沐興旺，唐琳，孫承超，王志修

(1.彝良馳宏礦業(yè)有限公司，云南 昭通市 657600；2.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628)

0 引言

近年來，礦產(chǎn)資源需求量不斷增加，礦山開采工作量加大，礦產(chǎn)資源開采地質(zhì)環(huán)境趨于復(fù)雜，地下巷道圍巖普遍出現(xiàn)了較嚴(yán)重的兩幫收斂和底鼓變形等失穩(wěn)現(xiàn)象，給巷道圍巖控制和施工安全帶來了十分嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1-2]。在巷道頂?shù)装迨諗孔冃沃?，底鼓變形為主要破壞形式。巷道圍巖支護(hù)體系作為一個(gè)系統(tǒng)整體，某一部分失效，將造成整個(gè)系統(tǒng)失效。由于認(rèn)識(shí)上的不足和施工條件等因素限制，底板往往處于不支護(hù)或者弱支護(hù)狀態(tài)，即便經(jīng)過加固的底板，效果也并不理想，所以底板已經(jīng)成為巷道支護(hù)體系的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，是造成巷道失穩(wěn)的關(guān)鍵部位。底鼓問題已引起了許多學(xué)者的廣泛重視，一直是巷道支護(hù)研究的熱點(diǎn)問題。

王衛(wèi)軍等[3]提出加固兩幫控制深井巷道底鼓的構(gòu)想，并利用工程實(shí)踐進(jìn)行了證明。初明祥等[4]采用多種研究方法，對(duì)采空側(cè)巷道底鼓的特征、形成原因、形成機(jī)制及其防治技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究，并提出了防治對(duì)策。孫利輝等[5]認(rèn)為巷道發(fā)生強(qiáng)烈底鼓是高應(yīng)力、巖石遇水膨脹、支護(hù)結(jié)構(gòu)不合理等因素綜合作用。張官禹等[6]提出軟巖巷道底鼓的破壞機(jī)理并給出了對(duì)應(yīng)控制技術(shù)措施。楊軍等[7]研究底角錨桿控制底鼓的作用機(jī)理并優(yōu)選底角錨桿控制底鼓變形。鄧博團(tuán)等[8]采用理論分析和室內(nèi)試驗(yàn)方法，進(jìn)行巷道底鼓發(fā)生機(jī)理分析，隨后提出了底鼓支護(hù)方案。柏亞輝等[9]提出采用反底拱配合錨注加固的底鼓控制方法。王羽揚(yáng)等[10]揭示底鼓的變形破壞特點(diǎn)及破壞機(jī)制，相應(yīng)提出了底鼓控制對(duì)策。王樹明等[11]分析巷道幫部極限平衡區(qū)寬度和底板破壞深度，為巷道底板的支護(hù)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

本文在總結(jié)他人研究成果的基礎(chǔ)上，著重分析了高應(yīng)力環(huán)境軟巖巷道底鼓破壞機(jī)理，相應(yīng)提出了控制對(duì)策并進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。

1 巷道底鼓變形破壞機(jī)理

彝良毛坪礦760 m 中段主運(yùn)輸巷道是連接Ⅰ號(hào)及Ⅱ號(hào)礦體的重要通道，位于石炭系下統(tǒng)萬壽山組，其本身屬于含煤碎屑巖系，巖體松軟，其上盤為泥盆系上統(tǒng)宰格組，下盤為石炭系下統(tǒng)灰頁巖組，上下盤的巖組巖體強(qiáng)度、硬度相對(duì)較高。同時(shí)，該運(yùn)輸巷道受到附近F29 等較大斷層的切割，處于嚴(yán)重破碎狀態(tài)，遇水容易崩解軟化成泥狀。

目前，該巷道支護(hù)方式為鋼拱架+噴射C20 混凝土聯(lián)合支護(hù)，噴砼厚度為100 mm。原支護(hù)斷面為2.4m×2.6 m，三心拱鋼支架（22 kg/m 軌道加工），現(xiàn)平均斷面縮小為2.33m×2.3 m。巷道底板出現(xiàn)大面積底鼓現(xiàn)象，最大底鼓達(dá)30 cm；現(xiàn)場(chǎng)頂板受壓變形，靠近變形嚴(yán)重一側(cè)設(shè)有水溝。平行于760 m 主運(yùn)輸巷道有一條相鄰巷道，該巷道變形極其嚴(yán)重，現(xiàn)已進(jìn)行充填封閉。

