底板鉆錨注漿技術(shù)在高應(yīng)力軟巖回采巷道底臌防治中的應(yīng)用

楊曉成,劉志蒙

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源學(xué)院，北京 101083； 2.陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))股份有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000；3.山西省煤炭規(guī)劃設(shè)計(jì)院，山西 太原 030001)

巷道底臌是一個(gè)極其復(fù)雜的物理、力學(xué)過(guò)程，它與巷道圍巖性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)及維護(hù)方式密切相關(guān)。底臌是軟巖巷道圍巖變形和破壞主要方式之一[1-2]。大量的實(shí)測(cè)資料表明，軟巖巷道底臌量可占到巷道頂?shù)装逡平康?0%以上。同時(shí)，底板的穩(wěn)定性顯著影響著兩幫及頂板的變形和破壞。

近年來(lái)，隨著礦井開(kāi)采深度的不斷增加，巷道圍巖應(yīng)力不斷增大，軟巖回采巷道的底臌問(wèn)題日益突出。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，在高應(yīng)力作用下，軟巖回采巷道底臌量可達(dá)1000mm以上[3]，巷道斷面收縮率達(dá)80%以上，嚴(yán)重影響了工作面的正常安全生產(chǎn)。

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外采礦工作者對(duì)巷道底臌的機(jī)理與防治技術(shù)進(jìn)行了大量的研究工作[4-5]，提出了多種底臌防治方法，包括底板錨桿[6]、底板注漿[7]、封閉式支架等支護(hù)加固法[8]，切縫、打鉆孔、爆破、開(kāi)掘卸壓巷等卸壓法[9]，以及各種聯(lián)合支護(hù)法。但是，由于高應(yīng)力軟巖回采巷道圍巖性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性，很多礦區(qū)對(duì)巷道底臌原因認(rèn)識(shí)不清，采取的底臌防治措施不當(dāng)，巷道底臌得不到有效控制，不僅增加了巷道維護(hù)費(fèi)用，而且嚴(yán)重影響了礦井的正常安全生產(chǎn)。因此，深入研究高應(yīng)力軟巖回采巷道底臌防治技術(shù)具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

本文以某礦高應(yīng)力軟巖回采巷道為例，在綜合分析巷道底臌形式和原因的基礎(chǔ)上，研究了底板鉆錨注漿加固技術(shù)，并在現(xiàn)場(chǎng)成功試驗(yàn)，為類似條件下巷道底臌防治提供重要的技術(shù)借鑒。

1 試驗(yàn)巷道采礦地質(zhì)條件

1.1 概況

8902工作面開(kāi)采15#煤層，兩側(cè)均已采完，屬孤島工作面。試驗(yàn)巷道8902回風(fēng)巷沿15#煤層底板掘進(jìn)，巷道北部為8902工作面實(shí)體煤，南部為8903采空區(qū)殘留煤柱，煤柱寬12m，西部為九采區(qū)回風(fēng)巷。8902回風(fēng)巷埋深500m，其上方有3#、8#、12#煤的采空區(qū)，其中12#煤采空區(qū)殘留煤柱與巷道間距僅43m。

采用水壓致裂法進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量得：巷道圍巖應(yīng)力大，其自重應(yīng)力為14.8MPa，最大水平應(yīng)力為29.6MPa，與巷道軸向垂直，最小水平應(yīng)力為10.5MPa，與巷道軸向平行。

1.2 煤層與頂?shù)装迩闆r

15#煤層傾角為1°～8°，平均厚度為7.38m，節(jié)理比較發(fā)育，屬?gòu)?fù)雜結(jié)構(gòu)煤層，含兩層夾矸：上層夾矸為八寸石，厚0.21m，下層夾矸為驢石，厚0～0.62m，煤層單向抗壓強(qiáng)度為17.5MPa，煤層頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

