深部高应力富水软岩巷道底鼓机理及控制技术

王文利，孙亮明

(1.武汉交通职业学院 交通工程学院，湖北 武汉 430065；2.武汉理工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070)

随着煤矿采深的逐步增加，巷道底鼓变形日益严重，深部巷道中底鼓量能占到顶底板移近量的 2/3～3/4，底鼓严重影响了巷道的正常使用和运输要求，底鼓治理已成为深部高应力巷道支护的突出难题[1-3]。

近年来，相关专家学者[2,4]对深部高应力巷道底鼓机理、影响因素及控制方法开展了大量的研究工作，针对不同底鼓类型提出了相应的治理方法，主要有挖底法、加固法和卸压法[5-7]。挖底法治标不治本，一般用于底鼓不严重的辅助巷道；加固法[8-12]是对底板进行支护，通过提高底板围岩强度来控制底鼓，一般用于主要运输大巷；卸压法[2，13]主要用于高应力巷道，一般与加固法配合使用。注浆加固方法作为一种巷道加固常用的方法，其施工效率高，控制效果好，尤其适用于深部高应力巷道底鼓治理[14-17]。但普通的底板注浆加固技术注浆锚索预应力较低，不能充分发挥底板锚索的支护作用，再加上在底板施工锚索前不进行注浆，致使打设锚索孔时塌孔严重，施工效率较低。

目前，对于深部高应力富水软岩的底鼓变形机理研究相对较少。富水软岩巷道不但应力较高，且岩层强度较低，软岩中的膨胀性矿物质遇水后节理、裂隙急剧增加，进一步降低了岩体的强度和完整性，导致围岩锚固性降低，传统的锚固剂难以在水中对锚杆进行锚固，严重制约了底板锚杆和锚索的锚固作用。针对上述问题，以胡底矿盘区水泵房为试验现场，分析了水泵房底鼓变形破坏机理，基于UDEC-Trigon 离散元模拟方法分析了影响底鼓变形的主要因素，并研发了新型耐水锚固剂，彻底解决了胡底矿盘区水泵房高应力富水软岩的底鼓问题。

1 工程概况及底鼓影响因素

1.1 工程概况

胡底矿位于晋城市沁水县胡底乡，主采3号煤层，该矿井实际生产能力为1.2 Mt/a，目前正在布置盘区水泵房。水泵房埋深700 m左右，布置在3号煤层上部10 m处的砂质泥岩中，泥岩强度低、易风化，具有一定的流变特性，遇水易发生崩解、膨胀变形。水泵房顶板和两帮变形极其严重，局部顶板下沉量达到1.0 m以上，底鼓量达到2.0 m以上，严重影响了水泵房设备的安装。

3号煤层厚度6.07 m，倾角3°，直接顶为泥岩，强度为23.53 MPa，厚度2.89 m；老顶为中粒砂岩，强度为80.24 MPa，厚度4.8 m；直接底为泥岩，强度为30.18 MPa。

水泵房底板的岩层矿物中富含黏土矿物，高岭石占比达到60%以上，强度较低。同时，大巷上部砂岩中富含裂隙水，淋水严重，底板泥岩遇水泥化，从而出现强烈底鼓变形。现场实测的最大水平主应力为25.23 MPa，最小水平主应力为13.76 MPa，垂直主应力为17.50 MPa，属于高地应力区，且最大水平主应力方向与水泵房轴向近似垂直，水泵房受力状态较差。

1.2 底鼓影响因素

整体来看，水泵房变形具有明显的全区域、持续性及连锁性的变形特点，根据水泵房底板变形破坏的特点，可以得出影响底鼓的因素主要有:

1)地应力的作用。盘区水泵房区域属于高应力区，且最大主应力与水泵房垂直，硐室稳定性较差，在高水平主应力作用下底板易出现挤压流动性变形破坏。

2)岩层强度低、底板泥岩遇水软化。水泵房底板岩层中富含膨胀性矿物成分，其高岭石含量达到60%以上，具有很强的遇水膨胀性，实验室实测的岩体饱水单轴抗压强度仅为9.86 MPa，为原岩强度的25%，在水的影响下，底板岩层强度出现大幅度降低，严重影响了底板的稳定性。

3)支护方式不合理。原来的多次加固均是对巷帮和顶板，一直未对底板进行处理，同时，顶板支护时，未处理顶板淋水，导致顶板淋水对底板泥岩影响较大。底板处理以挖底为主，频繁的挖底使底板岩层的整体性变差，更加剧了底板的变形。

