深部高應(yīng)力軟巖巷道底鼓錨注技術(shù)研究

李亞鵬，張百勝，劉臻保，姜精鵬，楊旭明

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

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深部高應(yīng)力軟巖巷道底鼓錨注技術(shù)研究

李亞鵬，張百勝，劉臻保，姜精鵬，楊旭明

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

[摘要]針對陽煤五礦趙家分區(qū)井底車場裝車線巷道的劇烈底鼓，通過底板巖體結(jié)構(gòu)特征分析、巖體力學(xué)實驗、巖石微觀結(jié)構(gòu)分析，在構(gòu)造應(yīng)力場下利用FLAC3D內(nèi)置的應(yīng)變軟化模型與摩爾-庫倫模型分別對巷道分析，得出高應(yīng)力軟巖巷道劇烈底鼓的機(jī)理：泥巖底板由于應(yīng)變軟化，其水平應(yīng)力釋放較大使得應(yīng)力較低，在兩幫變形導(dǎo)致的二次水平應(yīng)力影響下，發(fā)生剪漲擴(kuò)容引起劇烈底鼓。當(dāng)?shù)装暹M(jìn)行錨注支護(hù)并對兩幫進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)后，經(jīng)FLAC3D數(shù)值模擬與現(xiàn)場工程應(yīng)用，表明采用底板錨注技術(shù)及強(qiáng)幫措施可以有效控制底鼓。

[關(guān)鍵詞]高應(yīng)力；軟巖；底鼓；錨注

Anchored Grouting Technology of High-stress Soft-rock Roadway in Deep Mine

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.014

[引用格式]李亞鵬，張百勝，劉臻保，等.深部高應(yīng)力軟巖巷道底鼓錨注技術(shù)研究[J].煤礦開采，2015，20(5)：50-52，56.

近年來，高地應(yīng)力條件下高強(qiáng)度的巷道支護(hù)理論與技術(shù)的研究，強(qiáng)力錨桿、強(qiáng)力錨索支護(hù)系統(tǒng)的開發(fā)使軟巖巷道的頂板與兩幫的支護(hù)問題得到有效解決[1]。經(jīng)研究，高應(yīng)力軟巖巷道具有大變形、高壓力、難以支護(hù)等特點[2]。雖然高地應(yīng)力條件下高強(qiáng)度的巷道支護(hù)理論與技術(shù)的研究有了較快地發(fā)展[3]，但受限于施工設(shè)備及技術(shù)和對底板支護(hù)的重要性認(rèn)識不足，未能較好地解決巷道底鼓問題。在底鼓控制方面，長期以來人們過多關(guān)注底板的研究和處理，忽略了兩幫強(qiáng)度對底鼓的影響[4]，因此往往缺乏對底鼓的有效控制。

1工程背景

陽煤五礦趙家分區(qū)井底車場埋深800m，掘進(jìn)時，井底車場裝車線巷受損段巷道共計70m。巷道頂板主要為3m厚的泥巖及9m厚的細(xì)砂巖，底板主要為9m厚泥巖。通過底板圍巖力學(xué)實驗測得：泥巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度33MPa，屬于典型的高應(yīng)力底板軟巖巷道。巷道斷面為直墻半圓拱形，凈高4.2m，凈寬5.2m，噴厚0.15m，巷道原支護(hù)采用錨網(wǎng)索噴漿聯(lián)合支護(hù)。該巷道自掘進(jìn)至今，頂拱部擠壓變形下沉量平均300mm，兩幫收縮量平均300mm，底鼓量平均1000mm，底鼓量占到巷道變形量的62.5%，嚴(yán)重影響該礦正常生產(chǎn)與運行。

2底板破壞原因分析

2.1　巖石礦物成分分析

由巖石物質(zhì)成分分析可知：該礦底板泥巖中含有高嶺石、伊利石等黏土礦物，所占比例超過礦物總含量的50%。高嶺石主要是遇水泥化，并不具備膨脹的特性，但伊利石具有遇水膨脹性。這些成分體現(xiàn)了高應(yīng)力軟巖巷道底板巖體強(qiáng)度低、遇水膨脹、承載力小的特點。

2.2　底鼓特征分析

從現(xiàn)場觀測可知：原始層狀完整的底板巖體已經(jīng)破碎成大小不等的塊體，底板兩幫側(cè)的巖體較中部的巖體破碎松散，可見巷道底板強(qiáng)度已較大降低。巷道開掘后，圍巖應(yīng)力重新分布，破碎底板巖體沿節(jié)理面發(fā)生持續(xù)的轉(zhuǎn)動、錯動或滑移，產(chǎn)生顯著剪漲變形[5]；由于底板處于臨空狀態(tài)，圍巖應(yīng)力重新分布和遠(yuǎn)場高構(gòu)造應(yīng)力作用下，導(dǎo)致底板破碎巖體流動變形，即產(chǎn)生擠壓流動性底鼓[6]。同時兩幫在支承壓力作用下形成破碎區(qū)和塑性流動區(qū)并向巷道內(nèi)擠壓，對底板形成“二次水平應(yīng)力”，底板在“二次水平應(yīng)力”作用下，底鼓再次加劇。