綜上所述可知，8902回風(fēng)巷圍巖單向抗壓強(qiáng)度低，均小于30MPa，巖石堅(jiān)固性系數(shù)<3，根據(jù)普氏巖石分級(jí)法，巷道圍巖為軟巖。

1.3 巷道原支護(hù)方式

8902回風(fēng)巷斷面為矩形，寬4.0m，高3.2m，巷道原支護(hù)方式如圖1所示，采用雙錨索+網(wǎng)+鋼帶支護(hù)。

頂幫均掛單層10#鉛絲經(jīng)緯網(wǎng)，頂板支護(hù)采用雙錨索，即進(jìn)度錨索和補(bǔ)強(qiáng)錨索，兩種錨索均采用Φ17.8mm×7300mm鋼絞線，樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固。進(jìn)度錨索間排距為900mm×600mm，靠巷幫的錨索與頂板成15°角，外露端距巷幫0.2m；補(bǔ)強(qiáng)錨索是在頂板中部布置兩趟，每隔兩排進(jìn)度錨索打一排補(bǔ)強(qiáng)錨索，間排距為900mm×1200mm。進(jìn)度錨索與規(guī)格為3800mm×220mm×4mm的5眼波紋鋼帶配合，使用波紋鋼托板；補(bǔ)強(qiáng)錨索與長(zhǎng)1m的29U型鋼配合，使用鋼托板。

兩幫采用4根Φ20mm×3000mm的普通螺紋鋼錨桿配0.5m長(zhǎng)14#槽鋼托帽維護(hù)，間排距為750×600mm，樹(shù)脂端部錨固，其中上部錨桿距頂板350mm，上仰30°，下部錨桿距底板400mm，下扎30°；另外，在巷道煤柱側(cè)幫中部布置一排幫錨索，錨索采用Φ15.24mm×5300mm鋼絞線，排距為1200mm，樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，錨索托梁采用長(zhǎng)1m的14#槽鋼。

由圖1可知，在巷道原支護(hù)方式中，巷道底板處于敞開(kāi)不支護(hù)狀態(tài)，導(dǎo)致巷道底板變形得不到控制，巷道底臌嚴(yán)重。

2 巷道底臌的形式和原因

2.1 巷道底臌的形式

由于采掘引起的作用在8902回風(fēng)巷頂板和兩幫的高應(yīng)力向巷道底板傳遞，底板軟弱巖體在傳遞來(lái)的高應(yīng)力作用下發(fā)生彎曲、皺折和離層等流變，并沿著滑移面被擠入巷道內(nèi)，隨著底板巖體被擠入巷道內(nèi)的位移量增大，巷道底臌越來(lái)越嚴(yán)重。這種底臌形式為擠壓流動(dòng)性底臌，如圖2所示。

圖2 巷道底臌形式示意圖

2.2 巷道底臌的原因

根據(jù)研究，預(yù)計(jì)可能造成該巷道出現(xiàn)如圖2所示底臌形式的原因主要有以下方面。

2.2.1 圍巖應(yīng)力大

圍巖應(yīng)力大是促使巷道強(qiáng)烈底臌的重要原因，圍巖應(yīng)力越大，底臌越嚴(yán)重。造成圍巖應(yīng)力大的原因主要在于以下幾方面。

1) 由于8902回風(fēng)巷埋深大，造成巷道原巖應(yīng)力大，地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果顯示：8902回風(fēng)巷自重應(yīng)力為14.8MPa，最大水平應(yīng)力為29.6MPa。

2) 由于8902回風(fēng)巷與8903工作面采空區(qū)間所留設(shè)的護(hù)巷煤柱寬度為12m左右，造成8902回風(fēng)巷正好布置在護(hù)巷煤柱所形成的側(cè)向支承壓力峰值區(qū)中，巷道圍巖所受支承壓力大。

