吕玉广，乔 伟，肖庆华，张永强，韩 港，刘建荣

(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；2.内蒙古上海庙矿业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 016299)

内蒙古上海庙能源化工基地是国家级能源化工基地，主要依托上海庙矿区煤炭资源开发建设。在煤炭资源开发过程中遇到许多软岩工程难题。采场底板软化、泥化引起采煤支架陷底、底鼓进而使刮板输送机上抬；回采巷道人工反复挖底，总量可达20.6 m，是原巷道高度的5.3倍。国际岩石力学学会定义单轴抗压强度(UDS)介于0.5～25.0 MPa的岩体为软岩[1]。何满潮[2]将软岩划分为膨胀性软岩、高应力软岩、节理化软岩、复合型软岩。膨胀性软岩的膨胀能力受岩体中膨胀性矿物的种类和含量多少影响[3-4]。软岩在结构上具有软弱、破碎、松散的特征，在力学方面具有低强度、强流变、易膨胀、高风化特点[5-6]，工程上表现出长期流变、矿压显现迅速等特征，容易导致井巷工程失稳[7]。

缪协兴[8]提出软岩巷道围岩流变大变形有限元计算方法；荆升国[9]提出高应力破碎软岩巷道棚—索协同支护技术；何满潮等[10]从时间、空间、方法等角度提出巷道耦合支护理论；奚家米等[11]从小煤柱或沿空掘巷位置方面提出巷道变形控制方法；谢福星等[12]提出多重耦合巷道变形控制技术。前人多以高应力软岩为研究对象，其与西北侏罗纪弱胶结软岩存在本质区别，且多致力于巷道底鼓变形控制研究[13]，鲜有涉及采场问题；同时支护措施侧重于解决工程力问题，忽视了岩体这种双相介质中水—岩相互作用影响[14]。许兴亮等[15]认识到水是膨胀性软岩泥化的诱因，注浆阻断诱因有利于稳定围岩。但此类软岩可注性差，注浆阻断水诱因可操作性不强。

西部侏罗纪煤系地层具有弱胶结、低强度、高膨胀、富含水等特点，工程问题不限于巷道变形，也包括采场底鼓、泥化、采煤支架陷底、掘进机陷底、泥煤等，水—砂混合溃涌亦为该地层条件下典型的工程难题之一[16]。笔者以内蒙古上海庙矿区为研究对象，提出软岩劣化效应概念及基于水诱因的劣化控制技术体系，以期对同类软岩劣化工程治理及其控制提供指导和借鉴。

1 软弱岩体工程地质特性

1.1 弱胶结性

1)胶结物对岩石强度的影响

胶结物不同的2种砂岩见图1，其颗粒物矿物成分以石英、长石为主。图1(a)为钙质胶结砂岩，坚硬，单轴抗压强度为46.1 MPa；图1(b)为泥质胶结砂岩，单轴抗压强度仅为5.6 MPa。可见胶结物对其强度影响显著。

(a)钙质胶结砂岩 (b)泥质胶结砂岩

侏罗纪煤系地层为砂泥质互层型沉积结构，绝大多数砂岩为泥质胶结，少数为钙质胶结，这种软+硬型地层结构为采后覆岩内离层的产生提供了物质基础[17]。

2)崩解性试验

先将砂岩置于水中，砂岩浸水后随即碎裂，3 min 后崩解为散砂，再将崩解物倾倒入盆中。泥质胶结砂岩浸水崩解试验过程如图2所示。

图2 泥质胶结砂岩浸水崩解试验过程

试验结果表明，泥质胶结砂岩遇水容易崩解，推断其在水动力下具有流砂属性，能够形成水—砂混合流体，为基岩突水溃砂提供了砂源。

1.2 低强度

岩石单轴抗压强度0.5～25.4 MPa，平均 5.9 MPa，极少数超过40 MPa，力学强度低，属典型的软岩。

1.3 高膨胀性

1)膨胀性矿物

采用X射线荧光光谱分析矿物成分，分析结果见图3。泥岩中石英平均质量分数为52.23%；高岭石平均质量分数为31.06%；伊利石平均质量分数为10.67%；蒙脱石平均质量分数为6.78%。