2.3　數(shù)值模擬分析

巖石力學(xué)測試表明，摩爾-庫倫模型不能反映巖體的后破壞強(qiáng)度弱化特性，而FLAC3D內(nèi)置的應(yīng)變軟化模型可通過弱化巖石力學(xué)參數(shù)實現(xiàn)巖體的應(yīng)變軟化特性。由于處于高應(yīng)力下的深部軟弱巖體在開挖后應(yīng)力瞬間釋放，導(dǎo)致圍巖未支護(hù)前早已進(jìn)入強(qiáng)度弱化階段[7]，軟弱無支護(hù)狀態(tài)下的底板表現(xiàn)尤甚。

在研究該礦地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，采用FLAC3D內(nèi)置的應(yīng)變軟化模型，建立幾何模型：尺寸60m×40m×2m，14920個單元，22868個節(jié)點。模型的四周側(cè)面邊界設(shè)置水平0位移約束，底部為鉛垂0位移約束，上部為自由邊界，施加上覆巖層20MPa載荷，側(cè)壓系數(shù)取1.5。

圖1(a)、(b)中，正值表示水平位移量向右，負(fù)值表示水平位移量向左；圖1(c)、(d)中負(fù)值表示壓應(yīng)力。由圖可知：底板采用應(yīng)變軟化模型時，底板出現(xiàn)顯著的水平位移，且由兩幫向底板中部逐漸降低，而摩爾-庫倫模型計算所得結(jié)果并不能很好地體現(xiàn)出軟巖底板的水平位移變化。由圖1(c)可知：底板采用摩爾-庫倫模型時水平應(yīng)力降低區(qū)主要在兩幫和頂板，底板水平應(yīng)力降低范圍較小；采用應(yīng)變軟化模型后兩幫和頂板水平應(yīng)力降低區(qū)范圍加大，底板深部出現(xiàn)較大范圍水平應(yīng)力降低區(qū)。采用應(yīng)變軟化模型時(圖1(d))，底板軟化后兩幫和頂板水平應(yīng)力降低區(qū)范圍加大，底板深部出現(xiàn)較大范圍水平應(yīng)力降低區(qū)。在較大水平應(yīng)力作用下，在距底板下方3.5m處出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力集中系數(shù)1.25～1.4。水平應(yīng)力降低區(qū)距底板中部2.5m，表明巷道底板淺部圍巖已經(jīng)產(chǎn)生破壞，強(qiáng)度降低，無法承載較大的水平應(yīng)力，同時由于底板的破壞深度加大，底板水平應(yīng)力增高區(qū)向底板深部轉(zhuǎn)移。

3底鼓控制方案

通過對巷道底鼓的主要原因進(jìn)行分析研究可知，巷道圍巖是由頂板、底板、兩幫組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)體，該礦井底車場底鼓量大，只有對底板進(jìn)行與頂板同樣強(qiáng)度的支護(hù)措施，才能使巷道斷面受力均勻[8]；同時已有相關(guān)工程實踐證明，加固兩幫可在一定程度上控制深井巷道底鼓。因此，采用護(hù)底強(qiáng)幫的方法來加固巷道[9]。

底板錨注技術(shù)采用高強(qiáng)度組合錨索，緊固于底板上的梁網(wǎng)砼體，并在其下注漿加固，起到強(qiáng)化底板巖體作用，使巷道全斷面形成均勻受力。

3.1　優(yōu)化方案

(1)方案一(原支護(hù))巷道兩幫及頂板打設(shè)錨桿并掛鋼筋網(wǎng)，錨桿間排距為700mm×700mm，巷幫每排2根，拱頂每排9根，最下排幫錨桿距底板不大于400mm；頂板錨索間排距為1200mm×1400mm，配合16號槽鋼，正中1根，中線往外各2根，每排5根。

圖1　兩模型下水平位移、應(yīng)力云圖

(2)方案二(底板錨注+兩幫補(bǔ)強(qiáng))在原支護(hù)的基礎(chǔ)上，對兩幫進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)，錨索為φ17.8mm×6200mm低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每排補(bǔ)打1根，距底板0.8m，排距1.4m；對底板采用組合錨索錨注技術(shù)進(jìn)行加固，錨索長12m，間排距1400mm×1400mm，中部組錨孔垂直底板，靠兩幫處孔角外擺15°。

