袁店一井大斷面軟巖上山底鼓綜合治理技術(shù)_錨注

論文關(guān)鍵詞：底鼓，軟巖，巷道，錨注

 

　　底鼓是煤礦巷道中常見(jiàn)的礦壓現(xiàn)象，較小的底鼓一般對(duì)生產(chǎn)影響不大。但當(dāng)巷道底鼓量過(guò)大時(shí)，輕則導(dǎo)致斷面縮小，阻礙運(yùn)輸、通風(fēng)和人員行走，重則造成巷道圍巖的大范圍失穩(wěn)，巷道報(bào)廢。軟巖巷道圍巖控制一直是一個(gè)技術(shù)難題，其圍巖變形量大，變形機(jī)理復(fù)雜，給支護(hù)設(shè)計(jì)與施工帶來(lái)困難。在軟巖巷道中，以底鼓為主的圍巖變形現(xiàn)十分普遍，是工程研究的重點(diǎn)之一�；幢钡V業(yè)集團(tuán)袁店煤礦102采區(qū)行人上山圍巖為細(xì)砂巖及斷層破碎泥巖和泥巖，早期采用U型鋼或錨噴支護(hù)，巷道底鼓嚴(yán)重，幾經(jīng)修復(fù)后，局部巷道底鼓量仍達(dá)到700mm。袁店礦井下測(cè)試表明，在底板不支護(hù)的軟巖中，巷道頂?shù)装逡平�量�?0%以上是由底鼓引起的，底鼓造成的巷道維修量要占維護(hù)總量的50%以上。為此，針對(duì)102采區(qū)行人上山的存在的底鼓問(wèn)題，開(kāi)展了大埋深大斷面軟巖巷道底底鼓綜合治理技術(shù)的研究，為礦井軟巖巷道的支護(hù)提供指導(dǎo)。

　　1 工程概況

　　102采區(qū)行人上山設(shè)計(jì)工程量1542m，埋深-745~-475m，巷道設(shè)計(jì)凈寬×凈高=4000×3600mm。行人上山巷道圍巖為細(xì)砂巖及斷層破碎泥巖和泥巖，向頂板緩穿層，依次為灰白色細(xì)-中粒，深灰色粉砂巖及灰白色泥巖。該區(qū)域水文地質(zhì)條件較復(fù)雜。據(jù)鉆孔資料，砂巖中高角度裂隙發(fā)育，但裂隙發(fā)育具不均一性。且富水性較弱，煤系砂巖裂隙水處于半封閉狀態(tài)，主要是斷層的砂巖水。該上山初次設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)噴砼支護(hù)，錨桿采用Φ20 ×2400mm等強(qiáng)樹(shù)脂錨桿，噴厚150mm，鋼筋網(wǎng)采用Φ6mm帶肋鋼筋加工，長(zhǎng)×寬=2100×900mm錨注，網(wǎng)格100×100mm，錨桿間排距700×700mm，噴射砼強(qiáng)度C20。施工結(jié)束后，巷道底鼓比較嚴(yán)重，部分巷道底鼓量達(dá)到800mm，反復(fù)維修仍不能有效控制，影響了其正常使用。

　　2 底鼓機(jī)理分析

　　由于巷道常采用不封底的支護(hù)型式，巷道的底鼓往往要比頂板下沉量大得多。根據(jù)力學(xué)機(jī)理，底鼓通常有三種類(lèi)型：塑性擠出型底鼓、膨脹型底鼓和應(yīng)力型底鼓，其主要影響因素有圍巖性質(zhì)和結(jié)構(gòu)狀態(tài)、巖層應(yīng)力以及賦水狀態(tài)等。圍巖性質(zhì)和結(jié)構(gòu)狀態(tài)決定著巷道的底鼓類(lèi)型和底鼓量大小，巖層應(yīng)力是巷道底鼓的必要條件，深部開(kāi)采、受采動(dòng)影響及殘留煤柱下的巷道很易強(qiáng)烈底鼓，含水性則對(duì)松軟底板巖層的碎裂、泥化、崩解，以及急劇膨脹等的影響很大。通過(guò)地底測(cè)量及礦壓觀測(cè)，確定102采區(qū)人行上山為其破壞原因主要有：

　　1）埋藏深，覆巖層壓力大

　　該上山底鼓段埋深-745～575m左右，上覆巖層壓力大，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載亦較大，當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)承受不了該荷載作用時(shí)，必然產(chǎn)生變形，特別是兩幫作用下，易發(fā)生塑性擠出型底鼓。

