基于“三殼”承載結構的軟巖巷道底鼓治理技術研究

韓連昌，劉 勇，康向濤，王 沉，王羽揚，冷光海,2

(1.貴州大學礦業學院，貴州 貴陽 550025； 2.貴州盤江精煤股份有限公司土城礦，貴州 盤州 553529)

軟巖巷道的支護問題是世界地下工程一項重要而復雜的工程難題，地質條件日趨復雜，高地應力、高地溫、高滲透壓以及強擾動影響加劇了軟巖巷道的支護難度，隨著煤礦開采深度逐漸加深，深部地應力的逐漸加大，使得軟巖巷道的支護問題進一步加劇[1-3]。

近年來，國內外專家學者針對軟巖巷道的支護問題做了大量的研究工作和工程實踐，在巷道頂板及兩幫的治理上有一定效果，變形量在可控范圍內，但底鼓的治理仍存在一定問題，治理效果不佳[4-6]。謝廣祥等[7]針對淮南礦區巷道底鼓的支護難題，采用數值模擬和現場實測等方法，揭示了巷道底鼓的力學特性，提出了“超挖錨注回填”技術；劉泉聲等[8]以顧北煤礦膠帶機巷為工程背景，對巷道底鼓影響因素、特性進行分析，得出底鼓破壞原因，提出了“混凝土反拱地坪、深淺孔注漿、高預應力組合錨索”的支護方案，治理效果良好；楊本生等[9]分析巷道底鼓影響因素及機理，認為底鼓的破壞主要是無支護時的剪切破壞，進而應用連續“雙殼”支護理論，構建了“底板淺孔注漿+深部錨索束高壓注漿”的治理底鼓技術，成功解決新景礦底鼓的支護難題；王曉卿等[10]采用FLAC3D數值模擬軟件分析底鼓機理，研發出了適用于底鼓支護的端錨錨索束，提出了以“端錨錨索束”為主的底鼓控制方案，并在潘一東礦西翼主膠帶機大巷三聯巷得到成功運用，治理效果良好；王衛軍等[11]認為巷道圍巖是頂板、兩幫、底板組成的復合結構體，回采巷道兩幫為軟弱煤體，直接影響底板的穩定性，基于此提出了“加固兩幫”控制底鼓，工程實踐證明，支護效果良好。這些治理方法不同程度上對底鼓的治理有一定成效，但現有支護環境的復雜性，底鼓的破壞機理不同，現有的底鼓治理措施存在一定局限性，不能取得很好的治理效果。

因此，筆者以貴州省盤江礦區某礦131運輸巷為工程實踐背景，針對該巷道底鼓治理問題，采用現場調研、理論分析、數值模擬等研究方法，分析底鼓的變形破壞特點及原因，針對性提出“三殼”支護理論，分析其支護機理，提出了“底板淺部注漿錨桿+深部注漿錨索束+灌漿500 mm+U型可縮性支架”的支護方案，并成功運用。現場監測表明，該支護方案有效治理巷道底鼓。

1 工程概況

某礦131運輸上山巷位于貴州省盤江礦區，該巷道原巷道斷面為直墻半圓拱形，凈寬×凈寬=5 500 mm×4 750 mm，巷道埋深869 m，屬于深部高應力軟巖巷道。該巷道底鼓變形破壞嚴重，底板滲水、積水現象嚴重，且底板巖性多為黏土礦物，遇水極易膨脹，經現場測量底鼓破壞深度達10 m。尤其是兩旁受12#煤層和14#煤層的采動影響，距巷道位置的距離分別為11.25 m和14.23 m，重復采動加劇了巷道的應力集中，使得巷道經多次返修尚且不能控制底鼓的發生，經測試最大水平主應力為18.25 MPa，側壓系數達1.5，水平應力較高，屬于典型的高應力工程軟巖巷道。

巷道支護方式為錨桿網索噴支護方式，各支護參數為：頂板錨桿規格為Φ20 mm×L2 200 mm，幫部錨桿為Φ22 mm×L2 000 mm，間排距為800 mm×800 mm；錨索規格為Φ17.8 mm×6 200 mm，間排距為1 600 mm×1 800 mm，鋼筋網規格為Φ8 mm×100 mm×100 mm鋼筋焊制，噴漿厚度為150 mm。巷道原支護方式如圖1所示。