3.2　模擬結(jié)果分析

3.2.1最小主應(yīng)力對比分析

通過最小主應(yīng)力可以判定圍巖內(nèi)部是否存在拉應(yīng)力[10]。圖2(a)為巷道原支護(hù)最小主應(yīng)力云圖，可知在巷道底板存在拉應(yīng)力，最大值0.64MPa。最小主應(yīng)力從巷道表面向外逐漸增加至原巖應(yīng)力，應(yīng)力降低區(qū)邊界距底板中部8m，距底角兩側(cè)6m，距兩幫7m，距頂板4m，可知底角兩側(cè)比中部較快恢復(fù)至原巖應(yīng)力。圖2(b)為護(hù)底強(qiáng)幫后最小主應(yīng)力云圖，可知拉應(yīng)力最大值降低為0.19MPa，應(yīng)力降低區(qū)邊界距底板中部減小為5m，距底角兩側(cè)減小為2.5m，距兩幫3.5m，距頂板3m。可知護(hù)底強(qiáng)幫與底板無支護(hù)相比，底板及兩幫應(yīng)力降低區(qū)范圍明顯減小。采用底板錨注技術(shù)支護(hù)并加強(qiáng)巷幫支護(hù)后，能夠有效地控制底鼓量，減輕底板受拉破壞程度。

圖2　兩方案最小主應(yīng)力云圖

3.2.2鉛垂位移對比分析

兩支護(hù)方案下的底板位移量如圖3所示，其中正值表示位移向上，負(fù)值表示位移向下。由數(shù)值模擬結(jié)果可知：在原支護(hù)方案下最大底鼓量、頂板下沉量、兩幫移近量分別為206mm，72mm，89mm；優(yōu)化支護(hù)后，最大底鼓量、頂板下沉量、兩幫移近量分別為31mm，60mm，62mm。通過對比可知優(yōu)化支護(hù)后比原支護(hù)底鼓量、頂板下沉量、兩幫移近量分別減小了85.0%，16.7%，30.3%，兩幫和底板變形量得到明顯控制。主要由于底板支護(hù)及強(qiáng)幫后，底板承載能力大幅提高，同時巷道全斷面受力均勻。

圖3　兩方案鉛垂位移云圖

4工程實踐

4.1　底板錨注加固主要工序

(1)淺位預(yù)注漿淺位6m深預(yù)注漿，漿料采用水泥—水玻璃雙液漿，注漿壓力3MPa，此工序主要避免打孔時破碎底板成孔不佳。

(2)組錨索孔施工采用礦用井下架柱式淺孔鉆機(jī)，DZQ-100型底板錨索鉆機(jī)，鉆孔直徑90mm，孔深12.5m，一次成孔，中部組錨孔垂直底板，靠兩幫處孔角外擺15°。

(3)下放組錨索及深部注漿每束組錨索由3根φ17.8mm×12000mm高強(qiáng)度低松弛鋼絞線組成，下放組錨索，然后將6m預(yù)埋注漿管推入至距孔口2.5m深處，管口引至孔外，利用塑膠泥封孔；隔天后，利用預(yù)埋注漿管對錨索孔深部進(jìn)行注漿，注漿壓力5MPa。

(4)安裝組錨索及其配套設(shè)備對底板臥底300～400mm→鋪底網(wǎng)→安裝預(yù)先加工好的工字鋼底梁、橫向按排布置→安裝托盤，每束組錨索安裝2個托盤，規(guī)格分別為400mm×400mm×16mm，200mm×200mm×16mm→張拉錨索。

(5)底板澆砼現(xiàn)場澆注標(biāo)號為C20的混凝土，厚度300mm。

(6)砼下注漿混凝土澆注7d后，施工砼下注漿孔并進(jìn)行注漿，孔徑90mm，孔深6m，注漿壓力5MPa。

4.2　圍巖變形量監(jiān)測

對現(xiàn)場進(jìn)行礦壓觀測，每隔20m布置1個巷道變形測站，共3個測站，對巷道表面位移進(jìn)行觀測。由圖4可以看出，經(jīng)過底板錨注治理后，巷道兩幫收縮量最大100mm，底鼓量未超過150mm，頂?shù)装逡平课闯^250mm，取得了良好的支護(hù)效果。

圖4　巷道表面位移觀測

5結(jié)論

(1)FLAC3D內(nèi)置的應(yīng)變軟化模型能夠較好地

反映高應(yīng)力巖體的應(yīng)變軟化、剪漲擴(kuò)容特點，可見在深部高應(yīng)力巖體的數(shù)值分析時應(yīng)變軟化模型比摩爾-庫倫模型更能接近反映深部巖體破壞的實際情況。

(2)高應(yīng)力巖體的應(yīng)變軟化、剪漲擴(kuò)容、遇水膨脹是造成高應(yīng)力軟巖巷道劇烈底鼓的主要原因；對底板進(jìn)行錨注支護(hù)，同時補(bǔ)強(qiáng)巷幫支護(hù)，提高兩幫承載強(qiáng)度，形成全斷面的均勻支護(hù)狀態(tài)，可有效控制底鼓。

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[責(zé)任編輯：王興庫]

[作者簡介]李亞鵬(1988-)，男，山西高平人，碩士研究生，研究方向為礦山壓力與巖層控制。

[收稿日期]2015-03-16

[中圖分類號]TD353

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]B

[文章編號]1006-6225(2015)05-0050-03