軟巖巷道長、短錨桿注漿技術在巷道底鼓中的研究與應用

李劍坤，侯濤，李彥斌

（1.太原理工大學礦業工程學院，太原 030024；2.太原重工股份有限公司，太原 030024）

軟巖巷道長、短錨桿注漿技術在巷道底鼓中的研究與應用

李劍坤1，2，侯濤1，李彥斌1

（1.太原理工大學礦業工程學院，太原 030024；2.太原重工股份有限公司，太原 030024）

基于軟巖巷道圍巖受高應力的影響，頂板滑移、冒落嚴重，底鼓極其劇烈。為了控制巷道圍巖穩定性，利用巷道頂底板長、短錨桿聯合注漿錨固技術，提高結石強度，抑制底鼓及加強圍巖綜合承載能力。通過理論研究，采用FLAC3D數值模擬與工程實踐相結合，分析了巷道底鼓破壞機理，確定了最佳支護方案。

高應力軟巖；底鼓機理；長、短錨注漿；數值模擬

深部礦井、高應力構造區、圍巖破碎區的巖巷和大斷面硐室底鼓普遍存在，底鼓量一般500～2 500 mm，底鼓治理難度大，返修率高，嚴重影響礦井正常生產，底鼓治理成為亟待解決的技術難題[1-2]。底鼓是煤礦井巷中經常發生的一種動力現象[3]，冀中能源集團牛兒莊礦六采區軌道巷位于埋深較深的煤巖層中，該巷道圍巖巖性基本為中砂巖、細砂巖，其中含泥質成分較高，極易風化，圍巖強度較低，屬于高應力軟巖巷道，巷道掘進和維護是很大的難題。基于此，本課題組以冀中能源集團牛兒莊礦六采區軌道巷支護研究為工程實例，在深入現場調研的基礎上，提出高應力軟巖巷道長、短錨桿聯合錨注技術方案[4-5]，采用數值模擬分析改進方案對巷道底鼓、圍巖應力及巷道穩定性的影響，設計高應力大變形永久巷硐底鼓治理技術方案，保證巷道能夠在服務期間正常使用，大幅度減少巷道返修率和費用，為礦井安全生產、高產高效提供保障。

1 工程概況及方案設計

1）六采區軌道巷地質概況。冀中能源集團牛兒莊礦六采區軌道巷所在巖層層位傾角3°～6°，埋深857 m，屬于深部開采。巷道底鼓較大，急需進行底鼓治理及加固。該巷道距離9號煤頂板約29 m。所在層位為中砂巖，頂板主要為粉砂巖、中細砂巖、炭質泥巖，底板主要為灰巖、砂質泥巖、炭質泥巖、頁巖。

2）原支護方案。牛兒莊礦六采區軌道巷底板巖層性質較軟，沖擊地壓造成底板大面積破壞凸起，巷道原支護方案采用矩形巷道斷面，頂板采用錨桿錨索聯合支護，錨桿（索）規格分別為18 mm× 2 000 mm、17.8 mm×6 300 mm。

改進支護方案。根據有關高應力巷道底鼓機理的研究，對于深埋巷道，圍巖壓力極大，巷道頂板易離層冒落，底鼓極其嚴重，維護極其困難。擬采用FLAC3D數值模擬，工程實踐研究，提出治理高應力巷道底鼓治理新方案，方案（1）為巷道采用拱形斷面，頂板及兩幫采用錨桿支護，規格均為18 mm×2 000 mm，頂板采用長短注漿錨桿聯合支護，長短注漿錨桿規格分別為25 mm×2 400 mm、25 mm×2 000 mm，底板采用短錨桿單獨支護，規格為25 mm×2 400 mm。方案（2）巷道斷面仍采用原矩形斷面，底板采用長錨桿支護，其他參數均與方案（1）相同。

2 底鼓數值模擬研究

1）建立數值模擬模型。根據設計改進的方案，模擬軌道大巷上覆巖層頂板20 m，底板16.5 m，巷道所在層位為中砂巖。采用ANSYS建模導入FLAC3D軟件建立有限元模型，將模型劃分為65 700個單元，89 650個結點，網格釆用Attach語句聯接，以適應網格大小及形狀的變化，通過對三維介質的離散[6-9]，分析頂底板所受垂直應力及巷道頂底板垂直位移變化情況，模型邊界應力，以均布載荷的方式作用在模型的6個外部邊界。

