围岩烧变对斜井稳定性的影响机制及其控制研究

刘志恒 袁 永 柯发宏,2 袁超峰

(1. 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221116； 2. 陕西麟北煤业开发有限责任公司，陕西省宝鸡市，721599)

陕北、内蒙古、新疆等地区烧变岩分布广泛，其岩体裂隙发育，孔隙率和含水率较高，完整性极差，受扰动影响后极易产生流变破坏、顶板垮落冒顶等矿山灾害，是矿山建设及煤层开采的主要工程地质问题之一。国内地质、资源探勘和煤炭系统针对烧变岩的成因、分类、水文地质特征和工程特性等方面做出大量的理论和工程研究并取得丰硕成果，揭示了烧变岩的空间分布形态、地球物理特征以及与地下水的作用关系等，但针对烧变岩这类特殊软岩的支护技术研究较少。凉水井煤矿2#副斜井在过烧变岩区的掘进过程中，产生了不同程度的冒顶、片帮等破坏问题，严重威胁矿井施工的安全，因此，解决烧变岩区的围岩稳定性控制问题，提出合理的支护技术与参数，对保障井筒的长期稳定具有重要的现实意义。

1 工程地质特征

1.1 地质条件

凉水井煤矿位于陕北榆神矿区，为承担矿井北部区域辅助运输任务，矿井设计布置2#缓坡副斜井。为加快施工进度，从井底基岩段开始反掘，斜井反掘期间揭露岩性以细粒砂岩和粉砂岩为主，先后穿过底板粉砂岩、3-1煤层、烧变岩及风化岩，其中预计穿烧变岩长度为220 m，如图1所示。

图1 斜井地质剖面图

1.2 烧变岩物理特性

基于凉水井煤矿地质报告及补充勘查报告，揭露烧变岩主要呈现如下特征：岩石烧变后呈棕红色、紫杂色等，岩层破碎成不规则块状、片状，整体表现出完整性差、紊乱支离破碎等特性；裂隙孔洞发育，导水性强，受上方含水层补给影响富水性较强，且遇水松软易崩塌，严重时呈流淌状；岩石含有较高的粘土矿物，具有膨胀特性，极易风化潮解，且受采动影响敏感；孔隙率和吸水率有所上升，力学性能大幅降低，大大丧失承载能力。岩石物理力学参数见表1。

表1 岩石物理力学参数

2 岩体烧变对斜井围岩稳定性影响机制

2.1 岩体烧变后强度劣化

大量研究和实践表明，围岩松动圈厚度可以作为衡量围岩状态及支护分类的重要指标，基于Hoek-Brown强度准则求得围岩松动圈半径R1为：

式中：R0——巷道半径，m；

σc——岩体单轴抗压强度，MPa；

pi——支护强度，MPa；

m、s——松动区的Hock-Brown常数；其中：

式中：mi——完整岩石的Hock-Brown常数，由岩石种类决定；

GSI——岩体完整性的地质强度指标；

D——表征岩体受扰动程度因子。

由式(1)、式(2)和式(3)可以看出，围岩松动圈厚度L是一个与巷道半径、围岩强度、支护强度、岩石性质、岩体的完整性和受扰动程度因子等因素有关的复杂函数，是一个多因素影响的系统问题，即：

L=f(R0,σc,Pi,mi,GSI,D)

(4)

由式(4)可知，巷道围岩松动圈与岩体完整性和受扰动程度因子间的关系曲线如图2所示。

图2 松动圈厚度与部分参数关系

由图2可以看出，凉水井煤矿2#副斜井烧变岩区原岩为粉砂岩，块状结构，整体强度和完整性较好，GSI基本达到70以上，松动圈厚度为0.5～1.5 m左右，属较稳定围岩；岩体烧变后基本为碎裂结构，长石等不稳定矿物风化成粘土矿物，遇水后更是软化成泥糊状，开挖后易坍塌，地质强度指标不足50，松动圈厚度大于3.0 m，属极软围岩，支护不当时极易失稳。岩体烧变前强度和完整度较高，随受扰动程度增加，松动圈厚度增幅很小；岩体烧变后，地质强度指标降低，受扰动因子对围岩稳定性影响显著增加。烧变岩体采用炮掘工艺掘进时，爆破产生的应力波加剧围岩裂隙的产生和扩展，一方面降低了围岩的完整性，另一方面增加了岩体受扰动程度，围岩从暴露到完全丧失稳定性甚至产生冒落的时间急剧缩短，斜井开掘后，有时甚至来不及实施支护，表面便出现较大变形；松动圈厚度大幅增大，深处围岩也会发生较大位移，岩体间的相互作用力减小，塑性区范围进一步扩大，最终导致围岩整体大面积失稳。

2.2 裂隙水弱化作用

掘进工作面位于萨拉乌苏组中等富水区，掘进过程中伴有滴水、淋水现象，出水量大，岩体基本为饱水状态。根据表1中的力学参数，利用FLAC3D模拟软件建立数值计算模型，模型尺寸为40 m×20 m×40 m，侧压系数取1.2，模型四周及底部固定约束，上边界施加2.6 MPa面力等效上覆岩层重力。模拟结果分别如图3、图4和表2所示。