圖1 巷道原支護方式Fig.1 Original support pattern of roadway

2 底鼓破壞特點及破壞原因

2.1 巷道底鼓變形破壞特點

131運輸上山巷位處高應力大變形區域，導致底鼓變形破壞嚴重。其破壞特點主要有以下三方面。①底鼓變形量大，變形速度快。巷道在支護完成后1個月內，底鼓最大突起量400 mm，2個月內底鼓突起量8 000 mm，平均變形率17 mm/d，嚴重影響巷道的正常使用。②巷道底板常有滲水、積水等現象。在水的侵蝕作用下，底板泥化現象嚴重。③巷道兩幫及頂板的移近量大于底鼓量，經現場測量變形量是底鼓量的1.5倍，巷道斷面最終只夠1個人通過。

2.2 礦物圍巖成分分析

取底板巖樣進行室內圍巖成分分析，采用panalytical多功能粉末X射線衍射儀分析得：巖性多以泥巖、頁巖、粉砂巖等黏土礦物為主。以泥巖為主的礦物組分為高嶺石28.5%、蒙脫石42.9%、伊利石20.1%和其他8.5%。采用HDH-1點荷載試驗儀對底板巖樣進行點載荷試驗，以泥巖為主的單軸抗壓強度為2.45 MPa。

2.3 底鼓破壞原因分析

1) 應力狀態。巷道底鼓的發生與所受應力狀態有極大關系，巷道埋深較深，經測試巷道位處高應力區，長期處于高應力狀態，巷道開挖后受力由三向受力狀態向二向應力狀態轉變，應力狀態重新分布，期間集聚的能量釋放。同時，巷道受到12#煤層和14#煤層工作面的采動影響，底板二次應力集中，最終導致底鼓發生。

2) 圍巖性質。底板巖性多以泥巖、頁巖、粉砂巖等黏土礦物為主，底板圍巖松散破碎。其中以泥巖為主的黏土礦物組分中蒙脫石含量最高，蒙脫石屬于強親水性黏土礦物，遇水發生物理化學反應，造成內部組分改變，產生空隙和裂隙，宏觀主要體現為體積膨脹，膨脹量為原體積的7倍。同時，膨脹產生較大的膨脹壓力，加劇了底板的破壞。

3) 支護狀態。巷道原支護方式為傳統的錨桿網索噴支護，底板處于敞開無支護狀態，在高應力作用下，巷道的失穩變形首先從支護的薄弱環節開始破壞，底部無支護，兩幫壓力Ps沿著底板滑移線向底鼓內擠壓流動，底板成為高應力釋放空間，從而產生嚴重的底鼓現象。圖2為巷道底鼓破壞原因示意圖。

4) 水理作用。巷道底板常有滲水、積水等現象，底板巖性本身就是親水性黏土礦物，遇水極易膨脹，從而造成底板巖體松散破碎。破碎巖體為水的侵蝕提供便利，隨著時間的推移，底鼓只會愈發嚴重。

Ps-兩幫對底板壓力；α，β-底板滑移線圖2 巷道底鼓破壞原因示意圖Fig.2 Schematic diagram of the destruction reason tothe tunnel bottom drum

3 “三殼”治理底鼓理論和機理

3.1 “三殼”支護理論

對底板圍巖先打淺部錨桿，然后打深部錨索，最后實施底板灌漿。即灌漿體硬化形成第一承載殼，錨桿形成第二承載結構，硬化灌漿體和錨桿形成淺部支護殼，錨索調動深部圍巖形成第三承載殼也可叫深部加固殼。三殼的相互協調及相互耦合，即為巷道的“三殼”支護，支護模型如圖3所示。

圖3 巷道圍巖“三殼”支護模型Fig.3 “Triple-shell” support model for surroundingrock of roadway

3.2 “三殼”治理底鼓機理

1) 淺部圍巖通過錨桿的成拱作用，將底板破碎圍巖凝結為一體，減少淺部圍巖的松動圈范圍，提高底板圍巖的整體強度，增強自身的應力承載范圍，強化淺部圍巖的承載能力，淺部錨桿的成拱作用形成第二承載結構，為深部圍巖的穩定提供保障。

2) 錨索將淺部破碎圍巖體與深部穩定圍巖進行預緊擠壓，將剪應力向深部延伸、擴張，減小水平應力對淺部圍巖的剪切作用；幫部錨桿切斷兩幫壓力對底板的擠壓流動，減小底板的應力集中程度；打錨索時托盤預留柔性變形間隙，適當釋放底板變形能，避免底板表面應力集中造成的破壞。