1.1 圍巖性質(zhì)

由于該區(qū)域的巖體極為破碎，在變形巷道位置分別選取了泥盆系及石炭系典型樣品開展點(diǎn)荷載試驗(yàn)，以期獲得需要的點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)和換算的飽和單軸抗壓強(qiáng)度值，測(cè)試結(jié)果見圖1。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：泥盆系巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度相差較為懸殊，最大達(dá)到80 MPa 以上，基本都在30 MPa以上，巖石強(qiáng)度相對(duì)堅(jiān)硬，按照《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50218—2014）屬于較堅(jiān)硬-堅(jiān)硬巖；石炭系巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度較為均勻，均在30 MPa 以下，60%樣品在15 MPa 以下，總體屬于軟巖-較軟巖。同一區(qū)域，巖石強(qiáng)度軟弱也是萬壽山組圍巖巷道發(fā)生大變形破壞的重要影響因素。

圖1 點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果

在巷道大變形區(qū)域選取石炭系巖組進(jìn)行物化成分的背散射電子及能譜試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該巖石試樣中脈石礦物絕大部分為伊利石-蒙脫石，約占70%～80%，少量石英，偶見方解石。通過試驗(yàn)可知，石炭系巖組含有伊/蒙混層礦物，伊/蒙混層是典型的親水礦物，遇水容易發(fā)生流變大變形，該礦物具有顯著的膨脹特性，現(xiàn)場(chǎng)可以看出，遇水后石炭系巖組呈現(xiàn)泥質(zhì)特征，強(qiáng)度降低明顯。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造及構(gòu)造應(yīng)力

由于該巷道位于石門坎背斜區(qū)域，且石炭系圍巖具有一定的膨脹性，因此，控制了巷道圍巖的工程巖體物理力學(xué)性質(zhì)，巷道抵抗外界破壞力的程度及自身承重能力大大降低。根據(jù)實(shí)測(cè)，該區(qū)域720 m水平附近的最小主應(yīng)力值為5.23 MPa，最大主應(yīng)力值約為11.94 MPa，最大主應(yīng)力方向?yàn)?15.75°，最大主應(yīng)力傾角為1.49°，最大主應(yīng)力近水平，推測(cè)760 m 中段的最大主應(yīng)力值接近11 MPa，最大主應(yīng)力值接近石炭系巖石強(qiáng)度值，因此，容易導(dǎo)致開挖巷道受到較大應(yīng)力集中影響發(fā)生破壞。

1.3 原始支護(hù)形式問題

該巷道主要采用拱架+噴砼支護(hù)方式，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查，存在如下問題。

（1）由于該區(qū)域地應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度相近，導(dǎo)致巷道圍巖破碎范圍較大，為裂隙水漫延提供了路徑，石炭系巖組巖中具有親水性黏土礦物組分，遇水易膨脹，隨時(shí)間增加，裂隙水長期浸泡圍巖，致使原支護(hù)結(jié)構(gòu)難以維持巷道穩(wěn)定。

（2）僅采用被動(dòng)支護(hù)形式，即鋼拱架+噴砼支護(hù)形式。該支護(hù)不能控制軟巖巷道變形，由于軟巖巷道變形是具有時(shí)空效應(yīng)的破壞過程，不僅要采用“讓壓”模式，還要采用“支護(hù)”才能全面控制巷道變形，原始支護(hù)僅考慮支護(hù)狀態(tài)，且鋼拱架支護(hù)無法抵抗住軟巖變化。

（3）支護(hù)結(jié)構(gòu)急待優(yōu)化，原支護(hù)結(jié)構(gòu)中缺少對(duì)巷道底部的控制方式，缺少底角薄弱區(qū)域的支護(hù)增阻，導(dǎo)致巷道變形不斷加劇，底鼓隆起30 cm 是由于兩幫應(yīng)力沿底板滑移線轉(zhuǎn)移，隨時(shí)間增加變形范圍不斷增加，該巷道底部多次返修表明，原始支護(hù)結(jié)構(gòu)在水平方向無法滿足水平應(yīng)力的控制要求。

因此，圍巖性質(zhì)、水、地質(zhì)條件與地應(yīng)力及原支護(hù)形式是巷道產(chǎn)生底鼓的主要因素，基于以上考慮，針對(duì)該區(qū)段巷道重新進(jìn)行了支護(hù)設(shè)計(jì)。