2）數值模擬計算結果分析。由圖1知，方案（1）和方案（2）巷道最大垂直應力分別為9.99 MPa和11.2 MPa，兩種新設計方案最大垂直應力分布范圍差異較小。

由圖2知，方案（1）和方案（2）巷道圍巖最大垂直位移主要在巷道底板中表現明顯，底板最大突起位移分別為57.5 mm和11.5 mm，方案（2）控制底鼓效果較好。

針對高應力軟巖巷道，使用長、短錨桿注漿加固技術改善巷道圍巖物理力學承載特性后，通過數值模擬[10]，從巷道圍巖應力，圍巖移動的角度分析，對巷道底板采用錨桿支護能夠有效控制巷道底鼓。底鼓主要產生的原因是由于巷道斷面綜合受力較高，巷道淺部圍巖滑移、擴容所致[11-12]，采用矩形巷道遏制了圍巖在巷道表面淺部的應力釋放能量，使得頂底板、兩幫大變形得以穩定控制。

由于多數煤礦巷道存在大變形底鼓現象，本課題的成功實施可為煤炭的開采提供一個新的防治底鼓的措施，具有廣闊的應用前景。

3 工程應用

將改進后的兩種支護斷面巷道應用于牛兒莊礦六采區軌道巷。為評價改進方案的合理性及巷道圍巖的穩定性，對巷道底鼓量進行30 d的監測。

圖3為原支護方案和兩種改進方案巷道底鼓量與時間的變化曲線，可以看出，方案改進后，巷道底鼓均得到了有效控制，方案（1）巷道底鼓量平均增長速度為6.8 mm/d，最大底鼓量是112.6 mm。方案（2）巷道底鼓量在0～15 d內緩慢增長，平均增長速度為3.1 mm/d，16～30 d內巷道底鼓幾乎處于不變狀態，平均增長速度為0.72 mm/d，最大底鼓量是54.4 mm，而且方案（2）的底鼓增長速度和最大底鼓量約為方案（1）的43.58%和47.63%。

設計的兩種方案雖然均能控制巷道底鼓，一個月后巷道圍巖變形均處于穩定狀態，顯然方案（2）對巷道底鼓的控制效果是最佳的。

工程實踐表明，對于高應力軟巖巷道的底鼓及頂板控制，以錨桿注漿為基礎，采用矩形巷道斷面及長、短錨桿錨索聯合支護，軟巖巷道底鼓得到全面控制，為巷道掘進安全、煤礦高效生產提供了保證。

4 結論

通過對高應力軟巖巷道進行長、短錨桿注漿、數值計算及工程實踐研究，得出下面結論：

1）高應力軟巖傾斜巷道的底鼓是由于底板較軟，深部高應力主要作用于巖性較差的巖體中，致使頂板大面積垮落破壞，巖體內積聚的能量得以釋放，通過幫部進行能量傳導，造成巷道底板巖層彈、塑性勢能積聚，產生底鼓。

2）高應力軟巖巷道長、短錨桿注漿加固，能改變軟巖的物理力學性質，不僅大大提高頂板的力學承載能力，而且長、短注漿錨桿注漿區域形成相互作用巖體殼，共同維持巷道斷面抵抗高應力的作用。

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Research and Application of Long-short Anchor Grouting in Floor Heave in Soft Rock Roadways

LI Jiankun1,2,HOU Tao1,LI Yanbin1
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China；2.Taiyuan Heavy Industry Co.,LTD,Taiyuan 030024,China)

Since surrounding rock is influenced by high stress,serious roof slipping and falling and floor heave occur in soft rock roadway.To keep the stability of the surrounding rock,long-short anchor grouting is used to increase stone strength,suppress floor heave,and improve the bearing capacity of the surrounding rock.By theoretical study,FLAC3D numerical simulation and engineering practice are combined to analyze the mechanism of the floor heave and then to determine the best supporting scheme.

high-stress and soft rock;mechanism of floor heave;long-short anchor grouting; numerical simulation

TD353

A

1672-5050（2015）01-0035-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.01.012

（編輯：樊敏）

2014-10-28

李劍坤（1989-），男，山西河津人，在讀工程碩士研究生，研究方向：礦山支護。