高應力軟巖巷道底鼓機理及控制技術研究

安 雷

(山西蘭花科技創業股份有限公司 大陽煤礦分公司, 山西 晉城 048000)

煤炭是我國最為重要的能源之一,2021年我國原煤產量超過40億t,位列世界第一。近年來隨著我國煤炭開采強度不斷加強,礦井逐步向深部轉移,造成了煤炭開采環境愈加惡劣,開采技術面臨的挑戰越發嚴峻[1-3]. 其中,針對巷道底鼓治理問題,國內學者也開展了大量研究并取得諸多成果。侯朝炯[4]提出了“底板錨桿讓壓+注漿加固+幫角錨桿補強”為核心、“一次支護+二次支護”為理念的巷道底鼓和蠕變控制技術;王曉卿等[5]采用數值模擬分析了底鼓的機理,并針對底鼓機理研發了端錨錨索束,具有高強度、高延伸性、注漿功效,應用于高應力軟巖巷道后底鼓量控制在67.5 mm,效果良好;陳立虎等[6]針對擠壓流動性底鼓,模擬了主動開槽卸壓和砼反拱+底板錨桿兩種支護方式的效果,發現后者底鼓控制量能夠降低80%以上;高曉旭等[7]以大柳塔煤礦為工程背景,針對遇水膨脹型和擠壓流動型底鼓,建立了巷道底板力學模型,分析了巷道底板中心線位移場規律,并結合數值模擬對比了注漿加固、鉆孔卸壓、底角錨桿3種方案的支護效果,結果表明注漿加固效果最佳;王文利等[8]開發了適用于富水條件下的錨桿索防水錨固劑,采用高強預應力錨索錨固結合雙液漿注漿的底板支護方式,有效解決了富水條件下的底鼓問題。

本文以某礦高應力軟巖機電房為研究背景,通過現場調研總結巷道底板變形特征,并建立巷道底板力學模型計算底板破壞深度,結合數值模擬分析不同底鼓治理方案的支護效果,解決巷道底鼓問題。

1 工程概況

該機電房全長67 m,埋深約500 m,地應力較高,所處巖層為粉砂巖,機電房上部有一層3.6 m厚度的8#煤,底板為泥巖。機電房受到周圍地質構造影響以及上方8#煤的采掘影響,長期處于高應力環境中,造成巷道變形嚴重。采用錨桿+錨索聯合支護,凈寬5 200 mm×凈高4 000 mm.

巷道頂底板鉆孔柱狀圖見圖1.

錨桿、索支護參數以及巷道變形情況見圖2.

圖2 巷道變形示意圖

2 巷道底鼓特征及機理

2.1 巷道底鼓特征

1) 底鼓現象劇烈,巷道斷面收縮嚴重。根據現場實測結果發現,頂底板收縮量達到1 500 mm以上,并且由于底板強烈變形帶動兩幫內擠移近,造成巷道兩幫收縮量達到近2 000 mm.

2) 巷道內部存在淋水現象。頂板混凝土開裂嚴重,裂隙水從頂板向下淋落,經兩幫流至底板積聚,造成巷道內部淋水嚴重,使巷道長期處于浸泡狀態,圍巖水化嚴重,支護結構銹蝕嚴重。

3) 經歷多次返修,依舊無法阻止圍巖變形。機電房自掘巷至今兩年多時間內,經歷了多次不同程度地返修,但巷道圍巖變形趨勢依舊強烈,亟需調整支護理念。

2.2 巷道底鼓機理

1) 圍巖應力作用。機電房上方為8#可采煤層,使巷道長期受到上方煤層采掘應力擾動影響。同時,由于巷道頂板和兩幫均為強度適中的粉砂巖,底板為強度較低的泥巖,應力自上而下傳遞,并從底板釋放,導致了底板圍巖破壞,底鼓嚴重。

2) 底板力學性能。巷道底板圍巖為松軟泥巖,強度低、軟化系數小,遇水后抗壓強度降低。經現場取樣、實驗室分析后發現,干燥泥巖試樣抗壓強度14.6 MPa,吸水飽和后泥巖試樣抗壓強度僅5.1 MPa,軟化系數0.35,飽水率為26%,試樣放置于水中靜置一段時間后出現崩解現象。

3) 巷道支護結構。機電房原有支護方案為:錨桿索支護+表面噴射混凝土,經過一段時間后出現錨桿索錨固失效、構件銹蝕、托盤懸空等現象,巷道表面混凝土也出現大量裂隙。

2.3 巷道底板力學模型

為進一步探究巷道底鼓機理,結合彈塑性力學理論,建立巷道底板力學模型[9],見圖3.

圖3 巷道底板力學計算模型圖

巷道底板為松軟的泥巖,強度較低,當巷道兩幫作用在底板上方的壓力超過圍巖承載能力時,會導致巷道兩幫巖體產生屈服并形成塑性區。其中,巖層屈服長度為L,m;底板破壞深度為D,m;煤層埋深為H,m;內摩擦角為φ,(°).

D=rcosθ=r0eαtanφcosθ

(1)

根據巖層屈服長度經驗公式:

L=0.015H

(2)

取dD/dα=0,即可求出底板最大破壞深度:

(3)

(4)

將巷道圍巖參數代入公式求得底板最大破壞深度范圍約為3.5 m,結合Origin分析求解得出底板破壞深度與內摩擦角關系,見圖4.

