松軟底板巷道圍巖控制研究

劉惠平

（山西焦煤集團(tuán)公司 安監(jiān)局，山西 太原 030024）

深井巷道底鼓的有效控制成為圍巖穩(wěn)定性研究的重要問(wèn)題之一[1]。何滿朝等[2]提出錨網(wǎng)索耦合支護(hù)技術(shù)控制底鼓的力學(xué)作用機(jī)制。劉泉聲等[3]經(jīng)對(duì)高地應(yīng)力破碎軟巖巷道底鼓的變形破壞特性分析，提出以底板超挖、高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨索、深孔注漿、底腳、拱角錨桿和回填為技術(shù)支撐的綜合治理對(duì)策。謝廣祥等[4]采用“超挖錨注回填技術(shù)”新方法有效改善了巷道底板圍巖力學(xué)性質(zhì)和力學(xué)狀態(tài)。本文以某礦受掘進(jìn)擾動(dòng)影響的巷道為例，針對(duì)巷道開(kāi)挖后出現(xiàn)的頂板下沉量大、兩幫變形、底鼓突出等問(wèn)題，經(jīng)對(duì)底板開(kāi)卸壓槽和灌漿方法，有效控制了巷道圍巖變形，效果較好。

1 工程背景

某礦巷道地表標(biāo)高+120～+180 m，巷道標(biāo)高-380～-420m，埋深500～600m，平均550m。該巷道煤層傾角10°左右，平均煤厚2.12 m，單軸抗壓強(qiáng)度11.2 MPa。直接頂為粉砂巖，深灰色，平均厚5.25 m，單軸抗壓強(qiáng)度79.5MPa。基本頂為砂巖及細(xì)砂巖，平均厚19.5 m，單軸抗壓強(qiáng)度為65.7MPa。直接底為灰黑色泥巖，平均厚2.31m，單軸抗壓強(qiáng)度為19.8MPa。老底為火成巖，暗黑色，平均厚2.56m，單軸抗壓強(qiáng)度55.6MPa。

為了保證巷道正常，安全生產(chǎn)，結(jié)合巷道圍巖節(jié)理發(fā)育情況，運(yùn)用FLAC3D模擬軟件對(duì)寬5 000 mm×高2 310 mm的巷道圍巖頂?shù)装搴蛢蓭臀灰七M(jìn)行研究，提出對(duì)底板切卸壓槽和灌漿方法控制底鼓突出，緩解頂板和兩幫的壓力，并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明了該方法的合理性。

2 巷道原支護(hù)條件下數(shù)值模擬分析

2.1 計(jì)算模型建立

通過(guò)FLAC3D有限差分軟件建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ停捎媚?庫(kù)侖準(zhǔn)則判斷巖體的破壞，模型長(zhǎng)54 m，高31.74 m，巷道模擬三維模型。模型中，煤巖層呈水平狀態(tài)，假設(shè)煤巖體分層均質(zhì)各向同性，考慮地質(zhì)構(gòu)造影響，在煤層走向和傾向取垂直應(yīng)力的1.2倍，各單元的自重也予考慮。約束水平位移僅在模型的前、后、左、右四側(cè)，底部約束水平和垂直位移頂部距地表高度475.25 m的巖層厚度通過(guò)在模型上加均布載荷代替，根據(jù)模型設(shè)計(jì)手冊(cè)里2.5 MPa/100 m，實(shí)際加在模型上的壓力11.88 MPa，巷道徑向水平應(yīng)力取14.256 MPa。通過(guò)巷道頂?shù)装鍘r性經(jīng)過(guò)換算確定的煤及各巖層物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 煤及各巖層物理力學(xué)參數(shù)

2.2 巷道原支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

1）兩幫支護(hù)：巷道兩側(cè)錨桿采用φ 22mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，長(zhǎng)度1800mm。樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，采用兩支錨固劑（一支K2335，一支Z2360），采用金屬網(wǎng)護(hù)幫。錨桿排距1000mm，每排2根錨桿，間距1000mm。

2）頂板支護(hù)：錨桿采用φ22 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼，長(zhǎng)度1800mm。脂加長(zhǎng)錨固，采用兩支錨固劑（一支K2335，兩支Z2360），采用金屬網(wǎng)護(hù)頂。錨桿排距1000mm，每排5根錨桿，間距1000mm。錨索采用直徑為22 mm的單根鋼絞線，長(zhǎng)度7 000 mm。加長(zhǎng)錨固，采用三支錨固劑，一支規(guī)格為K2335，兩支Z2360。錨索間距2000mm，每排2根錨索。

2.3 模擬結(jié)果分析

圖1 圍巖垂直位移分布圖

圖1為巷道原支護(hù)情況下的圍巖垂直位移分布圖，頂?shù)装逡平孔畲?65.4 mm，其中頂板下沉量和底鼓量最大值分別為66.7mm和97.7mm。據(jù)此，原支護(hù)對(duì)巷道頂?shù)装遄冃尾荒芷鸬胶芎每刂谱饔茫眯秹悍绞绞蛊湎锏婪€(wěn)定。