1—石英标准卡片；2—高岭石标准卡片；3—伊利石标准卡片；4—蒙脱石标准卡片。

伊利石、蒙脱石等矿物吸水后体积膨胀，是工程劣化的内在因素之一。

2)膨胀性试验

在常温(25 ℃)下采用瓦氏膨胀仪做泥岩膨胀性试验，岩石膨胀率历时变化曲线如图4所示。可以看出，试验开始后前30 h膨胀率快速增高，随后趋于稳定，最大膨胀率为0.325%。

图4 岩石膨胀率历时变化曲线

试验表明，泥质岩体具有高膨胀性，膨胀扩容产生膨胀应力挤压支护体系，是工程劣化的关键因素之一。

3)水解试验

将泥岩样本浸入清水中，5 min后其完全碎裂，稍作搅动即变成泥浆。(泥)岩水解试验过程见图5。

(a)泥岩样本 (b)岩石碎裂 (c)搅动成泥浆

试验结果表明，泥岩遇水极易泥化、水解，是工程劣化的又一重要因素。

1.4 富水性

1)水文地质条件

多年来井下疏放水钻孔施工情况表明，“有砂岩就有水，出水必带砂”。新上海一号煤矿吨煤排水0.36 m3，2014年采煤工作面顶板突水溃砂，短时水砂量达到2 000 m3/h；榆树井煤矿吨煤排水0.74 m3。该地层可以被称为富水软岩。

2)含水率对岩石力学强度的影响

根据各类岩石含水率与岩石抗压强度试验数据，取其平均值后绘制岩石抗压强度与含水率的关系曲线，如图6所示。

图6 岩石抗压强度与含水率的关系曲线

试验结果表明，岩石吸水饱和度越高其抗压强度越低。

2 劣化效应概念与工程特征

2.1 劣化效应概念

将弱胶结膨胀性富水软岩条件下表现出来的突水溃砂、泥化、蠕变、底鼓、收敛、闭合、支护体系受损等一切非稳定工程现象，统称为软岩劣化效应。岩体自身条件是劣化内因，水是诱因。

2.2 劣化工程特征

1)弱胶结性+富水性引起突水溃砂

图7是锚索孔出水与泥砂堆积现场照片。巷道顶板锚索孔(ø30 mm)出水，单孔水量6 m3/h；水携带的泥砂在巷道内出现堆积。

(a)锚索孔出水 (b)水中含砂

煤层顶板岩层具有一定的富水性，引起顶板淋水大或钻孔出水；弱胶结砂岩在水流动状态下迅速崩解并被水携带。

采煤工作面回采过程中，容易发生水—砂混合突涌事故。2014年7月28日，111084工作面推进141 m时架前顶板出水，短时最大水量2 000 m3/h，总水量约23.3万m3，携带泥砂量约3.58万m3，工作面被泥砂掩埋。这是近年来侏罗系煤田典型的地质灾害之一，危害性较大。

2)膨胀性+水引起巷道泥化、膨胀扩容

巷道底板(岩石)泥化现象如图8所示。掘进机机身陷入巷道底板无法正常行走；巷道底板泥化，人员行走困难。泥化现象影响掘进速度、降低反底拱喷浆质量。

(a)掘进机下陷 (b)人员行走困难

采煤工作面泥化与膨胀扩容现场照片见图9。采煤工作面顶板淋水量大，可搭设雨棚降低水的影响；巷道上部为煤体，下部为岩体，岩体吸收空气中水分后膨胀扩容，形成宽约1 200 m的错台。

(a)采煤工作面泥化现象 (b)巷道膨胀扩容

采煤工作面水—岩相互作用造成工作面底板软化，综采支架陷底，推移困难；底板鼓起、刮板输送机上抬，致使采煤机通行高度不足，影响采煤效率；同时形成大量泥煤，容易堵仓，进入选煤场洗选难度大、影响煤质。

3)综合作用巷道大变形

岩体自身胶结性弱、强度低、承载能力差，巷道容易失稳；岩体吸收空气中水分后膨胀扩容产生膨胀力挤压支护体，可能会导致巷道大变形甚至巷道报废。失稳巷道图片见图10。

(a)准备巷道大变形 (b)回采巷道闭合

3 软岩工程劣化控制技术

3.1 控制技术体系

10余年来在实践中探索、探索中实践，总结出“治软先治水”核心理念，提出基于水诱因的“大水防控、小水管理、强化支护、协同治理”十六字方针，形成一套技术管理体系。软岩工程劣化控制技术体系如图11所示。

