高應力巷道底板卸壓及圍巖錨注支護技術

李迎松，鄭明明，胡 磊，徐 陽，王旭瑞

（平煤神馬控股集團有限公司平煤股份 八礦，河南 平頂山 467000）

0 引 言

隨著煤炭資源開采深度的不斷增加，礦井開采條件逐漸變得復雜，特別是深部高應力巷道出現支護困難、圍巖破損嚴重以及維修工程量大等問題[1-2]。目前高應力巷道出現的問題已嚴重影響到礦井的日常生產，現有傳統的支護技術難以匹配日益增長的煤炭資源開采的需求[3]。因此亟待提出一種新型的支護技術，解決深部高應力巷道難以支護的問題[4-5]。

采用巷道卸壓的方法能夠轉移圍巖的高應力分布區域，從而改善高應力對圍巖變形的影響[6]。目前常用的卸壓方法有切頂卸壓、鉆孔卸壓、底板卸壓等。針對深部高應力巷道可通過數值模擬的方法分析圍巖卸壓效果，進而得到合理的卸壓參數，用于指導現場施工[7-8]。另外，對于圍巖破損嚴重的巷道，巷道支護常采用錨注支護的手段，錨注支護能夠通過注漿填充圍巖裂隙，增加圍巖的完整性，最大程度的發揮錨桿的錨固性能[9-10]。

本文針對平煤八礦高應力回風上山巷道圍巖軟弱易破碎，巷道底鼓嚴重的問題，采用數值模擬的方法確定了底板卸壓槽的參數，并提出“混凝土+錨網+注漿＋卸壓槽”的多層次聯合支護方案，解決了該巷道在支護過程中遇到的問題，保證了礦井的安全開采。

1 概 況

平煤八礦回風上山巷道所處巖層以泥巖為主，圍巖軟弱，易破碎，遇水易膨脹變形，且所處巖層以構造應力為主，最大主應力方向為近水平方向，造成圍巖塑性變形大，巷道底鼓嚴重。巷道頂底板巖性見表1。為解決上述問題，提出了圍巖錨注和底板卸壓的支護方式，可以為后續巷道支護提供一定的技術參考。

表1 回風上山巷道頂底板巖性分布情況Table 1 Roof and floor lithology distribution of return air uphill roadway

2 底板卸壓模擬研究

2.1 數值模型建立

為了能夠清晰反映底板卸壓的效果以及合理的確定底板卸壓槽的參數，采用UDEC 軟件建立了回風上山巷道的數值計算模型，模擬的巷道埋深為813 m。根據現場調研了解到的巖層分布情況，沿巷道頂底板巖層垂直剖面建立平面應變模型，如圖1 所示。模型長度為98.0 m，高度為65.0 m，共分為5 層，分別為砂質泥巖23.0 m、中粒砂巖4.3 m、泥巖12.2 m、砂質泥巖7.7 m 和細粒砂巖17.8 m。載荷分布形式簡化為均布載荷，通過巷道上覆巖層自重換算得到p=19.31 MPa。

圖1 數值計算模型Fig.1 Numerical calculation model

2.2 卸壓效果分析

為了能夠直觀的反映開挖卸壓槽對抑制巷道底鼓產生的作用，采用數值模擬的方法對卸壓前后底板應力變化進行對比，卸壓槽寬度為0.8 m，深度為1.0 m。在巷道底板中線位置垂直向下布置15.0 m 的測線，從底板位置開始，每隔1.0 m 設置1 個測點，測線布置位置如圖1 所示，開挖卸壓槽前后底板圍巖的垂直應力和水平應力變化曲線，如圖2所示。

圖2 開挖卸壓槽前后底板圍巖應力變化曲線Fig.2 Stress variation curve of floor surrounding rock before and after excavation of pressure relief groove

從圖2 中可以看出，開挖卸壓槽后的垂直應力小于開挖卸壓槽前，卸壓槽能夠增加底板圍巖的變形空間，使底板圍巖的裂隙得到充分發育，并向底板深部擴展，使垂直應力的高應力區向底板深部轉移，減小巷道淺部底板的垂直應力。

另外，卸壓槽的存在增加了底板的自由面寬度，使底板水平應力的低應力范圍增加，開挖卸壓槽后水平應力小于開挖卸壓槽前相同位置處的水平應力，且水平應力峰值向深部移動了1.0 m。綜上分析，開挖卸壓槽能夠有效降低巷道底板圍巖的應力，對底板卸壓有顯著效果。

2.3 卸壓槽參數確定

為了合理確定卸壓槽的寬度和深度，模擬方案分別設計了3 個寬度水平和3 個深度水平，采用正交方法，共9 組模擬方案。其中寬度分別為0.8、1.2 和1.6 m，深度分別為1.0、1.5 和2.0 m。

根據9 組卸壓方案的模擬計算結果，分析卸壓槽寬度和深度對巷道圍巖變形量的影響，通過二次多項式回歸分析，巷道兩幫變形量、頂底板變形量與卸壓槽寬度和深度的關系，進而得到合理的卸壓槽參數。巷道變形量與卸壓槽寬度和深度關系如圖3 所示。

圖3 巷道變形量與卸壓槽寬度和深度關系Fig.3 The relationship between roadway deformation and the width and depth of pressure relief groove