3 巷道圍巖開(kāi)槽灌漿卸壓方式

3.1 巷道底板開(kāi)卸壓槽施工工藝

底板卸壓槽在開(kāi)挖巷道30 d后施工，施工采用放松動(dòng)炮和人工輔助開(kāi)挖，因?yàn)樾秹翰圯^深，采用兩次爆破。首次爆破時(shí)，布置雙排眼，眼深不低于700mm，炮眼個(gè)數(shù)不大于20個(gè)，最小抵抗線大于300 mm，裝藥量小于0.125 kg/眼，封泥長(zhǎng)度滿眼封實(shí)，采用連續(xù)正向裝藥結(jié)構(gòu)。首次爆破后，將爆破的矸石從槽里清理出去，保證卸壓槽的深度不低于500mm。卸壓槽內(nèi)如有積水,務(wù)必使用氣動(dòng)隔膜泵將槽內(nèi)的積水排出，然后再打眼，進(jìn)行第二次爆破。第二次爆破布置單排眼，眼深不低于600 mm，炮眼個(gè)數(shù)不大于20個(gè)，最小抵抗線大于300 mm，裝藥量小于0.125kg/眼，封泥長(zhǎng)度滿眼封實(shí)，采用連續(xù)正向裝藥結(jié)構(gòu)。第二次爆破后，開(kāi)挖出寬大約500 mm，深大約1 000 mm的卸壓槽，開(kāi)挖好的卸壓槽上面采用10mm厚的鋼板或20mm厚的木板蓋嚴(yán)，防止工作人員或物品掉入，待卸壓完畢巷道圍巖基本穩(wěn)定后，再用水泥注漿回填封閉卸壓槽。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的原支護(hù)下的圍巖表面位移曲線，見(jiàn)圖2。開(kāi)槽卸壓后的圍巖表面位移曲線，見(jiàn)圖3。開(kāi)槽灌漿卸壓后的圍巖表面位移曲線，見(jiàn)圖4。

圖2 原支護(hù)條件下圍巖表面位移曲線

圖3 開(kāi)槽后圍巖表面位移曲線

圖4 開(kāi)槽灌漿卸壓后圍巖表面位移曲線

由圖2，巷道底板開(kāi)槽初期，兩幫和頂?shù)装遄冃屋^快。揭露25 d后，圍巖變形速度明顯減慢，圍巖表面位移逐漸趨于穩(wěn)定，頂?shù)装逡平孔畲?65.4 mm，兩幫移近量最大155.9 mm，頂?shù)装搴蛢蓭偷淖冃尾荒艿玫胶芎玫目刂啤?/p>

由圖3知，巷道底板開(kāi)槽初期，兩幫和頂?shù)装遄冃屋^快。揭露25 d后，圍巖變形速度明顯減慢，圍巖表面位移逐漸趨于穩(wěn)定，頂?shù)装逡平孔畲?19.1 mm，兩幫移近量最大105.9 mm，頂?shù)装搴蛢蓭偷淖冃伪绕鹪ёo(hù)得到一定控制。

由圖4知，巷道底板灌漿卸壓初期，兩幫和頂?shù)装遄冃屋^快。揭露25 d后，圍巖變形速度明顯減慢，圍巖表面位移逐漸趨于穩(wěn)定，頂?shù)装逡平孔畲?9.1 mm，兩幫移近量最大85.9 mm，頂?shù)装搴蛢蓭偷淖冃蔚玫胶芎每刂疲浞职l(fā)揮了圍巖的自承載能力，此時(shí)巷道圍巖較穩(wěn)定，能夠滿足安全生產(chǎn)。

4 結(jié)論

1）針對(duì)巷道工程背景采用數(shù)值模擬分析原支護(hù)下頂?shù)装宓奈灰屏浚Y(jié)果表明：原支護(hù)不能很好控制頂?shù)装遄冃危瑳Q定采用對(duì)底板切槽卸壓的方法對(duì)巷道圍巖進(jìn)行有效控制。2）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)巷道原支護(hù)下頂?shù)装搴蛢蓭臀灰坪艽螅o安全生產(chǎn)造成一定威脅；開(kāi)槽后頂?shù)装搴蛢蓭臀灰频玫揭欢刂疲Ч芳眩煌ㄟ^(guò)對(duì)開(kāi)過(guò)的槽實(shí)施水泥注漿后，巷道頂?shù)装搴蛢蓭臀灰朴休^大收斂，實(shí)踐表明切槽注漿卸壓方法對(duì)巷道系統(tǒng)起到較好控制。3）切槽注漿方法對(duì)于原支護(hù)不太理想的情況，可有效控制底臌、兩幫、頂板的收斂狀況，減小巷道屈服破壞區(qū)，從而改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)。

[1]惠功領(lǐng),宋錦虎.高應(yīng)力復(fù)合頂板巷道卸壓讓壓耦合支護(hù)技術(shù)[J].西安科技大學(xué)報(bào)，2010(4)：412-416.

[2]何滿潮,張國(guó)鋒,王桂蓮,等.深部煤巷底臌控制機(jī)制及應(yīng)用研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009(S1):2593-2598.

[3]劉泉聲,肖虎,盧興利,等.高地應(yīng)力破碎軟巖巷道底臌特性及綜合控制對(duì)策研究[J].巖土力學(xué)，2012(6):1703-1710.

[4]謝廣祥,常聚才.超挖錨注回填控制深部巷道底臌研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2010(8):1242-1246.