图11 软岩工程劣化控制技术体系

3.2 大水防控

“大水防控”是传统意义上防治水工程技术人员的工作职责，防止水害事故发生。“疏干开采”技术可改变地层富水性条件，预置导流管措施可改变离层空间汇水时间条件等，从而达到大水防控的目的。

3.2.1 疏干开采

疏干开采技术管理流程如图12所示，结合图12作如下说明：

图12 疏干开采技术管理流程

a.掘进前评价。在采掘工程设计前进行初步评价，勘探程度不足时则需要进行水文地质补充勘探。

b.掘进前预评价。运用“双图评价技术”[18]或“多类型四双工作法”[19]评价煤层顶板富水性规律、预计疏干水量。“疏干水量”可作为采前安全评价的量化判据。

c.疏放水钻孔设计。根据富水性评价成果图设计疏放水钻孔密度、平面夹角，钻孔仰角由工作面宽度及导水断裂带高度共同确定。

d.疏放水钻孔施工。与巷道掘进同步进行，回采设备安装前完成放水孔施工。

e.地球物理探查。疏放水孔完工后，采用地球物理勘探手段查找富水异常区(疏放水盲区)。

f.钻探验证。对物探发现的富水异常区打孔验证，若单孔水量超过1 m3/h则需要加密钻孔。

g.编制采前评价报告。当实际放水量与预计的疏干水量相差较大时需要分析原因，结合孔内残余水量，做出可采或缓采结论。

h.正式回采。回采过程中动态观测顶板淋水量、放水孔水量，以及导流管水量变化情况，必要时采取补救措施。

i.采后总结。工作面回采结束后，对富水性评价方法、钻孔设计、物探效果等进行全面总结。

疏干开采作为水害源头治理技术可实现无水状态下开采，有效防止突水溃砂。

3.2.2 预置导流管

导流管作为“大水防控”兜底性措施，在工作面下巷每隔100 m预先下入钢质导水滤管，一旦形成离层水体可及时导出。

3.3 小水管理

“小水管理”属于生产管理范畴，在生产活动中管理好顶板淋水、底板渗水、生产用水等，确保水不落地，努力减少水与围岩(岩石)接触机会。

1)定向钻孔疏放。掘进工作面采用千米定向钻机打长孔放水，每组3个钻孔，钻孔轨迹线控制在煤层顶板上方6 m左右的层位(由锚索长度决定)，中孔位于巷道中轴线上，侧帮孔与中孔平距6 m左右。一次钻深600～800 m，保留20～30 m超前距，掘进与放水孔交替施工。

2)漏斗接水。在井下零星的淋水点安装漏斗状容器接水，漏斗下方连接软质胶管，将水导入上一级较大直径的水管内。

3)广布雨棚。当出现大面积淋水时搭设雨棚接水，用金属网做成槽状骨架，敷上废旧风筒布做成雨棚，一端略倾斜，以漏斗状容器接水并用软管导入上一级排水管。

4)软管导流。通过由细至粗的导水软管逐级将水就近导入水窝或集中水仓，巷道内不设水沟。

5)集中排放。巷道开门后优先施工集中水仓，水仓有效容积不小于30 m3，上平巷施工1个水仓，下平巷施工2个水仓。每个钻机硐室附近施工1个2.0 m×2.0 m×2.5 m(长×宽×深)水窝。ø225 mm主排水管路滞后掘进工作面不大于60 m，每隔100 m安装一个ø50 mm三通阀。

6)水窝泄压。巷道底板赋存不稳定的砂岩，富水性弱、静水压力大(4 MPa以上)，水压作用于隔水层上导致底鼓加速，需要挖深水窝泄压。

7)喷浆覆盖。凡裸露岩体均应及时喷浆封闭，缩短岩体在空气中的暴露时间，弱化膨胀扩容效应。

8)底拱隔水。巷道底板开挖成倒拱形，拱高约40 mm，采用锚杆、金属网、C20混凝土支护形成反底拱，起到隔绝水岩作用，同时加强围岩承载能力。

3.4 强化支护

支护是控制围岩变形的基本手段，“强化支护”强调支护材料的强度和支护体系的刚度，本文仅作原则性说明。

1)弧形断面原则

“O”形断面承载能力最好但断面利用率最低，矩形断面的断面利用率最高但承载能力差，为兼顾两者的优势，宜采用弧线形断面，巷道顶板设计为半圆拱，底板为三心拱，缩小直墙高度。