2 数值模拟

2.1 数值模型的构建

选取随机多边形块体模型，自定义Fish将多边形块体切割成三角形块体，三角形块体接触模型见图1。

图1 UDEC中的三角形块体及接触示意图

模型赋予的初始地应力场采用胡底矿井下实测数据，模型中的岩体力学参数按照实验室实测的物理力学参数进行折减[2]，折减系数取0.55。模型共7层，由3 430个块体组成，其中巷道中心块体边长为0.25 m。模型整体尺寸为75 m×47 m(长×高)。块体选用莫尔-库仑模型，赋值参数为密度、体积模量和切变模量；接触面选用库仑滑移模型，赋值参数为法向刚度、剪切刚度、接触黏聚力、接触摩擦角和接触面抗拉强度。模型的各参数赋值见表1。

表1 UDEC中块体及接触面的模型参数

2.2 巷道围岩应力分析

为了模拟水泵房开挖过程中围岩应力的演化过程，将巷道开挖过程中的应力释放系数分别定为β=0.2，0.4，0.6，0.8，1.0。当β=1.0时，表示巷道开挖完成，围岩稳定。巷道开挖后主应力σmax分布见图2。

图2 巷道围岩内的最大主应力分布

由图2可见，随着应力的释放，围岩破坏范围逐步向深部转移，当应力释放系数达到0.4时，巷帮呈现楔子型破坏；当应力释放系数超过0.4时，巷帮达到稳定，底板逐步出现破坏；当应力完全释放时，底板破坏范围最大。整体来看，顶板应力释放区较小，巷帮次之，底板最为严重，现场破坏与之相似，见图3。

(a)现场

2.3 巷道围岩位移分析

巷道围岩位移监测曲线见图4，图4中P1～P4分别为顶板下沉、底鼓、左帮变形和右帮变形测点。从图4 中可以看出，巷帮位移增长速度较快，底板次之，顶板最慢。当应力释放系数为0.4时，巷帮和底板位移大约为0.2 m；当应力释放系数超过0.4时，围岩底板位移增加速度超过巷帮，底板位移最大，巷帮次之，顶板最小。

图4 模拟的巷道围岩位移监测曲线

对底板9 m范围内的位移进行了监测，监测结果见图5。从图5中可以看出，底板破坏深度达到 3 m，这说明开挖后底板就已经产生了较深的破坏，再加上后期淋水、挖底的影响，底板破坏深度更大。

图5 位移随底板深度的分布曲线

2.4 巷道围岩破坏模式分析

为了分析底板围岩的变形破坏机制，记录了底板围岩裂隙发育过程，围岩裂纹分布及演化过程见图6。由图6可以看出，巷道开挖后围岩出现拉剪破坏，剪切破坏位于深部，而拉伸破坏主要位于浅部。当应力完全释放后，底板出现大范围的拉伸破坏和剪切破坏，拉伸破坏裂隙密集，围岩在应力作用下向自由空间移近。

注:红色表示剪切破坏；蓝色表示拉伸破坏。

3 深部高应力富水软岩巷道底鼓控制技术

3.1 底鼓控制原则

基于胡底矿盘区水泵房地质环境、底板破坏机理，提出硐室底板控制原则[18-19]如下:

1)底板加固与帮顶协调原则。硐室底板处于全断面中支护强度最薄弱的区域，加固时底板支护强度一定要与帮顶支护强度相协调，避免硐室从关键薄弱环节出现破坏。

2)加固与支护联合控制原则。由于硐室频繁底鼓，多次返修，致使底板破坏深度较深，破坏深度已达3 m以上，浅部底板岩层已非常松软破碎，再加上巷道顶板淋水的影响，底板岩层节理、裂隙极其发育。因此，支护前必须进行注浆加固，以提高底板围岩的强度和完整性，封闭裂隙通道，防止风化的进一步加剧，然后再进行锚索支护，这样才能充分发挥锚索的支护作用。

3)高预应力、全长锚固支护原则。对于返修底板岩层，底板应力已得到释放，底板加固时一定要坚持高预应力支护原则，尽可能采用全长锚固，大幅度提高底板支护刚度，避免底板岩层出现错动、滑移，在锚索锚固区内形成高刚度承载结构，抑制锚固区内出现离层。

