復合巖層底板底鼓錨索支護的力學機理及應用

李江鋒，武少鵬，侯旭斌

(1.潞安環能股份有限責任公司，山西 長治 046204；2.潞安化工集團 健康安全環保部，山西 長治 046204)

近幾十年來，巷道圍巖控制理論及技術特別是采用錨桿支護治理底鼓，一直是采礦工程學科的重大研究方向，隨著煤炭進入深部開采，巷道底板出現了類似于煤層巷道的復合頂板，由于復合底板巖層層間的粘結力比較小,當受到兩幫圍巖的擠壓以及下部巖層向上移動的作用下,底板巖層將會失穩并向巷道內彎曲,它是復合底板巷道底鼓的一個重要原因。復合底板其實是幾層軟弱巖層的組合，如果采用底板錨索將其組合再讓錨索嵌入深部穩定巖層中就可以有效控制此類底鼓[1]。

1 底板錨索支護的力學機理

根據不同巖性組成的復合底板，在礦山壓力作用下，巷道底板壓力成不均勻性衰減，巷道底板變形量和變形速度出現離值差，導致軟弱層產生離層，通過對底板圍巖進行整體加固，形成復合底梁，可以恢復底板三向應力平衡，實現整體穩定目的[2]。采用錨索支護底板的力學機理就是將復合底板軟弱夾層形成整體的承載結構，有效控制底板變形，力學模型見圖1。

圖1 底板錨索支護力學模型

底板巖層h1下部承受垂直向上的分布力，兩端作用有由于兩幫下沉產生的水平擠壓力，在分布載荷的作用下，底板巖層h1的彈性曲面微分方程滿足：

(1)

式中：ω為巖層h1的撓度；E1I1為巖層h1抗彎剛度；q為發生底鼓范圍巖層的折斷分布載荷。

在一般情況下，q是x的函數。在此為了分析簡便，取q為常數。并利用兩端固支的條件下，撓度ω的表達式為：

(2)

由撓度的二階導數與彎矩的關系：

(3)

則可得任意界面x處的彎矩表達式為：

(4)

軟巖彎曲底鼓取決于底板巖層的不斷失穩。當h1巖層彎曲斷裂后，圍巖應力重新分布，達到新的平衡狀態。隨著應力的增加或時間的推移，h2巖層也將會發生彎曲斷裂。以此類推，直到底板巖層最終彎曲斷裂的破壞深度。

但是采用底板長錨索支護時，相互獨立的發生底鼓的層狀底板組合成厚度較大的組合梁頂板承載結構。

此時，底板組合梁厚度為h1-i，即若干層頂板成為一個整體形成梁的厚度較獨立層狀的底梁厚度大得多。若巷道頂部下位j層頂板成為整體梁，則撓度的表達式變為:

(5)

式中：EI為組合梁的抗彎剛度，EI>E1I1。

此時，底梁任意界面x處的彎矩為：

(6)

式中：h1-j=h1+h2+…+hj。

對于軟巖彎曲引起的底鼓，當底板采用長錨索支護后，根據巷道底板最大應力計算表達式可知，實際組合梁厚度h1-j顯著大于一般錨網索支護中僅由錨桿支護形成的巖梁厚度h1；同時由于組合了下位巖層中的j層巖石，其受到上部巖層的荷載也隨之減小，組合梁的剪應力值和拉應力值均減少很多。

因此，采用錨索支護復合巖層底板，可以顯著增強底板穩定性。

2 工程應用

2.1 工程概況

永城新橋煤礦北翼軌道大巷埋深大約在-580 m，現場調研發現，該巷道局部地段頂板已開裂剝落，并逐步發展為沿巷道走向的連續破壞；底鼓突出，尤其幫底角處已嚴重內移，影響大巷成型。而且，巷道變形和底鼓并未停止。巷道變形情況：巷寬由原來的4.4 m變形到現在的3.9～4.0 m，高度由原來的3.9 m變形到現在的3.0～3.5 m，底板變形嚴重，局部底鼓量達到了800 mm。

2.2 巷道地質條件

北翼軌道大巷為穿層巷道，穿過的主要巖層有粉砂巖、泥巖和砂質泥巖，但大部分區段為泥巖，巷道穿過地層的構造非常復雜，巷道巖層柱狀圖見圖2。

圖2 試驗巷段巖層鉆孔綜合柱狀圖

2.3 底板錨注防底鼓方案及參數

1) 幫角注漿加固。幫角注漿加固時，巷道幫部及靠下底角位置每間隔4.2 m布置注漿錨桿，對幫部和巷道底板進行注漿加固。注漿孔深2 500 mm,注漿錨桿長度800 mm，4分鋼管制成；封孔可采用空心水泥卷或樹脂藥卷密實，封孔深度為1.0 m。注漿最大壓力為2.5 MPa。

2) 底板錨索聯合底梁控底。刷大斷面達到設計要求，及時進行初噴封閉圍巖，噴層厚度20～30 mm。混凝土配比為水泥∶砂∶石子∶水=1∶2∶2∶0.6。

頂幫支護從頂板正中位置依次向兩側全斷面打設錨桿，間排距800 mm×800 mm配合鋼筋梯子梁聯合支護，錨桿規格D22 m×2.4 m，每根錨桿裝2根藥卷，1根K2335，1根Z2360。預緊力不低于80 kN,錨固力不低于200 kN。錨桿垂直巖面打設，巷道底角錨桿向下10°打設。

頂幫支護完畢，首先將底板清底350 mm，每隔3根軌枕(2.1 m)在兩軌枕間施工一底槽、規格為600 mm×3 800 mm，在開挖好的底槽中施工3根錨索(注漿)+底梁，鋼絞線規格為D15.24 m×6.3 m，眼深6.0 m，排距2.1 m；底梁長3 600 mm，由兩根2 000 mm長規格分別為16號與18號槽鋼梁搭接而成，搭接長度400 mm，眼距1 500 mm。底梁按巷道橫截面方位放置。注漿錨索先注漿，漿液凝固達到設計強度30 MPa要求后，再放置槽鋼梁張拉上緊固定。注漿錨桿長800 mm，4分鋼管制成；封孔可采用空心水泥卷或樹脂藥卷密實，封孔深度不小于0.5 m。注漿最大壓力為2.5 MPa(底板錨索聯合底梁控底示意見圖3)。

圖3 底板錨索聯合底梁控底示意(mm)

2.4 支護效果

從圖4的巷道頂板離層觀測結果看出，進行新型支護方案后，巷道圍巖未發生較大變形，截止回采期間巷道頂底板移近量最大6 mm，兩幫最大收斂7 mm巷道圍巖得到了很好的控制，巷道整體維護較好，前后對比效果見圖5。

圖4 巷道頂板離層觀測結果

圖5 底板錨索支護效果對比

3 結 語

1) 針對永煤新橋礦-550 m北翼軌道運輸大巷的復合巖層底板的巖性組成，依據底板錨索支護的力學機理，提出了采用錨索梁支護技術治理巷道頂底板變形，不但將復合底板組成一體，而且調動了深部圍巖的承載性，使巷道頂底板移近量降到最大6 mm。

2) 底板錨索增強了底板巖層的抗彎剛度，而且錨索梁作為附件支護受力均衡，這樣有效阻止了深部巖體向上的作用力，減小底板的變形。

3) 該支護技術在永城新橋煤礦北翼軌道大巷底鼓治理得到了成功應用，該支護技術可在類似條件巷道支護實踐中推廣應用。