2)全断面支护原则

软岩巷道底鼓量远大于顶板下沉量，势必造成两帮收敛，底鼓变形量>两帮收敛变形量>顶板下沉量，坚持全断面支护原则，更要强化底板支护。巷道底鼓模型及底鼓现场照片如图13所示,岩层产状近于直立。

(a)底鼓模型 (b)底鼓照片

3)联合支护原则

3种代表性巷道支护设计如图14所示。

开拓巷道：宜采取锚网(索)+全断面钢筋混凝土砌碹联合支护方式(见图14(a))。

准备巷道：宜采用双层锚网(索)+喷浆+反底拱联合支护方式(见图14(b))。

回采巷道：宜采用单层锚网(索)+喷浆+反底拱联合支护方式(见图14(c))。

(a)开拓巷道 (b)准备巷道 (c)回采巷道

4)大密度支护原则

锚杆、锚索等杆件的间排距宜适当缩小，实践证明700 mm×700 mm间排距的锚杆支护效果明显优于800 mm×800 mm间排距的支护效果。锚杆、锚索宜适当加长，锚杆以2.8 m长为宜，锚索可以加长到7 m甚至10 m。特殊地段可采用长度4.0 m的锚索替代长度2.8 m的锚杆，或两者交替布置。

5)及时支护原则

底板锚杆角度与岩层层理关系见图15。

由图15可知，新开掘巷道底板锚杆基本垂直于岩层面，形成组织梁或压缩梁；底鼓变形后经过人工挖底再施工的锚杆与岩层近于平行，此时支护效果不理想，因此特别强调工程质量管理，做到“一次做成、一次做好”。

6)下行布置原则

采煤工作面布置方式本不属于支护范畴，连续布置的采煤工作面总有一条巷道与采空区相邻，邻空侧巷道在回采过程中矿压显现远比非邻空侧巷道剧烈，支护难度更大，支护要求有所区别，故纳入“强化支护”体系内。

为弱化动压对邻空巷道的影响，坚持“上行布置的工作面上行运煤，下行布置的工作面下行运煤，尽量采用下行布置”的原则，始终保持大型机电设备处于非邻空侧巷道内，邻空巷道变形后能满足通风、行人基本要求即可。

3.5 协同治理

弱胶结高膨胀富水软岩带来的工程难题涉及安全、效率、煤质、成本等多个方面，必须坚持“治软先治水”理念，坚持水与软岩协同治理原则。

4 工程效果

1)保障安全生产。2015年以来全面采取“大水防控”技术措施，疏干开采、预置导流管等源头治理技术措施效果明显，近年已回采了11个工作面，开采原煤约2 000万t，未发生过水害事故。

2)采煤效率提升。2014年以前回采了13个工作面，日均采煤工效22.5 t/人；2015年以来回采了11个工作面，日均采煤工效为123.1 t/人，工效提高了4.4倍。

3)掘进效率提升。2014年以前回采巷道平均月成巷190.6 m，接续失调。近年来平均月进度达到460.0 m，2020年4月成巷进度620.3 m，创历史新高。

4)巷道变形控制效果。通过观测数据对比，2014年以前施工的巷道断面收敛率超过40.7%，返修工程量大；近年来断面收敛率最大10.67%，无需返修即可以满足安全生产要求。

5 结论

1)软岩带来的工程难题不限于巷道大变形，还涉及突水溃砂、围岩弱化泥化、膨胀扩容、支护体系损伤、设备陷底等一系列工程现象，劣化效应涵盖了由软岩引起的所有非稳定工程现象，研究目的由软岩治理转化为软岩劣化效应控制。

2)弱胶结高膨胀富水软岩具备弱胶结、低强度、高膨胀量、富水等特点，岩层(石)条件是工程劣化的内因，水是诱因。在内因无法改变的情况下，通过控制诱因达到控制软岩工程劣化目的。

3)“治软先治水”是软岩工程劣化控制的核心理念，“大水防控、小水管理、强化支护、协同治理”十六字方针及具体措施可有效解决软岩工程劣化难题。