軟巖巷道復合型底鼓破壞機理及控制對策

劉富平

(霍州煤電集團 辛置煤礦，山西　霍州　031412)

1　工程概況

某礦一水平標高為-823 m，該礦井底車場處于13#煤層底板、11#煤層頂板，西翼運輸石門是井底車場重車線與西翼運輸大巷連接的樞紐。西翼運輸石門采用炮掘施工，巷道形狀為直墻半圓拱，巷道掘進斷面高為4 850 mm、寬為5 800 mm，凈斷面高為4 540 mm、寬為5 200 mm，支護方式為U型棚+錨網索+注漿聯合支護方式，巷道底板無支護。運輸石門沿11#煤頂板掘進，11#煤平均厚2.6 m，偽頂為0.3 m厚的泥巖，直接頂為厚約4 m的灰黑色砂質泥巖，直接底為9.4 m厚的炭質泥巖，老底為15.7 m厚的中細砂巖。該石門巷道掘成后巷道圍巖整體支護效果良好，巷道頂板及兩幫變形量較小，但大量級的底鼓嚴重影響了巷道的正常使用，巷道多處呈現沿底板中央開裂隆起現象，雖然多次臥底維護，但臥底過后巷道扔持續底鼓，且底鼓速度增快，巷道維護困難。

2　石門底鼓機理研究

軟巖巷道發生底鼓的原因是多樣的，通過工程地質調查可知，運輸石門直接底為泥巖等軟弱巖層，且會受到水的作用，因此會最終形成剪切滑移—物化膨脹型的復合型底鼓。

1) 物化膨脹變形機理。軌道石門底板泥巖中含有較多的高嶺石，高嶺石的化學結構特殊，其分子的晶胞間連接緊密，因此水分子很難與之接觸，對外表現出較強的疏水性，并未顯示出明顯的膨脹變形。在高嶺石的外表面附著著游離價原子和離子，使其具備一定的靜電應力，進而在其表面形成了小范圍的引力場，底板巖層中水分子在其作用下，在其外表面積聚越來越多，最終形成一層水化膜，由于水化膜的存在，巖體在宏觀上表現出體積膨脹，最終引起底鼓現象的發生。

2) 剪切滑移變形機理。軌道石門巷道在開挖后，會引起巷道周邊圍巖的應力變化，頂板的壓力通過巷幫向巷道底板轉移，巷道底角部位的應力集中現象最為嚴重，當應力超過其強度極限時，在巷道底角處首先發生剪切破壞，形成剪切滑移面，隨著時間的推移，巷道底板巖層會沿著滑移面破壞并進入巷道，最終產生巷道底鼓變形。

3　石門底鼓數值模擬計算研究

以西翼運輸石門所處工程地質條件為背景建立FLAC3D數值模擬模型，以巷道斷面方向為X軸，掘進方向為Y軸，豎直方向為Z軸，綜合考慮巷道掘進巖體活動影響范圍，建立模型尺寸為長60 m×寬10 m×高50 m，在模型中央進行巷道開挖，巷道寬5.2 m，中高為4.6 m.針對巷道周圍巖體網格進行加密，在模型上邊界施加q=18.45 MPa的均布載荷模擬到地表的豎直地應力，該巷道平均埋深500 m，屬于深井巷道，考慮水平應力的影響，側壓系數選1.5，固定水平方向X方向位移、前后方向Y方向位移及底部Z方向位移，該模型共有70 000個單元，84 609個單元節點，選用Mohr-Coulomb本構模型。通過數值模擬對底板無支護、錨索支護、深淺孔錨索注漿加固3種方案下，巷道圍巖塑性區、垂直位移量、圍巖應力分布特征進行對比分析，從而為現場支護提供參考依據。煤層及頂底板相關巖層物理力學參數見表1.

表1　煤層及頂底板相關巖層物理力學參數表

1) 在底板無支護、錨索支護及深淺孔錨索注漿加固3種支護方案下，西翼運輸石門的塑形區分布見圖1.

圖1　不同支護方案下巷道圍巖塑性區分布圖

由圖1可知，巷道底板不進行支護情況下，底板會出現較大范圍的塑形區；在采用錨索支護情況下，底板塑性區減小，說明錨索通過其預緊力可加強底板圍巖完整性，底板抗剪能力得到提高；采用深淺孔錨索注漿加固后底板塑性區進一步減小，錨索在發揮其預緊力同時漿液擴散到底板巖層，底板性質得到改善，底鼓現象得到控制。

2) 在底板無支護、錨索支護及深淺孔錨索注漿加固3種支護方案下，西翼運輸石門的垂直位移見圖2.

圖2　不同支護方案下巷道圍巖垂直位移分布圖

由圖2可知，巷道的開挖對周圍巖體產生工程擾動，導致圍巖移動變形，在底板無支護情況下，最大底鼓位置出現在巷道底板中央位置，最大底鼓量可達到712.6 mm；采用錨索支護后，巷道最大底鼓量減小到213.5 mm，與無支護條件相比，底鼓量減小70.3%；當采用深淺孔錨索注漿加固方式后，巷道底鼓量持續減小，最大底鼓量僅為62.5 mm，相比無支護和錨索支護條件下，巷道底鼓量同比減小91.3%和70.7%.