3) 采用高壓底板灌漿，漿液可在高壓泵的作用下滲透在底板破碎圍巖裂隙中，漿液在圍巖裂隙中滲透、蠕動形成網絡骨架結構，提高底板淺部圍巖的黏聚力和內摩擦角，進而提高底板圍巖的承載性能；其次漿液可將底板圍巖中出現的大裂隙、小縫隙進行充填，從而提高底板圍巖的整體完整性。

4) 第二承載殼和第三承載殼將底板深淺圍巖的導水裂隙通道進行了充填、封堵，阻止底板深部以及淺部的滲水作用對底板圍巖的侵蝕；高壓灌漿(第一承載殼)阻隔了頂板及兩幫的長期積水對底板的侵蝕，“三殼”的保護避免了底板圍巖因水的侵蝕導致的膨脹變形。

5) 底板灌漿的混凝土支護結構與支架形成了既能高強度抗壓又能適度讓壓支護體系，錨索托盤的柔性變形間隙和灌漿體的硬化過程達到“適度讓壓”的目的；灌漿體硬化形成的混凝土支護結構讓底板圍巖的受力狀態由二向受力向三向受力狀態轉變，與支架的共同作用能提供較大的主動承載性能，從而防止底鼓的發生。

4 “三殼”治理底鼓關鍵技術及治理效果

4.1 “三殼”治理底鼓關鍵技術

根據軟巖巷道支護理論，結合巷道的變形破壞特征以及變形破壞原因，基于“三殼”底鼓控制理論，針對貴州省盤江礦區某礦131運輸上山巷提出以下底鼓治理關鍵技術：巷道底板淺部打注漿錨桿形成錨桿群即“第二承載殼”，深部注漿+錨索束“即第三承載殼(深部加固殼)”，巷道底板表面灌漿500 mm+U型可縮性支架即“第一承載殼”。

1) 巷道的失穩變形首先從支護的薄弱環節開始破壞，肩角、肩窩、底角往往為巷道變形破壞的突破口，為避免巷道支護過程中出現薄弱環節，巷道形狀采用馬蹄形巷道斷面。

2) 將巷道斷面施工至設計斷面，凈寬×凈高=6 300 mm×4 800 mm，臥底達到設計要求，底板起底1 200 mm。

3) 底板淺部施加注漿錨桿(第二承載殼)。淺部錨桿間排距1 500 mm×1 800 mm，底板布置4根注漿錨桿，布置方式為巷道中心線兩側交錯布置，錨桿規格為Φ22 mm×L2 500 mm高強螺紋鋼錨桿，底板幫角錨桿與水平方向角度為20～30°，注漿壓力控制在4～5 MPa；頂板錨桿采用Φ20 mm×L2 400 mm，幫錨桿采用Φ22 mm×1 800 mm，間排距為800 mm×800mm，每排施工13根，每根采用Z2835樹脂藥卷3卷；鋼筋網規格為1 800 mm×980 mm，搭接長度為100 mm，錨桿螺絲的緊固力矩達到160～220 N·bm。

3) 采用底板錨索鉆機打底板錨索孔，采用Φ21.6 mm×L8 000 mm的高強度低松弛鋼絞繩(深部加固殼)，底板布置錨索3根，底板中心線兩側交錯布置與垂直方向成15°；頂板錨索采用Φ21.6 mm×L600 mm預應力錨索，間排距為1 200 mm×1 200 mm，每排施工5根錨索，每根錨索采用5節錨固劑，錨固長度1 500 mm，錨索緊固后外露長度為150～250 mm，錨索設計預警力不低于200 kN。

4) 底板灌漿厚度為500 mm，漿液配比為水泥：砂子=1∶3，漿液加入速凝劑，用量為水泥的3%～5%，噴射灌漿工作壓風控制在0.13～0.21 MPa，工作水壓比風壓大0.1 MPa，以便于水環噴出的水能夠充分濕潤瞬間通過噴頭的混合料。

5) 支架采用U36型鋼可縮性支架，支架由4節組成，搭接處采用3副卡纜，卡纜間距為170 mm，卡纜預緊力矩為360～400 N·bm。U型鋼架設棚距為800 mm，支架采用直拉桿連接，保證支架穩定性，支護方案設計圖見圖4。