2 巷道底鼓穩(wěn)定性控制

2.1 巷道底鼓變形控制對(duì)策

結(jié)合760 m 主運(yùn)輸巷道的底鼓變形破壞特征以及破壞機(jī)制的分析，提出以下對(duì)策。

（1）關(guān)鍵部位加強(qiáng)支護(hù)。巷道重修至設(shè)計(jì)尺寸后，巷道底角依然是薄弱點(diǎn)，在該區(qū)域進(jìn)行鎖控，減少圍巖變形量，改善底板滑移線附近的應(yīng)力狀態(tài)，如圖2 所示，減少應(yīng)力在底角過度集中，配合灌漿反拱可以有效防止巷道發(fā)生破壞。

圖2 底鼓應(yīng)力狀態(tài)及底部控制結(jié)構(gòu)

（2）采用似圓形封閉連體卸壓拱架。利用似圓形封閉連體卸壓拱架釋放剩余膨脹應(yīng)力并控制膨脹變形。

（3）錨網(wǎng)噴索-圍巖耦合支護(hù)：通過錨網(wǎng)噴索整體支護(hù)作用，將錨網(wǎng)噴索與圍巖緊密結(jié)合在一起，共同抵抗變形能和力源，實(shí)現(xiàn)耦合支護(hù)作用。

2.2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)方案采用四心拱近似圓形斷面，支護(hù)采用錨網(wǎng)噴+控頂控幫錨索+底板錨索+似圓形封閉連體拱架的支護(hù)方案。優(yōu)化后的巷道斷面采用四心拱近似圓形斷面，巷道凈斷面為2.4m×2.6 m，設(shè)計(jì)標(biāo)高為2.6 m 以上，反底拱高度為0.515 m；巷道頂板及幫部采用φ22 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，長度為2.2 m，樹脂錨桿間距為0.8 m，排距為0.8 m；底板采用φ18.9 mm 錨索，錨索均勻布置，長度為3.8 m，錨固長度為1.6 m；控頂錨索采用φ18.9 mm鋼絞線，長度為5.3 m，錨固長度為1.6 m。頂板錨索沿巷道走向方向間距為1.6 m，采用“2-2”布置；控幫錨索采用φ18.9 mm 鋼絞線，長度為3.8 m，間距為1.0 m，排距為1.6 m，錨固長度為1.2 m，布置在巷道兩幫；似圓形封閉連體拱架采用22 kg鋼軌制作，拱架間距為800 mm；C20 噴射混凝土厚度為100 mm。支護(hù)方案設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 綜合治理支護(hù)方案

2.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)研究成果，在760 m 主運(yùn)輸巷道中選取一段15 m 的巷道采用新支護(hù)方案進(jìn)行返修施工，為驗(yàn)證支護(hù)效果，在巷道新支護(hù)段布置底角錨索計(jì)，主要對(duì)底角變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。新支護(hù)段在前20 d 變形較為劇烈，變形量一直在增加，30 d 以后變形趨于平緩，基本不再發(fā)生變形。底角最大變形量為 19 cm，新支護(hù)方案成效較為明顯。

圖4 底角錨索變形測(cè)量結(jié)果

3 結(jié)論

（1）通過對(duì)彝良毛坪礦760 m 巷道點(diǎn)荷載試驗(yàn)得出，泥盆系巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度基本都在30 MPa 以上，屬于較堅(jiān)硬-堅(jiān)硬巖；石炭系巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度較為均勻，均在30 MPa 以下，60%樣品在15 MPa 以下，總體屬于軟巖—較軟巖。利用背散射電子及能譜試驗(yàn)得出石炭系巖組含有伊/蒙混層礦物，具有顯著的膨脹特性。

（2）760 m 中段的最大主應(yīng)力值接近11 MPa，最大主應(yīng)力值接近石炭系巖石強(qiáng)度值，因此，容易導(dǎo)致開挖巷道受到較大應(yīng)力集中影響發(fā)生破壞。

（3）通過現(xiàn)場(chǎng)踏勘分析得出，圍巖性質(zhì)、水、地質(zhì)條件與地應(yīng)力及原支護(hù)形式是巷道產(chǎn)生底鼓的主要因素。

（4）根據(jù)巷道底鼓破壞機(jī)理，提出關(guān)鍵部位加強(qiáng)支護(hù)、似圓形封閉連體卸壓拱架、錨網(wǎng)噴索-圍巖耦合支護(hù)支護(hù)對(duì)策，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)表明，支護(hù)完成30 d 后變形趨于平緩，底角最大變形量為19 cm。