深井回采巷道底鼓控制原理與全斷面錨注加固技術(shù)研究

封 任 陳艾顯

（新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司協(xié)莊煤礦，山東 新泰 271200）

1 工程概況

山東泰山能源協(xié)莊煤礦2204W工作面位于-850m水平二采上山區(qū)，工作面主采煤層均厚2.5m，煤層傾角25°～32°。煤層直接頂板為粉砂巖，均厚1.35m；基本頂為細(xì)粒砂巖，均厚3.34m；直接底為粘土巖，均厚0.5m；基本底為粉砂巖，均厚1.7m。2204W工作面回風(fēng)巷埋深近千米，沿煤層頂板掘進(jìn)，巷道斷面形狀為三心拱形，凈寬5.3m，凈高3.0m。在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，巷道圍巖變形量大，其中底板鼓起現(xiàn)象較為嚴(yán)重，平均底板鼓起量為430mm，急需采取有效的措施，控制底板的鼓起，保證巷道圍巖的穩(wěn)定。

2 底鼓控制原理

目前控制巷道底鼓的方法主要有加固法和卸壓法兩種。加固法主要是通過(guò)對(duì)巷道底板進(jìn)行加固，以提高底板巖體的強(qiáng)度來(lái)有效地控制底鼓現(xiàn)象；卸壓法即為通過(guò)在底板中部或者底角一定距離處切槽進(jìn)行卸壓，將巷道兩幫及底板的應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移，從而有效地降低巖層的應(yīng)力，達(dá)到控制底鼓的目的[1-2]。

為控制2204W工作面回風(fēng)巷底板的鼓起量，保證巷道圍巖的穩(wěn)定，在綜合考慮了現(xiàn)有控制底鼓的方法后，提出采用全斷面錨注法來(lái)控制底板鼓起量，同時(shí)保證巷道圍巖的穩(wěn)定。全斷面錨注加固原理如圖1所示，圖中錨固原理主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）巷道底板錨索在自由段進(jìn)行注漿，自由段內(nèi)的破碎圍巖體的強(qiáng)度會(huì)大幅度增加，形成錨索注漿內(nèi)的加固圈[3]。

（2）由于施工環(huán)境的限制，巷道底板會(huì)在頂板及兩幫加固后進(jìn)行加固作業(yè)。采用錨索預(yù)應(yīng)力加固的方式能對(duì)較大范圍的底板進(jìn)行加固，有效形成錨索注漿內(nèi)加固圈。

（3）底板錨索在一定壓力的作用下進(jìn)行注漿作業(yè)，會(huì)使得漿液的擴(kuò)散半徑更大，能夠保證兩幫底角破碎煤巖體的強(qiáng)度和整體性得到較大程度的提升，形成錨索注漿外加固圈。

（4）在巷道開(kāi)挖后，兩幫及頂板會(huì)采用錨桿（索）的支護(hù)形式控制巷道圍巖變形，當(dāng)對(duì)頂板及兩幫進(jìn)行進(jìn)一步的錨注支護(hù)時(shí)能夠在圍巖內(nèi)形成錨桿（索）加固圈，充分地保證頂板及兩幫的穩(wěn)定性[4]。

（5）在巷道圍巖內(nèi)采用錨桿錨固圈與錨索錨固圈相互疊加的方式，能夠使得巷道圍巖在整體上處于穩(wěn)定的加固區(qū)，這種支護(hù)方式不僅能夠有效地控制巷道底板，同時(shí)能夠保證頂板及兩幫圍巖體的穩(wěn)定。

圖1 全斷面錨注加固原理圖

3 全斷面錨注支護(hù)技術(shù)

3.1 全斷面錨注支護(hù)方案

（1）頂板及兩幫支護(hù)