從圖3 中可以看出，巷道頂底板移近量和兩幫移近量隨著卸壓槽寬度和深度的變化，具有相同的變化趨勢。卸壓槽深度增加，巷道變形量增大，巷道圍巖塑性區變大，圍巖高應力區向深度轉移，有利于擴大底板卸壓區范圍，因此，卸壓槽深度選擇為2.0 m。同樣，卸壓槽寬度的增加也會導致巷道塑性區范圍增大，但當卸壓槽寬度增加到1.6 m時，巷道變形量會出現一個突增現象，不利于巷道圍巖的穩定，因此，卸壓槽寬度選擇為1.2 m 較為合理。綜上對9 組模擬方案的結果分析，卸壓槽寬度和深度分別確定為1.2 m 和2.0 m。

3 支護方案設計及應用

3.1 支護方案設計

根據平煤八礦回風上山巷道圍巖巖性及圍巖變形破壞規律，采用底板卸壓和圍巖錨注的支護思路，提出“混凝土+錨網+注漿＋卸壓槽”的多層次聯合支護方案，如圖4 所示。

圖4 巷道多層次聯合支護方案示意Fig.4 Multi-level combined support scheme of roadway

通過在巷道底板開挖卸壓槽，能夠有效改善底板的應力狀態，可以將底板高應力轉移至圍巖深部。通過對圍巖注漿加固，提高巷道圍巖的自身強度，為錨桿提供錨固著力點，充分發揮錨桿的錨固效果，提高圍巖的自承載能力。

具體支護參數為，4 層混凝土、3 層錨桿、3層鋼絲繩網、注漿加固以及底板2 個卸壓槽的聯合支護，其中4 層混凝土的厚度分別為0.08、0.10、0.10 和0.07 m。錨桿均采用φ22 mm×2 400 mm的左旋無縱筋高強度樹脂錨桿，錨桿間排距為0.70 m×0.70 m。鋼絲繩網格為0.70 m×0.70 m。底板卸壓槽寬度為1.2 m，高度為2.0 m，后期底板卸壓槽需要利用混凝土充填。注漿錨桿采用φ20 mm×1 800 mm 的自固內注漿錨桿，注漿錨桿間排距1.5 m×1.5 m。注漿材料水灰比為0.9∶1.0，注漿壓力保持在2.8~4.5 MPa。

3.2 施工工藝

現場施工主要包括噴射混凝土、掛鋼絲繩網打錨桿、開挖卸壓槽和注漿。

（1） 噴射混凝土。在巷道開挖結束后進行初噴，混凝土厚度為0.08 m。之后依次進行3 次掛鋼絲繩網打錨桿和噴射混凝土，每次噴射混凝土的厚度分別為0.1、0.1 和0.07 m。4 次混凝土的厚度應不小于0.35 m。“四噴三掛”立面，如圖5（a）所示。

圖5 支護立面圖和平面圖Fig.5 Support facade and plan view

（2） 掛鋼絲繩網打錨桿。鋼絲繩分為主繩和副繩，主繩由兩股鋼絲繩組成，副繩由一股鋼絲繩組成。施工時主繩的一端被錨桿托盤固定，同時給鋼絲繩施加一定的預緊力，并在鋼絲繩走向方向上依次打入錨桿，副繩不用錨桿托盤固定，施工時副繩交叉穿過主繩固定。鋼絲繩沿巷道軸向方向每段長度為8 m，沿巷道環向方向每段長度為19 m，當兩段鋼絲繩需要搭接時，搭接長度不小于0.8 m。掛鋼絲繩網打錨桿平面如圖5（b） 所示。

（3） 開挖卸壓槽。卸壓槽開挖在第三次掛鋼絲繩網打錨桿之后進行。卸壓槽采用放炮結合人工掏槽的方法開挖。卸壓槽寬度為1.2 m，深度為2.0 m。等待巷道卸壓15 d 后，進行第四次噴射混凝土，并將卸壓槽噴填。

（4） 注漿。在巷道卸壓結束后進行壁后注漿加固，巷道分兩次注漿，第一次為淺部注漿，注漿深度為2.5 m，第二次為深部注漿，注漿深度為3.0 m。注漿錨桿間排距1.5 m×1.5 m。注漿材料水灰比為0.9∶1.0，注漿壓力保持在2.8~4.5 MPa。

3.3 巷道圍巖穩定性分析

為了分析巷道圍巖穩定性的控制效果，在回風上山巷道工業性試驗段進行鉆孔窺視，窺視鉆孔水平布置在巷幫，鉆孔深度大于7 m。鉆孔窺視的結果如圖6 所示。

圖6 鉆孔窺視圖Fig.6 Borehole peep view

從圖6 中可以看出，巷道0~1.0 m 的圍巖比較破碎，1.0 ~ 3.0 m 巖體出現離層，裂隙橫向發育，通過注漿，裂隙出現重新膠結現象，3.0~5.0 m 縱向裂隙較為發育，在鉆進過程中產生大量巖屑，5.0~7.0 m 圍巖完整性較好。

采用底板卸壓和圍巖錨注的支護方案，通過底板卸壓分散了高應力集中區，改善了底鼓現象。通過深孔、淺孔交替注漿，漿液擴散半徑達到3.0 m，巷道淺部圍巖整體性較好。

4 結 論

（1） 針對平煤八礦高應力回風上山巷道圍巖軟弱易破碎、巷道底鼓嚴重的問題。采用底板卸壓和圍巖錨注的支護思路，提出了“混凝土+錨網+注漿＋卸壓槽”的多層次聯合支護方案。

（2） 結合UDEC 軟件建立了回風上山巷道的數值計算模型，對比了卸壓前后的應力分布情況，卸壓槽能夠有效的分散巷道底板的高應力集中區。確定了卸壓槽的寬度為1.2 m，深度為2.0 m。

（3） 制定了一套完整的施工工藝流程，通過鉆孔窺視分析，巷道圍巖整體性較好，巷道變形得到了有效控制。