软岩水仓变形破坏机理与支护技术

王文江，孙颜顶

(1．中国石化长城能源化工有限公司，北京 100020；2.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083)

软岩水仓变形破坏机理与支护技术

王文江1，孙颜顶2

(1．中国石化长城能源化工有限公司，北京 100020；2.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083)

[摘要]针对某整合矿井-400m水平井底水仓底鼓量大的难题，对初始支护条件下水仓巷道的围岩变形破坏特征及影响因素进行了理论分析，得出水对底板软岩的软化是影响该水仓巷道稳定的主要因素，模拟了水对巷道底板的软化作用。基于此，提出了全断面混凝土浇筑支护技术，分析了其及时封闭围岩和整体支护的优点。实践证明，采用全断面混凝土浇筑支护后，水仓最大底鼓量降至50.15mm，实现了对水仓底鼓的有效控制。

[关键词]软岩；井底水仓；软化；底鼓；混凝土浇筑

软岩是在工程力作用下能产生显著塑性变形和流变的岩体，常伴有松散性、崩解性和膨胀性等特征[1-2]。此类岩体中的巷道围岩强度低，断面收敛量大，极易破坏片漏，导致巷道多次返修，维护成本高。特别是承担着井下安全贮排水的软岩水仓，一方面其处于密集硐室群的复杂地质条件下，硐室围岩应力场交互影响，软岩水仓围岩应力分布复杂；另一方面，水仓贮水渗入巷道底板裂隙，与软岩内部充填物发生物理、化学作用，导致围岩变软，强度降低[3-4]。某整合矿井-400m水平软岩水仓底鼓量大，严重影响了矿井的安全生产，故研究其致灾机理并提出有效控制措施显得尤为迫切。

1工程概况

山西汾西某煤矿为整合矿井，主采煤层为9号、10号和11号煤。其中，9号煤层平均厚度为1.34m，11号煤层平均厚度为5.85m。9，10号煤层平均间距为3.55m，10，11号煤层平均间距为4.81m，属于近距离煤层群。11号煤层内生裂隙、外生裂隙均较发育，煤层呈块状，硬度较小，容重为13.7kN/m3。11号煤层底板为铝土泥岩，经实验测得铝土泥岩的抗压强度为14.41MPa，抗拉强度为2.45MPa，抗剪强度为4.9MPa，遇水变软，极易膨胀，呈软岩特征，属于松软底板。井底水仓沿11号煤层底板掘进，埋深约400m，水仓巷道断面为直墙半圆拱形，内、外水仓长度及水仓入口长度总和为120m，水仓有效容积为960m3，巷道净高为4.52m，净宽为3.74m，两侧直墙净高为1.65m，净断面为10.06m2。

2井底水仓变形破坏特征及影响因素

2.1井底水仓变形破坏特征

井底水仓在有水的环境下，巷道底板发生底鼓，底鼓量最大处达500mm，底角处出现纵向张裂；巷道两侧直墙下部混凝土局部破碎脱落，部分锚杆外露；巷道拱顶及两帮的变形量相对较小。

2.2井底水仓变形破坏影响因素

2.2.1水的影响

水仓底板为铝土泥岩，属膨胀性软岩底板。此类岩石遇水软化，体积膨胀，承载力弱。作为贮排水硐室的水仓巷道，一方面在其开挖时，底板软岩在水平集中应力作用下产生压曲、变形，巷道涌水通过裂隙渗入岩层内部，与岩石矿物发生物理、化学作用，改变了岩石颗粒之间的接触形态，降低了岩石的内摩擦角及黏聚力，进而使岩石的力学强度降低，进一步加剧水仓巷道的底鼓破坏[5]；另一方面底板铝土泥岩吸水膨胀，其膨胀变形带来围岩应力的增高响应，促使巷道持续大变形破坏，更加恶化了巷道围岩支护条件[6-8]。

2.2.2围岩应力环境

水仓顶板上方10m左右为房柱式开采的9号煤层，近距离煤层开采扰动下的支承压力与原岩应力及水弱化的综合作用，使得水仓巷道围岩原有及次生裂隙进一步扩展、贯通，并极易产生局部冒落和离层。但由于9号煤层厚度较薄，矿压显现较为缓和，且水仓顶板及两帮不受水的弱化影响，初始支护下的围岩强度大于围岩应力，从而抑制了巷道顶板及两帮的大幅度变形破坏；而水仓巷道底板底角应力集中，且软弱岩层吸水产生膨胀应力，致使巷道底板变形、破坏、释压。长时间持续底鼓破坏将影响巷道顶板及两帮的围岩稳定。

2.2.3巷道施工因素

水仓原有支护方式为锚喷网，而常规锚喷网支护形成的承压拱承载能力相对较弱，且受施工质量影响较大。特别对于水仓软岩底板，一方面由于其对水的敏感性强，巷道开挖后未能及时喷混凝土而潮解软化；另一方面水仓底板原混凝土厚度较薄，未能承载底板因膨胀释放的压力而变形破坏。