4.2 數值模擬分析

圖4 支護方案設計圖Fig.4 The design of supporting scheme

圖5 數值模擬力學模型Fig.5 Mechanical model of the numerical simulation

為進一步驗證方案的合理性，采用FLAC3D數值模擬軟件進行數值分析，建立數值模擬力學模型，如圖5所示。模型尺寸為65 m×10 m×75 m，計算模型共有15 820個單元和17 940個節點，開挖過程中模型底部、前后、左右限制移動，頂部施加18.56 MPa的局部載荷，巷道開挖后馬上進行支護，支護中錨桿錨索采用Cable單元，支架采用Beam單元，模型運算煤巖層力學參數見表1。錨桿錨索支護參數見表2。U型鋼支架力學參數見表3。

數值模擬過程中采用原支護方案和設計方案進行對比分析。數值模擬分析對比了無支護、原支護和設計支護三種設計方案，由圖6和圖7分析結果得知：巷道開挖后，由于沒有采取任何的支護措施，巷道由開挖前的三向受力狀態變為二向受力狀態，巷道表面位移量隨著開挖時間而不斷增加，最終底鼓量以及頂板的位移量最大分別為450 mm和380 mm，塑性區范圍最廣，變形量較大，故巷道開挖后應立即施加支護；采用原支護方案，底板未進行支護，頂板及兩幫圍巖得到改善，位移量明顯減少，頂幫的加固對底鼓的治理有一定效果，但底板塑性區范圍仍廣，變形量不可控范圍內，易發生底鼓，影響巷道的正常使用，故應立即對底鼓施加支護；采用設計方案相比底鼓量以及頂板位移量明顯降低，底鼓量由原支護方案的175 mm降到25 mm，頂板下沉量由150 mm降到35 mm，塑性區范圍顯著減小，支護效果良好。設計方案提高了圍巖整體承載性能，形成既能高強抗壓又能適度讓壓的支護體，巷道底鼓的治理得到改善。綜上，設計的支護方案有效地控制了底鼓變形。

表1 巖層力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of rockemployed in numerical simulation

表2 錨桿錨索支護參數Table 2 Supporting parameters of anchor and cable

表3 U型鋼支架力學參數Table 3 Supporting parameters of anchor and cable

圖6 巷道圍巖塑性區分布圖Fig.6 Roadway surrounding rock state contour

圖7 巷道圍巖位移云圖Fig.7 Roadway surrounding rock displacement contour

4.3 現場實測

為進一步驗證支護方案的可行性，該設計方案在貴州省盤江礦區某礦131運輸上山巷得到成功運用。支護完成后對現場支護情況進行了為期3個月觀測，現場采用十字布點法對巷道的表面位移進行觀測，并設置多個測點，選取最為具有代表性的兩個測點進行分析，測量曲線如圖8所示。

從監測曲線中分析得知，巷道斷面的變形大致可分為三個階段：快速變形階段、緩慢變形階段和穩定階段。巷道在支護后20 d變形最為劇烈，頂板最大變形量58 mm，最大底鼓量53 mm，此階段的支護主要依靠錨桿索支護；20～45 d變形較為緩和頂板最大變形量42 mm，最大底鼓量40 mm，此階段灌漿支護體逐漸硬化與U型鋼支架的作用逐漸顯現出來，圍巖變形速率降低；支護后45 d巷道圍巖的變形量逐漸降低，最終趨于穩定，頂板、底板、兩幫的變形速率分別為0.27 mm/d、0.35 mm/d、0.55 mm/d，此階段灌漿漿液硬化形成混凝土支護體，支架的作用也充分發揮，兩者提供較大的主動承載性能，共同維持巷道的穩定。

圖8 巷道圍巖位移監測曲線Fig.8 Roadway surrounding rock displacement monitoring graph

5 結 論

1) 針對某礦131運輸上山巷底鼓嚴重問題，分析認為底鼓的主要影響因素為：巷道埋深大，巷道位處高應力環境復雜區，受重復采動影響顯著；巷道底板巖層松散破碎，破壞深度深且處于敞開無支護狀態，在高應力作用下，發生剪切破壞；底板滲水、積水嚴重，巖層遇水易產生較大膨脹壓力。

2) 針對該巷道底鼓的治理問題，提出了“三殼”支護理論，并分析其底鼓治理機理，同時構建了“三殼”支護結構模型。

3) 分析巷道變形破壞特點及破壞原因，基于“三殼”底鼓控制理論，提出了“底板淺部注漿錨桿+深部注漿+錨索束+灌漿500 mm+U型可縮性支架”的支護體系并成功應用。

4) 經現場監測，巷道在采用該支護方案后45 d圍巖變形量趨于穩定，最大底鼓量95 mm，最大頂板下沉量102 mm，巷道的整體變形量在可控范圍內，底鼓治理效果良好。