深部高應(yīng)力軟巖巷道底鼓機(jī)理及防治對(duì)策

胡加振

（河南省許昌新龍礦業(yè)有限責(zé)任公司梁北煤礦，河南 許昌 461000）

隨著開采深度的增加，巷道圍巖在深部高應(yīng)力狀態(tài)下往往表現(xiàn)為大變形、難支護(hù)的軟巖特征[1-6]。新龍礦業(yè)有限責(zé)任公司梁北煤礦目前正在生產(chǎn)的21采區(qū)下部埋深達(dá)930 m，地應(yīng)力較大，受采動(dòng)影響采區(qū)準(zhǔn)備巷道收斂嚴(yán)重?；诖?，梁北煤礦以21采區(qū)軌道下山為研究對(duì)象，研究采動(dòng)影響下深井高應(yīng)力大斷面軟巖底板流變與結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題，以期控制深部軟巖巷道變形，保證礦井安全生產(chǎn)。

1 工程概況

21 采區(qū)準(zhǔn)備巷道初期布置未充分考慮采動(dòng)的影響，受采動(dòng)影響采區(qū)準(zhǔn)備巷道收斂嚴(yán)重，成為制約礦井安全生產(chǎn)的瓶頸。其中，軌道下山變形最為嚴(yán)重，該巷圍巖以泥巖為主，裂隙發(fā)育，掘進(jìn)中揭露二1 煤層（由頂板揭露，進(jìn)入底板），巷道成型后不足4 個(gè)月開始出現(xiàn)底板變形。采用常規(guī)措施修復(fù)過后6～8 個(gè)月，巷道再次收斂變形，尤其是底板起鼓嚴(yán)重，影響巷道使用，需采取更有針對(duì)性的對(duì)策防治底鼓。21 采區(qū)軌道下山平面布置圖如圖1。

圖1 21 采區(qū)軌道下山平面布置圖

2 巷道底鼓機(jī)理

2.1 底鼓產(chǎn)生原因

21 采區(qū)下部投產(chǎn)至今，部分準(zhǔn)備巷道已進(jìn)行臥底維修4 次，但底鼓時(shí)有發(fā)生。根據(jù)21 采區(qū)地質(zhì)現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)底鼓破壞實(shí)際情況，分析原因如下：

1）圍巖強(qiáng)度低

巷道圍巖以泥巖為主，巖層裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)較差，整體圍巖強(qiáng)度低。

2）底板未加固

巷道掘進(jìn)過程中，未進(jìn)行底板加固，待巷道成型后，受圍巖應(yīng)力影響，底板出現(xiàn)底鼓變形，影響安全生產(chǎn)，需進(jìn)行大量臥底工作。臥底作業(yè)除對(duì)底板圍巖造成擾動(dòng)，還使得巷道整體圍巖松動(dòng)圈擴(kuò)大，巷道兩幫也出現(xiàn)向內(nèi)收縮的情況，進(jìn)一步加大圍巖破壞。

2.2 底鼓機(jī)理

軟巖一般包括弱巖和泥巖，兩者巖性存在差異，底鼓機(jī)理也不同，對(duì)比見表1。21 采區(qū)軌道下山圍巖為強(qiáng)流變、高構(gòu)造應(yīng)力泥巖，經(jīng)測(cè)定，該巖石側(cè)向壓應(yīng)力系數(shù)值可達(dá)0.7。這種情況下，巖層豎向地應(yīng)力和水平地應(yīng)力值都很高。因此，巷道底板未加固時(shí)，地應(yīng)力作用效果尤為明顯。

表1 不同類型軟巖對(duì)比

巷道底板巖性為泥巖時(shí)，巷道底部環(huán)向應(yīng)力圈橫向應(yīng)變會(huì)產(chǎn)生內(nèi)側(cè)位移。該應(yīng)力值呈現(xiàn)中部高、兩邊低的情況，受水平應(yīng)力作用，巷道底鼓程度沿底板橫向也呈現(xiàn)中部最高、兩邊最小的分布。

3 巷道底鼓防治對(duì)策

梁北煤礦巷道支撐結(jié)構(gòu)的整體性破壞是巷道變形破壞的最主要因素。巷道圍巖控制的關(guān)鍵是提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性及承載能力。特別是深部軟巖巷道，因其埋藏深，受上覆巖層自重、采動(dòng)影響與圍巖巖性弱等因素，除增強(qiáng)巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)整體性，還需要采用補(bǔ)償性技術(shù)增強(qiáng)其穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)圍巖支撐結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