综上分析，对水仓底板软化变形破坏机理的研究具有重要意义。

3水仓底板软化变形破坏的数值模拟分析

根据该矿的地质条件及所需模拟的内容，确定底板遇水软化的数值模拟选用FLAC3D软件，并将模型简化为平面应变问题。模型总尺寸为40m×2m×40m，共划分为8560个单元，11105个网格节点，巷道围岩重点研究区域网格划分较密，采用Mohr-Coulomb本构模型，根据矿井实际生产条件，模型上部边界所施加的垂直应力为10.8MPa，左右边界X方向位移固定，前后边界Y方向位移固定，底部边界Z方向位移固定。建立的底板软化数值模型如图1所示。

图1　底板软化数值模型

水仓底板软化变形破坏模拟后的巷道围岩垂直应力分布云图如图2所示，巷道围岩塑性区分布特征如图3所示。

图2　巷道围岩垂直应力分布云图

图3　巷道围岩塑性区分布特征

从图2和图3中可以看出，当底板无水软化时，围岩压应力峰值主要集中在巷道两帮，但两帮塑性区很小，说明巷道两帮围岩并没有破坏，仍具有承载能力；底板中部最大拉应力区及塑性区范围较小，且拉应力向下传递的范围浅；由此说明，原支护方案在巷道底板无水软化情况下，可以保持巷道的稳定性，且据现场实测，掘进初期巷道变形不大。当巷道底板受水的影响而发生软化时，巷道两帮围岩压应力峰值有向深部转移的趋势，巷道底板中部拉应力区及塑性区范围大，且向深部传递的范围大，巷道底鼓严重。有水软化时底板中线处的垂直位移量如图4所示，由图4可知，巷道底板受水软化时底鼓量为370mm，巷道底板影响范围为4m，然后趋于稳定。

图4　底板中线处的垂直位移量

4软岩水仓围岩支护技术

4.1井底水仓巷道锚网喷支护技术

巷道开挖后采用锚网喷支护。锚杆采用规格为φ22mm×2400mm的树脂锚杆，锚杆间排距为800mm，采用端头锚固，每根锚杆采用MSK2355和MSZ2355树脂药卷各1卷，锚杆锚固力不低于50kN；金属网直径为6.5mm，网孔规格为100mm×100mm；喷射混凝土强度等级为C20，混凝土厚度为120mm，铺底混凝土强度等级为C15，混凝土厚度为150mm。巷道锚网喷支护结构如图5所示。

图5　巷道锚网喷支护结构

4.2全断面混凝土浇筑支护技术

由上述分析及数值模拟结果可知，水仓内的水对底板铝土泥岩的软化作用是引起水仓巷道底鼓的重要因素。由此，提出在原锚网的基础上进行全断面混凝土浇筑，浇筑厚度为350mm，以加强巷道底板支护，有效隔绝水对水仓底板的软化影响。

全断面混凝土浇筑支护技术的优点：

(1)及时封闭性水仓底板的铝土泥岩属于膨胀性软岩，遇水易弱化，全断面混凝土浇筑支护可及时有效地封闭围岩，以防止围岩风化崩解，吸水弱化。

(2)整体支护性全断面混凝土浇筑对水仓底板进行了加强支护，促使围岩形成整体承载拱，围岩受力均匀，以防止围岩底板出现局部弱支护[9]，而造成水仓底鼓，帮裂。

5支护效果分析

巷道开挖以后及时进行锚网+全断面混凝土浇筑支护，随后设置测站进行巷道变形监测。监测结果显示：水仓巷道顶底板及两帮的变形速率分别近似为0.65mm/d，0.82mm/d和0.59mm/d。60d后巷道基本趋于稳定，顶板总下沉量为39.87mm，总底鼓量为50.15mm，两帮总位移量为35.70mm，实现了对水仓底鼓的有效控制。

6结论

(1)水仓初始支护采用锚网喷支护，喷射的混凝土厚度较薄，巷道底板压曲破坏，水渗入底板裂隙，将底板软岩弱化，导致底鼓量达0.5m，进而影响巷道两帮及顶板围岩的稳定性。

(2)通过对水仓巷道变形破坏理论分析与数值模拟，提出了在原锚网基础上进行全断面混凝土浇筑支护技术，并阐述了其及时封闭性和整体支护性的优点。通过工程实践证明，水仓巷道底鼓量降至50.15m，顶板下沉量降至39.87mm，两帮位移量降至35.70mm，实现了对水仓巷道底板的有效控制。

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[责任编辑：王兴库]

Failure Mechanism and Supporting of Water Sump with Soft Surrounding Rock

[收稿日期]2015-08-31[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.020

[作者简介]王文江(1977-)，男，辽宁新民人，工程师，主要从事煤炭技术和安全管理工作。

[中图分类号]TD353

[文献标识码]B

[文章编号]1006-6225(2016)03-0075-03

[引用格式]王文江，孙颜顶.软岩水仓变形破坏机理与支护技术[J].煤矿开采，2016，21(3)：75-77.