3) 在底板無支護、錨索支護及深淺孔錨索注漿加固3種支護方案下，西翼運輸石門的垂直應力見圖3.

圖3　不同支護方案下巷道圍巖垂直應力分布圖

由圖3可知，巷道底板在無支護條件下，垂直應力集中程度及影響范圍均最大；采用錨索支護后可降低底板應力集中程度，高應力轉向深部；采用深淺孔錨索注漿加固后，底板應力集中程度及影響范圍大大減小，巷道底板處于低應力狀態，可有效維護巷道底板穩定。

通過以上數值模擬可發現，西翼運輸石門在底板無支護情況下，該巷道砂質泥巖直接底板為強度較低的軟弱巖層，巷道的開挖會引起圍巖應力的變化，巷道頂板所受支承壓力會通過兩幫向底板轉移，兩幫底角處應力集中現象較為嚴重，最先發生剪切變形破壞，隨著時間的推移，底板剪切滑移范圍逐步擴大，最終導致712.6 mm的底鼓量。采用深淺孔錨索注漿加固方案較錨索支護方案可將巷道底鼓量由213.5 mm減小到62.5 mm，底鼓治理效果明顯。

4　工業性試驗

西翼運輸石門變形破壞主要以巷道底鼓為主，頂板及兩幫支護良好，針對底鼓問題，結合數值模擬結果，最終提出了“反底拱配合深淺孔注漿”的支護方案。

施工工藝流程：

1) 人工起底。以巷道腰線為基準，對巷道進行風鎬人工起底，礦車出渣，人工起底高度為腰線至底板2 031 mm，起底工作應分層進行，每次起底高度不超過300 mm.起底工作完成后，在棚腿底角打兩根d22 mm×2 500 mm的高強左旋螺紋鋼錨桿，每根錨桿配合2支Z2860樹脂錨固劑，用以保護棚腿。

2) 反底拱施工。反底拱材質選用36U型鋼，將其加工成兩段分別長3 073 mm和3 071 mm的圓弧鋼梁，在鋼梁的末端焊接長300 mm的卡槽，兩段鋼梁搭接部分長700 mm，誤差范圍為±50 mm，由卡攬鎖住。該反底拱的安裝，由錨桿將棚腿和卡槽鎖緊，并保持同一水平位置，將鋼梁搭接好后由卡攬鎖緊。反底拱底梁結構示意圖見圖4.

圖4　反底拱底梁結構示意圖

3) 淺孔注漿。采用風動鑿巖機鉆孔，每排鉆4個直徑為25 mm，深度為2 600 mm的淺孔，淺孔間距為1 600 mm，排距為1 800 mm.鉆孔完成后安裝長度為2 600 mm、直徑為20 mm、壁厚1.8 mm的無縫注漿管，該注漿管注漿段共開四組交錯孔，每組孔間距為200 mm，孔直徑為8 mm。 通過棉紗和水泥漿封孔，封孔段長度不小于300 mm，注漿完成后須澆筑混凝土，澆筑后注漿管外露段長度50～80 mm.

4) 深孔注漿。鉆孔采用地錨機，鉆孔深度為6 000 mm、孔徑為32 mm，鉆孔完成后安裝中空注漿錨索，每排布置3根，間距為1 600 mm、排距為1 800 mm，中部錨索垂直于底板布置，兩幫處錨索傾斜45°布置，中空注漿錨索規格為d29 mm×6 300 mm，該錨索外露長度為300 mm，通過止漿塞和毛巾水泥漿液封孔，封孔段長度約800 mm，封孔后24 h進行注漿，注漿壓力為8 MPa， 深淺孔注漿孔布置平面圖見圖5.

圖5　深淺孔注漿孔布置平面圖

5　礦壓觀測

施工完成后在西翼運輸石門設置測站KD1進行巷道底鼓量礦壓觀測，通過67 d的觀測，將監測所得數據進行整理分析，底鼓變形情況見圖6.

圖6　巷道底鼓變形情況圖

1) 整巷施工完成后5～10 d內巷道變形量及變形速度較大，測站KD1最大底鼓速度為3.2 mm/d，此后變形速度減緩，測站KD1在30 d后變形基本趨于穩定，底鼓變形速度大多低于0.24 mm/d，最終底鼓量為31 mm.

2) 礦壓觀測結果表明，“反底拱配合深淺孔注漿”可以改善底板巖性，提高其承載能力，有效控制圍巖變形，取得良好的工程實踐效果。

6　結　論

1) 西翼運輸石門巷道砂質泥巖直接底板為強度較低的軟弱巖層，巷道的開挖會引起圍巖應力的變化，運輸石門直接底為泥巖等軟弱巖層，且會受到水的作用，因此會最終形成剪切滑移—物化膨脹型的復合型底鼓。

2) 通過FLAC3D數值模擬，在底板無支護、錨索支護、深淺孔錨索注漿加固3種支護方案下，巷道底鼓量分別為712.6 mm、213.5 mm、62.5 mm，采用深淺孔錨索注漿加固方式可將巷道底鼓量減小90%以上。

3) 現場實踐表明，采用“反底拱配合深淺孔注漿”可以改善底板巖性，提高其承載能力，有效控制巷道底鼓變形。

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