　　2）構(gòu)造多，圍巖裂隙發(fā)育

　　上山穿過(guò)落差為0.5m～2.6m的多條斷層和小褶曲，產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力給巷道的穩(wěn)定造成較大影響。由于巷道圍巖以泥巖為主，所穿粉細(xì)砂巖為為薄～中厚層狀，在斷層的影響下，圍巖裂隙發(fā)育，節(jié)理密度超過(guò)了4條/m2，造成巖體的總體強(qiáng)度較低。

　　3）支護(hù)方式與圍巖條件不相適應(yīng)

　　從巷道的破壞過(guò)程看，巷道圍巖變形量大，變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，采用單一錨噴網(wǎng)支護(hù)方式提供的支護(hù)強(qiáng)度小，難以使圍巖形成穩(wěn)定的組合拱結(jié)構(gòu)，造成巷道變形過(guò)大，不能滿足使用要求。另外該上山的底腳和底板一直沒(méi)有采取有效的支護(hù)措施，因此當(dāng)巷道的頂幫壓力較大時(shí)，造成巷道底板中的應(yīng)力出現(xiàn)集中現(xiàn)象，從而使巷道的底板產(chǎn)生塑性變形、出現(xiàn)底鼓。

　　4）施工質(zhì)量的影響

　　爆破時(shí)強(qiáng)烈地?cái)_動(dòng)圍巖，破壞了圍巖的完整性。錨桿布置不均勻、安裝錨桿不符合要求、使圍巖內(nèi)部不能形成完整的支護(hù)結(jié)構(gòu)、噴射砼厚度不均，都可能使圍巖局部松動(dòng)，從而影響整體穩(wěn)定，最終導(dǎo)致失穩(wěn)破壞。

　　通過(guò)以上分析，102采區(qū)人行上山圍巖裂隙發(fā)育且斷層泥巖破碎，變形量大，雖然錨桿支護(hù)具有改善圍巖力學(xué)性質(zhì)和降低成本的作用，但還是不適應(yīng)這類(lèi)巷道的變形特征，而導(dǎo)致支護(hù)失敗。所以在動(dòng)壓軟巖巷道發(fā)揮錨桿支護(hù)的優(yōu)勢(shì)要從提高圍巖的強(qiáng)度和彈性模量，改變圍巖的變形規(guī)律入手。

　　3 底鼓控制方案設(shè)計(jì)

　　針對(duì)袁店煤礦102采區(qū)行人上山圍巖地壓高、大變形和難支護(hù)的特點(diǎn)，提出錨索、底腳底板注漿錨桿和槽鋼耦合支護(hù)底鼓控制方案

　　3.1底鼓治理原則

　　結(jié)合礦井現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)條件及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，在方案設(shè)計(jì)中遵循以下原則：

　　（1）保證巷道修復(fù)加固后保持巷道穩(wěn)定，不需再進(jìn)行返修；

　�。�2）從支護(hù)方案及支護(hù)機(jī)理上，要著眼于注漿與錨注聯(lián)合支護(hù)，充分利用圍巖自身承載能力，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支護(hù)，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定；

　�。�3）要充分考慮到巷道圍巖破碎的特點(diǎn)，采用全斷面支護(hù)；

　　（4）加強(qiáng)對(duì)水的治理，改善圍巖物理力學(xué)性能，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力；

　�。�5）支護(hù)方案在滿足技術(shù)前提下，確保安全生產(chǎn)，力爭(zhēng)盡量降低成本，加快施工速度，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)效益。

　　3.2支護(hù)方案數(shù)值分析

　　錨注支護(hù)是在錨噴支護(hù)基礎(chǔ)上或在原金屬支架、砌碹支護(hù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行壁后注漿，可以增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，既具有錨噴支護(hù)的柔性與讓壓作用，又具有金屬支架和砌碹等支護(hù)方式的剛性支架的作用錨注，組成聯(lián)合支護(hù)體系，共同維持巷道的穩(wěn)定。為分析支護(hù)參數(shù)的變化對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響，并確定合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合102行人上山的地質(zhì)條件，采用FALC數(shù)值模擬軟件，模擬了全斷面無(wú)支護(hù)（模型Ⅰ）、底板無(wú)支護(hù)（模型Ⅱ）、底板反底拱支護(hù)（模型Ⅲ）、底板錨桿支護(hù)（模型Ⅳ）、底板錨注支護(hù)（模型Ⅴ）以及底板錨注+幫錨索支護(hù)（模型Ⅵ）六類(lèi)條件下巷道圍巖的應(yīng)力、變形及塑性區(qū)的變化規(guī)律及影響參數(shù)。

