軟巖巷道底板變形機理及控制研究

馮 波

（山西蘭花科創公司大陽煤礦，山西 晉城 048000）

軟巖巷道的支護一直以來是我國煤礦所面臨的難題，特別是破碎軟巖巷道，經常容易出現碎脹、擴容等嚴重變形情況，維護十分困難。通常軟巖巷道在掘進后會出現變形甚至嚴重變形情況，特別是底板，此時常采用臥底進行處理，但是由于底臌的反復性，效果并不十分明顯，而且耗工耗時。

本文著重分析了軟弱圍巖的底臌特性，提出兩幫及頂板應力轉移和釋放、底板無支護及遇水易膨脹是造成底臌的主要原因。因此，采用“反底拱+中空注漿錨索+拱形槽鋼”相結合的主動支護方式進行底板控制，并取得了不錯效果。

1 工程背景

大陽煤礦東翼采區主要運煤系統為東翼運輸巷道，巷道斷面采用直墻半圓拱形設計，凈寬×凈高=5.5m×4.5m。運輸巷北翼有兩條正在掘進的回風大巷與軌道巷，三條巷道水平間距分別為25m 左右，容易受到采掘擾動，兩條巷道的開挖擾動對已經成型的運輸巷會造成二次破壞，圍巖性質屬于遇水易膨脹類型，且水平主應力較大，最大達到18.63MPa，加之圍巖整體性較差，底臌十分嚴重。

2 原支護方案及底臌分析

2.1 原設計支護方案

頂板及兩幫采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規格為Ф22mm、2500mm，預應力為70kN，間排距為800mm×900mm，整個斷面布置9 根；錨索規格為Ф17.8mm、6500mm，預應力為180kN，間排距為1200mm×1600mm，總共5 根；噴漿厚度100mm，強度為C20，鋪設鋼筋網。兩幫及頂部注漿加固，注漿孔長度6000mm，6 分注漿管長度3000mm，間排距設計為2100mm×1500mm，注漿壓力為3MPa，封孔長度350mm。支護設計圖如圖1 所示。

2.2 原支護方案不足之處

原支護方案，底板處于無支護狀態，相當于一個自由面，加之圍巖整體支護強度較低，頂板及兩幫所產生的集中應力無法及時消除，圍巖高地應力就會通過兩幫轉移至底板，此時在兩側高地應力的作用下就會擠壓中間底板，從而形成底臌。另外，由于底板遇水易膨脹的特點，進一步加劇了底板變形。

圖1 原支護方案

2.3 底臌原因分析及變形量觀測

實踐表明，造成該巷道底臌的原因與多方面因素有關，其中水理作用、圍巖應力狀態、底板巖層性質是造成底臌的主要原因。針對大陽煤礦東翼運輸巷道底板變形情況，分析原因如下：

（1）遇水膨脹。根據現場地質資料，大陽煤礦東翼運輸巷道底板直接底以砂質泥巖和泥巖為主，蒙脫石粘土含量較多，遇水易膨脹。

（2）地應力的作用。圍巖應力大小與底臌量大小呈正相關關系，因此底臌量的大小一定程度上由圍巖應力大小決定，由于該巷道所處應力水平為高水平應力，因此在地質構造上屬于典型的構造應力場，勢必對底板造成嚴重影響。

（3）支護強度不足。東翼運輸巷道在掘進初期對底板采取無支護狀態，即形成一個自由面，周邊應力全部轉移至底板，導致巖體流變加強，使得低強度的底板發生蠕變的速率加快，對底板進一步產生破壞。

巷道掘進后，在與運輸斜巷交叉點處往里間隔20m 分別設置三個觀測點，對巷道圍巖表面變形量進行監測，并繪制原支護方案下圍巖變形量與時間變化關系圖，如圖2 所示。觀察圖2 可以得出，相同的時間內，底板的變形速率遠快于兩幫變形速率，并且底臌量隨時間變化趨勢較兩幫明顯，并有增長趨勢，同時監測點距離巷道交叉點越近，表面變形量就越大，說明底板受掘進擾動影響十分明顯。

3 支護方案改進

為了加強底板控制，對東翼運輸巷道進行底臌治理，提出了“反底拱+中空注漿錨索+拱形槽鋼”聯合治理措施，具體方案如下：

頂板及兩幫采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿規格Ф22mm、2500mm，預應力為70kN，間排距為800mm×900mm，幫、底腳分別布置2 根傾斜錨桿，整個斷面布置13 根；錨索采用中空注漿錨索，錨索規格Ф22mm、6300mm，能夠實現全長錨固。頂及兩幫錨索間排距設計為1200mm×1400mm，底板采用反底拱形式，首先對底板進行超挖，形成反底拱，最大深度為450mm，隨后布置3 根中空注漿錨索于其上，利用鋼帶進行互搭連接，間排距為1600mm×1200mm，然后混凝土回填，整個斷面共布置8 根錨索；結合拱形槽鋼聯合支護，排距為600mm；鋪設鋼筋網；最后噴漿，厚度為150mm，強度為C20。如圖3 所示。

圖2 圍巖變形量

圖3 支護方式改進設計圖

巷道圍巖在采用新支護方案后形成一個穩定的整體系統。實質上，幫頂的穩定對于控制底臌具有重要作用，同樣，底臌也會導致兩幫移近及頂板下沉，彼此之間形成一種互相制約的關系。在采用中空注漿錨索后，對于圍巖穩定性的控制也起到決定性作用，不僅對于圍巖固結效果明顯，而且擴大承載圈，改變底板受力狀態，及時轉移應力等都具有重要意義。

4 底板治理效果對比分析

對改進后的方案進行底板變形量觀測并記錄如圖4 所示。

圖4 新方案變形量與時間關系圖

觀察圖4 可以發現，在采用新方案后測點1 底臌變形量最大達到85mm，相對原支護方案減少了87%，另外兩個測點也相對原支護方案分別下降了85%左右，說明新方案下的聯合支護方法對于底板變形量控制具有明顯效果。

5 結論

（1）大陽煤礦東翼運輸巷道底臌主要原因在于：原支護方案對頂板及兩幫進行一次支護的情況下，由于底板處于無支護狀態，圍巖應力的釋放及變形就會集中于底板上，在高地應力作用下，軟弱圍巖被擠壓，產生變形量，因此形成擠壓流動型底臌。

（2）采用“反底拱混凝土回填+中空注漿錨索+拱形槽鋼”的聯合支護方式，能夠有效抵抗圍巖變形以及提高圍巖整體強度，底板變形量相對于原支護方案平均下降了85%左右，效果顯著。