3.2 新型防水锚固剂研发

普通锚固剂在有水的钻孔中锚固性能较差，锚固力仅为无水情况下的40%左右，不能充分发挥锚杆(索)的支护作用，易导致围岩仍会出现持续变形。针对胡底矿盘区水泵房的实际情况，自主研发了新型防水锚固剂，其型号为FS2350。该锚固剂以ER-1为树脂，以改性聚酯PM-1为主剂，与粗细石粉混合，配制成A组分，然后选用在水中可以固化的固化剂I与界面剂配制成B组分。锚固剂分为A、B 两种组分，其中m(树脂)∶m(固化剂)=2.5∶1，m(主剂)∶m(固化剂)=5∶1。在实验室对传统锚固剂和耐水锚固剂进行了对比试验，锚索直径为22 mm，锚固长度为 700 mm，锚固后4 h进行拉拔试验，结果发现:在有水的情况下，传统锚固剂锚固力为68.4 kN,新型耐水锚固剂锚固力达到195.4 kN，是传统锚固剂的2.86倍。

新型锚固剂在水中的锚固力要显著大于传统锚固剂的锚固力，其能有效解决底板钻孔在有积水时的锚索锚固问题，为底板锚索的有效支护提供了坚实基础。

3.3 控制方案

由于底板围岩破碎严重，单液浆凝固时间较长，容易跑浆、漏浆，可采用水泥浆和水玻璃双液浆，缩短凝固时间。浆液浓度太低时容易漏浆，浓度过高则不能渗透至较小裂隙中去，宜选用水灰质量比 1∶1 的配比，水泥浆和水玻璃体积比宜为1∶0.4。底板施工钻孔时，宜采用小孔径地质钻机，考虑到排渣方便，直径为45～60 mm为宜，孔深要超过破碎区 2～3 m，围岩破碎时注浆压力不宜过高，注浆压力为 2～3 MPa，压力较低时，浆液渗透范围通常为1～2 m。施工注浆锚索时，为便于打孔，可采用小钻孔地质钻机，钻孔直径45～60 mm。锚索适合的预应力为破断载荷的30%～50%，锚索间排距为自由段长度的1/2，锚索锚固长度通常为2 m以上。综合考虑上述因素，锚索长度不宜小于6 m，间排距不宜大于 2 m。控制方案具体参数如下:

1)底板双液浆注浆。采用水泥浆和水玻璃双液浆，其中水泥浆水灰质量比1∶1，XPM添加剂使用量为水泥质量的10%，水玻璃浓度40 Be′，模数M=3.0，水泥浆和水玻璃的体积比为1∶0.4。

注浆钻孔直径56 mm，孔深6 000 mm，排距 1 800 mm，间距2 000 mm。孔口埋设长800 mm的注浆钢管，直径25 mm，外接球阀，孔内连接5 000 mm长的白塑料射浆管，射浆管与注浆钢管采用铁丝绑扎，注浆钢管与钻孔缝隙采用水泥和棉纱封堵，封堵长度 800 mm，注浆终压2～3 MPa。

2)在水泵房底板全部注浆完成后施工注浆锚索，底板注浆锚索钻孔直径56 mm，深度7 000 mm，锚索直径21.6 mm，长度7 300 mm，排距1 800 mm，间距1 600 mm，采用分次全长锚固。首先采用新型防水锚固剂FS2350锚固，锚固完成后安装钢筋网和 ø20 mm 钢筋梯梁，张拉至250 kN,并进行注浆，形成锚索全长预应力锚固。

3.4 底板变形量监测及分析

在水泵房底板加固后对底板变形量进行观测，监测结果和硐室实物图分别见图7和图8。

图7 水泵房围岩位移曲线

图8 水泵房底板支护状况

硐室底板加固后，对水泵基础进行了浇筑，安装设备，90 d后，底板基础未见明显变化，基础无变形、无开裂的现象。从围岩变形量来看，底板加固后40 d内，底鼓量呈现出逐步增加的趋势，然后在40～60 d内逐步稳定，底鼓量最大仅为23 mm，不影响底板基础的稳定。

4 结论

1)胡底矿盘区水泵房底鼓以挤压流动性底鼓和膨胀性底鼓为主，底鼓呈全区域、持续性和连锁性变形特征。

2)底板锚注技术有效充填了围岩裂隙，提高了围岩的完整性和力学特性，改善了围岩的应力状态，控制效果良好。

3)自主研发了新型防水锚固剂FS2350，该锚固剂能有效解决底板钻孔在有积水下的锚索锚固问题，为底板锚索的有效支护提供了坚实基础。

4)井下试验表明，注浆加固和注浆锚索联合控制技术有效控制了硐室底板围岩变形，有效解决了深部破碎大断面硐室底板围岩的控制难题。