　　3.2.1巷道底鼓變形特征

　　不同支護(hù)方案情況下，巷道底鼓量如圖2所示。由上圖可以看出，在不同支護(hù)方案下，巷道底鼓控制有很大變化。在模型Ⅰ、Ⅱ中，巷道底鼓量最大值達(dá)到355mm；模型Ⅲ、Ⅳ中，巷道底鼓最大值達(dá)到190mm；模型Ⅴ、Ⅵ中，巷道底鼓量最大值為70mm中國(guó)論文下載中心。由此可見(jiàn)，底板在不支護(hù)情況下，底鼓量很大，不利于巷道的整體穩(wěn)定；底板在錨桿和反底拱支護(hù)情況下，底鼓量有所減少，但是效果并不理想；當(dāng)?shù)装宀捎缅^注支護(hù)，底鼓量明顯減少，達(dá)到了控制底鼓的目的。

圖1 巷道底鼓量

　　3.2.2巷道圍巖應(yīng)力變化特征

　　不同支護(hù)方案情況下，巷道圍巖水平應(yīng)力云圖如圖2所示。由圖可知，在不同支護(hù)方案情況下，巷道頂板和底板均產(chǎn)生了水平應(yīng)力集中。比較模型Ⅰ和模型Ⅱ，支護(hù)前和支護(hù)后頂板應(yīng)力集中范圍有明顯減小，集中范圍從未支護(hù)前的1.2m減小到支護(hù)后的0.8m，減小33.3%，圍巖應(yīng)力集中區(qū)也向著巷道的表面移近。比較模型Ⅳ和模型Ⅴ，在巷道底板中出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū)域，如果頂板煤巖體的抗拉強(qiáng)度較小，加上煤層中自然存在的節(jié)理裂隙、矸石夾層，當(dāng)各分層之間的粘結(jié)力小于此時(shí)的拉應(yīng)力時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致巷道頂板出現(xiàn)離層現(xiàn)象，隨著底板的破壞，致使應(yīng)力降低區(qū)域的范圍越來(lái)越大，最終導(dǎo)致巷道鼓起，因此，底角關(guān)鍵部位采用錨注加強(qiáng)支護(hù)，防止因底角局部破壞而導(dǎo)致整個(gè)巷道圍巖的失穩(wěn)。

模型Ⅴ 模型Ⅵ

　　圖２ 巷道水平應(yīng)力分布

　　不同支護(hù)方案情況下，巷道圍巖垂直應(yīng)力云圖如圖３所示。結(jié)果表明，巷道是由兩幫、頂板、底板構(gòu)成的整體，相互之間存在受力與變形的相互影響，改變兩幫的力學(xué)特性和力學(xué)環(huán)境，勢(shì)必改變底板的受力和變形。在兩幫用錨索加固，可以改善兩幫的力學(xué)環(huán)境，從而減小底板的應(yīng)力集中程度，更有利于底鼓防治。

　模型Ⅴ 模型Ⅵ

　　圖３ 巷道垂直應(yīng)力分布

　　3.3支護(hù)參數(shù)確定

　　3.3.1支護(hù)方案確定

　　根據(jù)102采區(qū)人行上山穿過(guò)斷層、褶曲、構(gòu)造應(yīng)力大及圍巖松軟破碎的特點(diǎn)，及數(shù)值分析巷道變形破壞規(guī)律，選擇的底鼓治理方案為：加固頂幫，再對(duì)底板實(shí)施以錨注支護(hù)為核心的聯(lián)合支護(hù)方案。即在原修復(fù)基礎(chǔ)上臥底至要求尺寸，然后在巷道幫、頂部施工錨索，在幫部底腳施工一排螺紋鋼注漿錨桿，然后對(duì)底板實(shí)施淺孔注漿，注漿完畢后再對(duì)底板實(shí)施注漿錨桿配合槽鋼加固，使錨注加固圈和原巖體緊密結(jié)合，在更大范圍內(nèi)形成有效的支護(hù)結(jié)構(gòu)。巷道支護(hù)及錨注設(shè)計(jì)如圖４和圖５所示。

　　3.3.2支護(hù)參數(shù)確定

　　支護(hù)所用材料主要包括：錨索、內(nèi)注漿錨桿、空心快硬水泥藥卷、水泥、注漿添加劑、混凝土等。