图3 围岩塑性区分布

围岩状态顶板/mm底板/mm帮部/mm干燥9.9410.7610.70饱水149.62140.87128.96

由模拟结果可知，烧变岩在干燥状态下，塑性区扩展深度为0.2 ～0.7 m左右，最大垂直应力为8.06 MPa，位于斜井底角处，顶底板及两帮变形量基本在20 mm左右；烧变岩在饱水状态下，顶板及两帮塑性区扩展深度为2.2～2.7 m，底板达到3.6 m，最大垂直应力为4.23 MPa，主要分布在两帮距斜井表面约2.0 m处，较干燥情况下顶底板及两帮低应力区有明显增加，围岩变形量增幅达到12～15倍。

图4 围岩垂直应力分布

综上所述，烧变岩在干燥状态下虽然较原岩强度有所降低，但仍具有一定的承载能力。由于地下裂隙水的存在，在水-岩力学耦合作用下加剧了裂隙的发育程度，围岩抗剪强度及力学性能进一步降低；水—岩物化耦合作用下岩体内胶结物被冲刷、溶解，降低了岩体块与块之间力的联系，加剧了大块岩体的崩解、膨胀和泥化。此外，在开挖后围岩尚未全封闭时，受潮岩体在水压的作用下更易向自由面移动，发生流变现象。

3 烧变围岩斜井支护技术研究

3.1 支护方案设计

3.1.1 合理注浆堵水

研究认为，消除或减弱掘进过程中裂隙水对岩体的弱化影响的关键是减少裂隙水与围岩作用的机会，通过对涌水量大的区段采用预注浆堵水加固，封堵围岩裂隙，改变上覆岩层水的流动路径，降低斜井围岩的含水率，以减少水对围岩的软化和冲刷，提高围岩的强度。

3.1.2 支护方式选择

由于围岩强度低，松动破坏范围大，普通的锚杆支护锚固区一般都在围岩的塑性区或破碎区内，可锚性与锚固力较低，难以适应巷道的非线性大变形，无法实现锚杆预期支护效果。U型钢支架作为骨架结构和混凝土共同形成封闭承载机构是一种有效的支护方式，但围岩来压快时存在滞后效应，同时对于提高围岩强度、充分发挥围岩自承能力方面作用有限。研究表明，超前管棚不仅能起到物理上的刚性支撑作用，还可以通过结合注浆技术提高围岩力学参数和完整性、改善围岩受力状态，同时可封堵裂隙，有效隔水，在裂隙发育、岩体破碎、断层较多等IV～VI级围岩条件下效果显著。

3.1.3 支护设计及工艺流程

综合前文分析，针对烧变岩体物理力学特性，支护的关键不在于开挖后的支护强度和时机，更重要的是消除开挖前围岩本身强度劣化，充分发挥围岩承载能力。因此提出“管棚撞契+U型钢”一次支护，“砌碹+壁后注浆”二次支护的支护方案，具体工艺流程为：先探后掘、注浆堵水、超前管棚、短掘短支(挖掘机破岩，U25型钢支护)、二次衬砌。

3.2 支护参数设计

3.2.1 注浆参数设计

注浆材料选用高水速凝材料，水灰比为1.6∶1～1.8∶1，起始压力0.8～1.0 MPa，浅孔注浆压力2.0～2.5 MPa，深孔注浆压力2.5～3.0 MPa。

注浆孔布置如图5所示，在工作面前方布置3排3列眼，按不同的设计角度向顶板上方倾斜，注浆后可以形成不同的控制范围，最长控制范围约为12 m，浆液扩散半径约1.5 m。钻孔孔径65 mm，顶板眼沿巷道拱部轮廓线布置，中间眼距轮廓线900 mm，底排眼距轮廓线1500 mm，钻孔布置法线均与拱部轮廓线垂直，每掘进10 m布置1组注浆眼。

3.2.2 施工断面支护设计

(1)超前管棚。在迎头按一定角度在拱基线以上沿巷道轮廓线呈扇形施工超前管棚护顶。管棚选用6分钢管，长3 m，间距300 mm，巷道外沿5°，外留500 mm搭接在支架上，确保超前距最小1000 mm。巷道断面支护设计如图6所示。

图5 预注浆孔布置示意图

(2)架棚、挂网：每开挖500 mm后开始架设U25型钢支架，架间距500 mm，顶部挂钢筋网，并用木背板刹帮背顶。架棚支护循环进尺500 mm，支架迎山角为1°～2°。

(3)砌碹：二次砌衬选用标号C30砼，壁厚450 mm，滞后初期支护1.5～4.5 m。

图6 烧变岩区斜井断面支护设计图

3.3 支护效果分析

通过对4个测站为期5个月的科学观测，斜井的围岩变形在54 d左右基本达到稳定，其中顶底板相对移近量增加了24～35 mm，两帮相对移近量增加了28～36 mm，围岩整体变形不大。

4 结论

(1)通过地质探勘以及理论、数值分析，揭示了浅埋烧变岩区斜井围岩失稳机理，其中岩石烧变后强度劣化以及裂隙水的软化作用是影响斜井围岩稳定性的主控因素。

(2)提出预注浆堵水、“管棚撞契+U型钢”一次支护，“砌碹+壁后注浆”二次支护的支护方案及施工工艺，并在现场进行了工程应用，实现了烧变岩区斜井围岩的安全控制。

(3)对于未注浆区，施工时可以考虑采用锚索进行局部补强，进一步增强“棚+砌碹+注浆”系统的承载能力。