① 錨桿支護(hù)。2204W工作面回風(fēng)巷原本設(shè)計(jì)采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)，錨桿采用BHRB600，為Φ22mm、長(zhǎng)度為2.4m的左旋為縱筋螺紋錨桿，錨桿預(yù)緊力為120～130kN，頂板錨桿間排距為900×800mm，兩幫錨桿的間排距為700×800mm，巷道斷面內(nèi)共布置15根錨桿，并使用長(zhǎng)×寬×厚=450×280×8mm的W型鋼帶配合錨桿以及金屬網(wǎng)對(duì)巷道表面進(jìn)行保護(hù)。

② 錨索錨注支護(hù)。采用Φ22mm、長(zhǎng)度為5300mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索的間排距為2800×900mm，每排共布置5根錨索，其中拱頂3根垂直于頂板打設(shè)，兩幫布置2根，在距離巷道底板1000mm的位置處沿水平方向打設(shè)，同時(shí)采用擴(kuò)孔器在錨索孔口進(jìn)行擴(kuò)孔作業(yè)，在孔口深度500mm的范圍內(nèi)，將直徑擴(kuò)為56mm，以便安裝止?jié){塞。在錨索及注漿塞安裝完畢后統(tǒng)一進(jìn)行錨索注漿作業(yè)。注漿所用材料為水泥—水玻璃漿液，水灰比控制在0.5～0.6之間，注漿壓力控制在3.0MPa左右，在進(jìn)行單孔注漿作業(yè)時(shí)，當(dāng)巷道圍巖表面出現(xiàn)冒漿時(shí)即代表著單孔注漿作業(yè)的完成。

（2）底板錨索預(yù)應(yīng)力錨注支護(hù)

底板錨索型號(hào)為Φ22mm、長(zhǎng)度為5300mm的鋼絞線，底板錨索的間排距為1000×1100mm。在錨索端頭安裝專用的攪拌頭，錨注鉆孔的直徑范圍為52～56mm，錨固方式采用下錨上注的方式，采用1支K4250和1支M4250型錨固劑對(duì)錨索進(jìn)行錨固。錨索托盤(pán)采用長(zhǎng)×寬×厚=300×300×16mm的可調(diào)心托板，在托板上打設(shè)有Φ18mm的注漿孔。當(dāng)錨索孔口安裝好止?jié){塞后對(duì)錨索施加預(yù)緊力，設(shè)計(jì)預(yù)緊力值為150～160kN。

當(dāng)?shù)装邋^索施加預(yù)緊力結(jié)束后，對(duì)巷道底板進(jìn)行矸石回填并噴射混凝土，以對(duì)注漿管形成保護(hù)。所使用的注漿材料同樣為水泥—水玻璃，水灰比控制在0.4～0.5之間，注漿壓力控制在3.0MPa。

全斷面錨注支護(hù)如圖2所示。

圖2 全斷面錨注加固支護(hù)斷面圖

3.2 支護(hù)效果分析

在巷道實(shí)施全斷面錨注加固后，為驗(yàn)證錨注支護(hù)對(duì)控制巷道圍巖的效果，在巷道掘進(jìn)過(guò)程中布置礦壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)錨桿、錨索的受力狀態(tài)和巷道的表面位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。錨桿錨索測(cè)站設(shè)置1個(gè)，巷道表面位移測(cè)站設(shè)置2個(gè)，命名為測(cè)站1和測(cè)站2。采用該種支護(hù)方案巷道共掘進(jìn)200m，1號(hào)測(cè)站布置在方案實(shí)施后的25m位置處，該測(cè)站只對(duì)巷道表面位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，2號(hào)測(cè)站與1號(hào)測(cè)站間隔100m，該測(cè)站對(duì)巷道的表面位移及錨桿錨索的受力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（1）錨桿錨索受力監(jiān)測(cè)

巷道斷面內(nèi)共對(duì)7根錨桿進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從巷道的左幫向右?guī)鸵来尉幪?hào)為1#～7#，另外對(duì)斷面內(nèi)的8根錨索進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同樣從巷道左幫到右?guī)驮俚降装逡来尉幪?hào)為1#～8#，具體錨桿、錨索監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置形式如圖3所示。

