軟巖巷道底板變形機(jī)理及控制技術(shù)研究

劉東峰

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)陽(yáng)城大西煤礦，山西 晉城 048000）

1 工程概況

煤炭產(chǎn)業(yè)在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位，煤炭資源的安全高效開采，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展具有重要意義[1-2]。在煤炭資源開采過程中會(huì)遇到各種復(fù)雜的地質(zhì)問題，其中軟巖巷道在開挖后，圍巖的原巖應(yīng)力狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，巷道變形嚴(yán)重，包括頂板下沉、兩幫移近以及底鼓[3]。不同于其他巷道變形情況，底板變形經(jīng)常容易被忽視，在巷道掘進(jìn)過程中很少對(duì)底板進(jìn)行單獨(dú)支護(hù)，然而軟巖巷道一旦出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，其變形過程一般是持續(xù)性的，很難在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定。巷道底鼓采用一般的支護(hù)手段難以控制，需要對(duì)底板變形機(jī)理進(jìn)行分析并采取合理的控制技術(shù)[4]。

大西煤礦開拓大巷布置在煤層中，主要包括軌道大巷、回風(fēng)大巷以及膠帶大巷。開拓大巷在服務(wù)于礦井開采過程中，出現(xiàn)了不同程度的底鼓現(xiàn)象，如圖1所示為軌道大巷底鼓治理區(qū)示意圖。為了治理巷道中的底鼓問題，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研以及理論分析，對(duì)巷道底鼓產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)出一套底板變形控制技術(shù)，能夠很好地抑制底板變形情況。

圖1 開拓大巷底鼓治理區(qū)示意圖

2 巷道底板變形機(jī)理分析

在軟巖巷道中，底鼓的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，其變形實(shí)質(zhì)為巷道底板圍巖中的裂隙不斷發(fā)育，裂隙寬度和長(zhǎng)度在增長(zhǎng)過程中發(fā)生貫通，產(chǎn)生更大的裂隙。另外，底鼓產(chǎn)生原因與巷道周圍的應(yīng)力變化、圍巖的流變特性以及底板泥巖遇水泥化膨脹等因素有關(guān)。

大西煤礦開拓巷道底板在巷道掘進(jìn)過程中，由于受施工等因素影響一直未及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，底板圍巖由于開挖經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間，已經(jīng)發(fā)生破碎或離層，直接采用錨索支護(hù)，其預(yù)緊力被離層隔斷，無(wú)法向深部圍巖傳遞，也不能實(shí)現(xiàn)有效擴(kuò)散，支護(hù)效果會(huì)明顯降低，而被動(dòng)支護(hù)難以改善圍巖狀態(tài)，無(wú)法保證巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。因此針對(duì)底鼓嚴(yán)重巷道采用注漿支護(hù)方式，改善底板圍巖巖性，有效控制底板變形。針對(duì)開拓大巷，尤其是局部軌道大巷底板變形長(zhǎng)期得不到穩(wěn)定的情況，結(jié)合其圍巖裂隙發(fā)育的特點(diǎn)，提出采用錨網(wǎng)索注漿支護(hù)進(jìn)行巷道底鼓控制。

3 底板變形控制技術(shù)

3.1 底鼓控制方案

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研以及分析巷道底板變形產(chǎn)生的機(jī)理，提出一套完整的底鼓控制技術(shù)流程。

具體技術(shù)流程為：巷道掘進(jìn)→錨網(wǎng)索及時(shí)支護(hù)→底板以上全斷面噴漿→頂板及兩幫中空注漿錨桿和注漿錨索注漿支護(hù)→軟弱節(jié)理巖層關(guān)鍵部位頂幫打補(bǔ)強(qiáng)錨索→底板淺部注漿→底板預(yù)埋中空注漿錨索→底板錨索注漿→安裝錨索托盤（或增加槽鋼梁）并預(yù)緊錨索→回填成巷。

其中底鼓控制方案為“淺部圍巖固化+深部高壓注漿+混凝土固化技術(shù)”。底板注漿示意圖如圖2。

圖2 底板注漿示意圖

首先漿液在低注漿壓力作用下滲透到底板淺部裂隙，固化底板淺部圍巖，阻止裂隙繼續(xù)發(fā)育，為高預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)提供充足的錨固力。

