨胀性围岩含水率的变化引起巷道围岩膨胀率及应力场的变化，根据圆形巷道在平面应力情况下围岩遇水作用应力分量及围岩变形量得出：
式中：σr——巷道围岩吸水膨胀径向应力分量，MPa；
E 岩——巷道围岩的弹性模量，取0.074×104MPa；
α——膨胀系数，取0.33；
r——巷道支护深度至巷道中心的距离，取4.84 m；
r0——巷道等效半径，取2.34 m；
W 0——岩石原始吸水率，取14%；
t——吸水时间，取30 d；
W b——岩石饱和含水率，取35%；
μ——岩石泊松比，取0.34；
σθ——巷道围岩吸水膨胀切向应力分量，MPa；
u——围岩吸水膨胀变形量，mm。
经计算，σr等于59 MPa，与32#工字钢钢梁发生变形破坏的外力基本一致，u等于440 mm。围岩变形量及应力变化曲线如图1所示。由图1（a）可知，距离巷道表面越远，巷道膨胀变形量越小，在同一位置，巷道围岩膨胀量随时间的增加而增大。由图1（b）可知，在2.5m范围内，巷道径向应力随距离巷道表面增大而增大，但当达到2.5m后，径向应力逐渐趋于稳定，巷道表面径向应力为恒值。
3.2巷道围岩支护对策
受巷道布置形式及层位的影响，对整段维修巷道采用同一种支护形式，既造成支护成本的增加，也难以保证支护强度满足巷道围岩压力。因此在维修过程中有针对性地采用“一巷多策，分段支护”的思路对维修巷道整体分3段采用不同的方案进行支护，分段支护示意图如图2所示。对主斜井上段原架设可缩性钢支架仅发生底鼓的240 m巷道采用焊接反底拱梁+反底拱进行支护；对搭接硐室段巷道变形严重，围岩破坏深度较大的98 m巷道采用全封闭钢管混凝土支架进行加强支护；对其他部分及联络巷采用重新架设全封闭可缩性钢支架+反底拱进行支护。李学彬等研究发现，可缩性钢支架及钢管混凝土支架的屈服极限在568~828 MPa之间，满足巷道支护需要。
图1围岩变形量及应力变化曲线
图2巷道分段支护图
具体支护思路和方案如下：
（1）减小开挖扰动，保证巷道围岩的稳定性。在巷道维修过程中，为减小对巷道围岩的扰动，采用人工风镐破除，有效降低了对巷道围岩的扰动。
（2）分段支护，一巷多策。第1段主斜井井筒上段长240 m。按照焊接反底拱梁+反底拱复喷成巷的支护方案进行支护，对原架设钢支架进行除锈，并对该段巷道进行起底，达到设计位置后，焊接U29型钢反底拱梁；第2段搭接硐室段长98 m。由于该段巷道断面大，巷道布置密度大，施工前期巷道冒顶等因素的影响，围岩破碎，巷道围岩压力大，因此在支护过程中采用锚网喷浆进行支护，对该段巷道挑顶扩帮、起底后采用锚网喷浆进行支护后，架设钢管混凝土支架并注浆，最后施工反底拱地坪喷浆成巷；第3段主斜井下段及联络巷724 m。该段巷道整体变形、底鼓，在维护过程中整体对该段巷道进行挑顶扩帮、起底，采用锚网喷浆进行支护后，架设全断面封闭可缩性U29型钢支架，最后施工反底拱地坪喷浆成巷。
（3）高强、高预紧力锚杆支护。为有效控制巷道围岩变形，采用有限让压的思想。在巷道支护过程中全断面采用Φ22×2500 mm的BHRB400高强锚杆，锚杆间排距800 mm×800 mm，每根锚杆采用2节MSK23/70型树脂药卷进行锚固，预紧力矩120 kN·m，高预应力的扩散充分发挥了主动支护的效果。
（4）钢支架全断面封闭抗压。为有效抵抗巷道底鼓变形的压力，全断面提高对围岩的约束力，巷道整体采用架设反底拱梁的U型钢支架及钢管混凝土支架进行支护。钢管混凝土支架均采用Φ194 mm×10 mm钢管制作，间距600 mm，内注C25混凝土，可缩性钢支架采用U29型钢制作，反底拱梁及棚腿采用高强螺栓连接。钢支架间距800 mm，钢支架中间采用7道连接板连接。
（5）混凝土及时封闭。为有效防止巷道底鼓变形，在巷道维护过程中，全部采用厚度为800 mm的反底拱抗渗混凝土地坪，喷射200 mm的C25混凝土对钢支架及围岩进行封闭。
4效果分析
在主斜井维护过程中通过采用“一巷多策，分段支护，有限让压，全断面封闭抗压”的整体支护思路，在施工过程中按照减小扰动，及时喷浆封闭，钢支架全断面封闭抗压、抗渗反底拱混凝土封闭堵水的支护技术方案，有效控制了巷道围岩的变形破坏。矿压监测结果表明，巷道表面及深部位移量在可控范围内，达到了预期的支护效果，满足使用要求，提高了巷道的安全系数。
5结论
（1）在膨胀性泥岩巷道维护过程中应减少围岩扰动，在支护过程中应采用“一巷多策，分段支护，有限让压，全断面封闭抗压”的支护方式控制围岩稳定性。
（2）软岩巷道支护过程中，水理作用是导致巷道围岩膨胀变形的主要因素，在水力渗透场的作用下，软岩膨胀成几何数字进行增长。因此加强巷道淋水及渗水的治理，做好导水措施，切断通向巷道薄弱点的水力通道，提高底板混凝土的抗渗强度，减小淋水对膨胀性泥岩的横向及纵向的侵蚀是有效控制巷道变形的重要措施。
（3）距离巷道表面越远，巷道围岩膨胀变形量越小，在同一位置，巷道围岩膨胀量随时间的增加而增大。在一定距离范围内，巷道径向应力随距离巷道表面增大而增大，但当达到一定数值后，径向应力趋于稳定，巷道表面径向应力为恒值。
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作者简介
黎劲东，生于1982年，四川安岳，高级工程师，主要从事煤矿工程建设和管理工作。
吕兆海，生于1980年，安徽界首人，高级工程师，博士，主要从事煤矿安全生产管理、采场稳定性评价方面的研究。
赵长红，生于1981年，宁夏隆德人，高级工程师，大学本科，主要从事煤矿生产技术管理、软岩巷道支护方面的研究。