圖3 錨桿（索）測(cè)力計(jì)布置圖

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果能夠得出錨桿、錨索軸向受力—掘進(jìn)時(shí)間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 錨桿（索）受力狀態(tài)監(jiān)測(cè)

通過(guò)分析圖4（a）能夠看出巷道全斷面錨注支護(hù)方案實(shí)施125m后的錨桿受力狀態(tài)。錨桿在施加預(yù)緊力后受力出現(xiàn)迅速降低的現(xiàn)象，隨著巷道掘進(jìn)工作的進(jìn)行，在4d后，錨桿的受力開(kāi)始逐漸增大，當(dāng)?shù)降?0～15d左右時(shí)，錨桿的受力迅速增大，在約45d左右的時(shí)間趨于穩(wěn)定。錨桿的最大受力270kN，且并未出現(xiàn)破斷，最小的錨桿受力為100kN，出現(xiàn)在1#錨桿的位置處。

通過(guò)分析圖4（b）能夠得出，施加預(yù)緊力后，錨索受力快速降低，并在施加預(yù)緊力的4d后達(dá)到最低值。巷道底板錨索最小受力為30kN，兩幫及頂板錨索的最小受力約為100kN。錨索的受力在預(yù)緊力施加5d后逐漸增大，在10d后錨索受力的增長(zhǎng)速度進(jìn)一步增大，當(dāng)錨索預(yù)緊力施加后約50d時(shí)，錨索的受力狀態(tài)逐漸穩(wěn)定。最大錨索受力為430kN，出現(xiàn)在3#錨索上，且頂板及兩幫錨索的受力狀態(tài)明顯高于底板錨索的受力。

根據(jù)上述分析可知，巷道支護(hù)后錨桿（索）預(yù)應(yīng)力損失較大，錨桿（索）的受力狀態(tài)受到錨索注漿時(shí)長(zhǎng)的影響較大，隨著漿液在煤巖體內(nèi)強(qiáng)度的變化，錨桿（索）的受力會(huì)快速增加。

（2）巷道表面位移監(jiān)測(cè)

全斷面錨注后巷道表面位移采用“十字”布點(diǎn)法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體對(duì)頂板下沉量、兩幫移近量及頂?shù)装逡平窟M(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)對(duì)2個(gè)測(cè)站的監(jiān)測(cè)結(jié)果得出曲線圖如圖5所示。

圖5 巷道表面位移監(jiān)測(cè)曲線

通過(guò)分析圖5能夠看出，1號(hào)測(cè)站頂?shù)装宓囊平勘?號(hào)測(cè)站的頂?shù)装逡平看?，達(dá)到240mm，1號(hào)測(cè)站巷道兩幫移近量約為95mm，頂板下沉量約為60mm，則能夠推出底板鼓起量約為180mm；2號(hào)測(cè)站頂?shù)装逡平考s為160mm，兩幫移近量約為40mm，底鼓量約為90mm。巷道的表面位移在40d后基本穩(wěn)定。

根據(jù)上述分析可知，巷道采用全斷面錨注支護(hù)有效地控制了巷道圍巖結(jié)構(gòu)的裂隙擴(kuò)展、巖體離層等情況，解決了巷道底鼓的問(wèn)題，保證了巷道圍巖的穩(wěn)定。

4 結(jié)論

通過(guò)分析底鼓的控制原理并結(jié)合2204W工作面回風(fēng)巷變形的具體情況，提出采用全斷面錨注支護(hù)的形式對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，合理設(shè)計(jì)全斷面錨注支護(hù)的參數(shù)。觀測(cè)表明，巷道底板最大鼓起量為180mm，兩幫移近量最大為95mm，能夠滿足生產(chǎn)安全需要，有效地控制了巷道底鼓量，保證了巷道圍巖的穩(wěn)定。