為保證巷道斷面滿足通風(fēng)、行人及安全生產(chǎn)的要求，當(dāng)巷道底板發(fā)生底鼓時(shí)，一般采用臥底作業(yè)進(jìn)行巷道維修。底板巖性為泥巖的巷道，因圍巖具備流變性，臥底后，圍巖仍然會(huì)向底板上方產(chǎn)生塑性流動(dòng)，即反復(fù)出現(xiàn)底鼓，不能有效實(shí)現(xiàn)巷道圍巖的長(zhǎng)期有效控制，同時(shí)，需要投入大量的人力。因此，需要采用更加有效的技術(shù)方案進(jìn)行底板治理。為充分發(fā)揮巷道支撐結(jié)構(gòu)的整體性，在底板中部施工3根錨索，與錨網(wǎng)形成整體支撐結(jié)構(gòu)。錨索施工采用梅花眼布置（圖2），材質(zhì)為鋼絞線，型號(hào)為Φ17.8 mm×6500 mm，施工間距1600 mm，施工排距800 mm，錨固力≥120 kN，使用中速型樹脂錨固劑，每孔使用4 卷錨固劑，錨固長(zhǎng)度約2200 mm。

圖2 底板錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)示意圖（mm）

整體支護(hù)方案采用兩個(gè)支護(hù)斷面實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性補(bǔ)償（圖3），兩個(gè)斷面間隔800 mm。軌枕中間通過加設(shè)錨桿提升支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性，底板錨桿材質(zhì)為鋼錨桿，型號(hào)為Φ20 mm×2500 mm，施工間排距為800 mm，錨固力矩≥200 N·m，使用Z2350樹脂錨固劑，每個(gè)錨桿孔使用2 卷錨固劑；錨索托盤使用鼓型托盤，材質(zhì)為18#槽鋼，型號(hào)為150 mm×150 mm×10 mm。

圖3 錨網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護(hù)方案（mm）

為進(jìn)一步增強(qiáng)底板支撐結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，增加鋼筋梯子梁，與底板錨索、錨桿共同組成整體圍巖支撐結(jié)構(gòu)。鋼筋梯子梁加工材料使用Φ14 mm 圓鋼，具體加工尺寸如圖4。

圖4 鋼筋梯子梁加工尺寸（mm）

21 采區(qū)軌道巷底板防治方案具體施工要求如下：

1）在進(jìn)行底板錨網(wǎng)+錨索配合支護(hù)前，先進(jìn)行巷道臥底。臥底的標(biāo)準(zhǔn)為：臥底后，底板標(biāo)高低于設(shè)計(jì)值400 mm。

2）底板鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)，底板錨索、錨桿施工。底板錨索錨固力≥120 kN，底板錨桿錨固力矩≥200 N·m。

3）底板混凝土澆筑作業(yè)，澆筑厚度≥100 mm。

4）施工完成后，首先使用專用工具將錨索外露部分（超出設(shè)計(jì)范圍）截除，然后對(duì)底板進(jìn)行回填?；靥顦?biāo)準(zhǔn)為：回填后，底板標(biāo)高等于設(shè)計(jì)值。

5）在水溝中施工時(shí)，應(yīng)分段進(jìn)行。施工后，進(jìn)行澆筑作業(yè)，澆筑厚度為500 mm，覆蓋錨索外露部分。

4 應(yīng)用效果分析

為驗(yàn)證技術(shù)方案的效果，沿巷道布置觀測(cè)站，對(duì)巷道維修后的效果進(jìn)行分析。圖5 為隨著時(shí)間推移巷道底鼓量變化情況，圖6 為隨著時(shí)間推移巷道底鼓速度變化情況。

圖5 巷道底鼓量變化

圖6 巷道底鼓速度變化

由上述觀測(cè)結(jié)果可知，受巷道維修引起的圍巖松動(dòng)圈的發(fā)展，巷道底鼓量在維修后的50 d 內(nèi)迅速增加，且底鼓變化速度響度較大，隨著巷道圍巖整體支撐結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用，以及巷道維修擾動(dòng)的減弱，巷道底鼓量與底鼓速度都逐步降低，52 d 后，巷道底鼓速度接近于0 mm/d，巷道底鼓變化趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論

1）巷道巖性與巷道底鼓的形成高度相關(guān)。泥巖等巖性強(qiáng)度低且具備流變性的巖層巷道，易發(fā)生巷道底鼓。合理的巷道規(guī)劃和布置，有利于底鼓防治，布置于受采動(dòng)影響較大或者煤層的巷道，極易發(fā)生底鼓。

2）巷道底板中部為高應(yīng)力集中區(qū)，底鼓現(xiàn)象最為嚴(yán)重，可通過錨索施工深入巖層，并配合錨桿、鋼筋梯子梁、鋼筋網(wǎng)形成整體的支撐結(jié)構(gòu)，保證支護(hù)效果的整體性和穩(wěn)定性，能夠有效防治巷道底鼓，取得良好的維護(hù)效果。