淺部主動(dòng)注漿后，底板圍巖基本恢復(fù)連續(xù)狀態(tài)，但底板深部的微裂隙和原生裂隙仍然是底板發(fā)生變形的隱患，因此需要對(duì)深部圍巖進(jìn)行加固。采用注漿錨索對(duì)底板深部圍巖進(jìn)行注漿，并施加高預(yù)緊力，從而增強(qiáng)底板圍巖的自承載能力，防止底板圍巖再次破壞。

3.2 底板支護(hù)設(shè)計(jì)

開拓大巷底板支護(hù)設(shè)計(jì)如圖3。底板注漿錨索和注漿錨桿布置間排距均為1600 mm×1600 mm，底板注漿錨桿距離兩幫250 mm。

圖3 底板注漿錨注布置參數(shù)圖

底板注漿施工具體流程如下：

（1）對(duì)巷道底板進(jìn)行臥底，臥底深度超過設(shè)計(jì)巷道底板線200 mm以下。

（2）對(duì)底板淺部圍巖進(jìn)行低壓注漿加固。

（3）采用底板鉆機(jī)鉆取直徑為42～50 mm的鉆孔，鉆孔深度為8000 mm。鉆孔每排3個(gè)，孔間距為1600 mm（根據(jù)巷道斷面調(diào)整），底板錨索孔距離兩幫1050 mm，孔排距1600 mm。

（4）成孔后進(jìn)行預(yù)埋注漿錨索（有條件時(shí)選擇鳥籠錨索）。預(yù)埋直徑22 mm×7000 mm中空注漿錨索，垂直于巷道底板布置，中空注漿錨索的間距為1600 mm，排距為1600 mm。

（5）采用棉紗和水泥固定孔口管并封孔，對(duì)注漿錨索進(jìn)行注漿，注漿壓力為4. 0～5.0 MPa。

（6）由于垂直向下鉆孔孔底可能有水，錨索必須等水泥漿固化具有強(qiáng)度后再施加預(yù)緊力。一般等注漿5～7 d漿液凝固后，安裝 300 mm×300 mm×16 mm的拱形托板，施加預(yù)緊力，張緊力不小于35 MPa，截?cái)嗪笸饴堕L(zhǎng)度為 50～100 mm。

（7）對(duì)巷道底板進(jìn)行回填加固，統(tǒng)一鋪設(shè)厚度200 mm的混凝土層。

具體支護(hù)材料參數(shù)見表1所示。

表1 底板支護(hù)材料及參數(shù)

3.3 工程效果檢驗(yàn)

在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，為了檢驗(yàn)底板注漿支護(hù)效果，通過布置礦壓觀測(cè)測(cè)站來(lái)監(jiān)測(cè)底板變形量。通過該測(cè)站對(duì)巷道57 d的底鼓量變形監(jiān)測(cè)，整理數(shù)據(jù)繪制隨著時(shí)間變化底板變形變化曲線，如圖4。

從圖4（a）中可以看出，巷道變形在后期基本穩(wěn)定，底鼓量累計(jì)為31.3 mm，通過采用底板注漿支護(hù)技術(shù)顯著改善了底板圍巖性質(zhì)，使底板圍巖承載能力得到了很大的提升。

通過對(duì)底鼓變形速度分析可以更好地了解底板在不同階段的變形情況。從圖4（b）中可以看出，巷道在前期變形速度較快，最高達(dá)到2.25 mm/d，后期速度變化趨于平緩，說(shuō)明巷道底板變形在逐漸放緩，進(jìn)一步說(shuō)明“淺部圍巖固化+深部高壓注漿+混凝土固化技術(shù)”在控制底板變形方面有很好的效果。

圖4 底板變形監(jiān)測(cè)情況

4 結(jié)論

（1）在軟巖巷道，底板發(fā)生底鼓現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是巷道底板圍巖中的裂隙不斷發(fā)育，與巷道周圍的應(yīng)力變化、圍巖巖性有關(guān)。

（2）針對(duì)底板變形機(jī)理，提出“淺部圍巖固化+深部高壓注漿+混凝土固化技術(shù)”，并對(duì)底板支護(hù)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。通過底板注漿錨索施工，有效地控制住底鼓，底鼓量累計(jì)為31.3 mm，巷道底板變形速度逐漸放緩，表明底板注漿支護(hù)技術(shù)顯著改善了底板圍巖性質(zhì)，使承載能力得到了很大的提升。