圖4 底板破壞深度與內摩擦角的關系圖

由圖4可知,底板破壞深度與內摩擦角成反比。因此,可以用提高底板巖層力學性能的方式控制底鼓。

3 巷道底鼓控制方案分析

3.1 數值模型的建立

為了研究不同支護方案下巷道圍巖應力分布規律,使用FLAC3D建立數值模型,模型長60 m×寬20 m×高35.5 m,頂部施加12.5 MPa均布荷載,側壓系數1.2,固定模型底面,限制模型4個側面的水平運動,巖層力學參數見表1. 針對現場實際情況,提出了3種不同的巷道底鼓控制技術:反底拱+錨注支護、錨注支護、卸壓槽支護。通過研究不同底鼓控制技術下的圍巖穩定特征,并與底板不支護做對比,探究合理底鼓控制方案。

表1 巖層力學參數表

3.2 不同支護方案下巷道圍巖變形情況

不同支護方案下巷道圍巖垂直位移見圖5. 底板無支護時底鼓量為119.4 mm,采取“反底拱+注漿加固”控制效果最佳,底鼓量僅21.6 mm;“錨注支護”效果次之,底鼓量控制到41.8 mm;“卸壓槽支護”不僅未起到降低底鼓作用,反而進一步增大底鼓量。

圖5 不同方案巷道圍巖垂直位移云圖

3.3 不同支護方案下巷道圍巖應力分布情況

不同支護方案下巷道圍巖垂直應力分布見圖6. 采取“錨注支護”與“反底拱+錨注支護”后,改善了底板圍巖條件,底板強度得到提高,由于底板破壞對兩幫造成的影響減弱,兩幫應力分布更加趨于合理;采取“無支護”或“卸壓槽支護”時,由于底板為軟弱的泥巖,難以支撐上部圍巖荷載,造成兩幫幫角應力集中。

圖6 不同方案巷道圍巖垂直應力云圖

3.4 不同支護方案下巷道圍巖塑性區分布情況

不同支護方案下巷道圍巖塑性區分布見圖7. “無支護”和“卸壓槽支護”時,巷道底部塑性區破壞范圍大、破壞深度深;“錨注支護”時,巷道底部塑性區范圍減小,塑性區深度減小了30%以上;“反底拱+錨注支護”效果顯著,僅在巷道底部表面混凝土、廢石范圍內出現塑性區。

圖7 不同方案巷道圍巖塑性區云圖

4 工業性試驗

4.1 支護設計方案

1) 巷道整體注漿加固。

將機電房內部圍巖鏟平重整,從巷道表面一圈打孔放置7根長度4 m的帶孔鋼管,頂板鋼管間排距2 000 mm×2 000 mm,兩幫鋼管間排距1 500 mm×2 000 mm. 通過帶孔鋼管向圍巖內部注入水泥漿液,注漿壓力為2～3 MPa,水灰比1.2∶1,持續緩慢注漿,盡量保證漿液填滿圍巖內部裂隙。注漿孔布置情況見圖8.

圖8 注漿孔布置圖

2) 錨索補強支護。

根據機電房巷道圍巖變形特征,結合原有支護方案,在巷道頂板和兩幫均采用長度4 500 mm、直徑21.6 mm的錨索進行補強支護,頂板錨索間排距2 000 mm×2 000 mm,兩幫錨索間排距1 500 mm×2 000 mm. 錨索補強方案見圖9.

圖9 錨索補強支護圖

3) 底板反底拱+錨注加固。

底板采用“淺部回填+中部錨固+深部注漿”的支護方案。通過在巷道底板開挖反底拱,在反底拱表面鋪設鋼帶條,并沿著反底拱一圈向底板打設高強錨桿和注漿錨索,錨桿長度2 000 mm、直徑22 mm、間距1 500 mm、排距1 000 mm,注漿錨索長度3 500 mm、直徑21.6 mm、間距1 500 mm、排距1 000 mm,保證深部圍巖強度有效提升,中部錨桿錨固作用充分發揮。待錨桿索施工完畢后,在底板表面噴設混凝土層,并回填碎石,碎石高度350 mm,碎石上方澆筑450 mm高度的混凝土。底板加固方案見圖10.

圖10 底板加固方案圖

4.2 礦壓監測

為保障巷道底鼓控制技術設計方案的合理性,對支護完成后的巷道圍巖進行30 d礦壓監測,監測結果見圖11. 支護完成后的5 d內,巷道變形速度降低較快;5～20 d,最大變形速度不超過5 mm/d;20 d后,圍巖逐步趨于穩定,最終底鼓量僅30 mm,說明該支護方案合理可行,能夠保障機電房長期安全、可靠的使用。

圖11 巷道圍巖位移監測圖

5 結 論

1) 針對該礦機電房底板變形破壞嚴重現象,分析了底板變形特征:底鼓現象劇烈,巷道斷面收縮嚴重;機電房內部存在淋水、積水;經歷多次返修,依舊無法阻止圍巖變形。在此基礎上分析了底板變形破壞機理:圍巖受到高應力影響;底板圍巖軟弱,遇水易崩解;支護強度不足,造成結構失效。

2) 結合理論計算與數值模擬結果,確定了機電房底鼓控制原則:底板加強支護與幫頂協調支護。底板處于巷道最薄弱位置,采用“反底拱+錨注加固”進行加強支護;幫頂與底板緊密相連,采用“深部注漿+錨索補強”支護,保障巷道整體強度。

3) 提出了以“淺部回填+中部錨固+深部注漿”為核心的巷道底板圍巖控制技術,并成功應用于機電房修復工作,最終最大底鼓量僅30 mm,巷道頂板和兩幫也得到合理控制,最終頂板和兩幫變形量均小于100 mm,能夠滿足機電房長期安全使用的要求。