3) 由于8902回風(fēng)巷上方有3#、8#、12#煤的采空區(qū)殘留煤柱，其中12#煤采空區(qū)殘留煤柱與8902回風(fēng)巷間距僅43m，造成8902回風(fēng)巷位于上方煤柱支承壓力向下傳遞影響范圍之內(nèi)，巷道圍巖所受集中應(yīng)力大。

4) 當(dāng)8902工作面回采時(shí)，受采動(dòng)影響，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)巷道垂直應(yīng)力可達(dá)30～40MPa左右，遠(yuǎn)高于巷道圍巖強(qiáng)度。

2.2.2 底板巖層強(qiáng)度低

底板巖層強(qiáng)度低對(duì)巷道底臌起著決定性作用。由于8902回風(fēng)巷直接底為砂質(zhì)泥巖，其單向抗壓強(qiáng)度低，僅為24.6MPa，普氏巖石堅(jiān)固性系數(shù)<3，為軟弱巖層，在頂板與兩幫傳遞的高應(yīng)力作用下，易發(fā)生破碎、彎曲，向上拱起凸出，造成巷道底臌。

2.2.3 支護(hù)強(qiáng)度低

支護(hù)強(qiáng)度低造成巷道底臌嚴(yán)重。在8902回風(fēng)巷原支護(hù)方式中，巷道支護(hù)強(qiáng)度低，巷道底板處于敞開(kāi)不支護(hù)狀態(tài)，底板軟弱巖層的變形得不到控制，造成巷道底臌嚴(yán)重，底臌量大于頂板下沉量。

3 底板鉆錨注加固技術(shù)

通過(guò)上述分析可知，8902回風(fēng)巷底臌是在高應(yīng)力作用下，底板軟弱巖層的變形得不到控制而造成的。因此，采用底板鉆錨注加固技術(shù)，及時(shí)支護(hù)和封閉巷道底板，提高巷道支護(hù)強(qiáng)度，控制底板軟弱巖層的變形，是防治巷道底臌的根本措施。

3.1 底板鉆錨注加固技術(shù)機(jī)理

底板鉆錨注加固技術(shù)是底板錨桿加固技術(shù)和底板注漿加固技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，其實(shí)質(zhì)是利用空心錨桿兼作鉆桿和注漿管，進(jìn)行底板巖層注漿加固。

底板鉆錨注加固技術(shù)機(jī)理如圖3所示，利用漿液來(lái)充填和固結(jié)底板巖層破碎面，改善底板巖層的結(jié)構(gòu)，使底板破碎巖層膠結(jié)成連續(xù)體加固圈，提高底板巖體的內(nèi)聚力和摩擦力，從而提高底板巖層強(qiáng)度，并為錨桿提供可靠的著力基礎(chǔ)，使錨桿與底板巖層成為整體，形成多層有效組合拱，即錨桿壓縮區(qū)組合拱、漿液擴(kuò)散加固拱，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力，可有效防治巷道底臌。

圖3 底板鉆錨注加固技術(shù)機(jī)理圖

3.2 底板鉆錨注加固技術(shù)工藝

底板鉆錨注加固技術(shù)將鉆孔、注漿和錨固功能集于一體，其工藝為：第一步，錨桿用作鉆桿，錨桿桿體頭部配一鉆頭，尾部用連接器與鉆機(jī)連接，進(jìn)行鉆孔作業(yè)；第二步，鉆桿用作注漿管，用注漿連接套代替鉆機(jī)連接套，進(jìn)行注漿作業(yè)，將水泥漿注入鉆孔中，實(shí)施全長(zhǎng)錨固。

4 工程實(shí)踐

4.1 底板鉆錨注加固方案

根據(jù)8902回風(fēng)巷采礦地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)巷道底板鉆錨注加固方案如圖4所示。巷道底板每排布置5根中空特種鋼鉆錨注錨桿，桿體外徑25mm，內(nèi)徑13mm，長(zhǎng)2500mm，極限拉斷力150kN，延伸率10%～15%，螺紋規(guī)格M25，錨桿間排距為800mm×800mm，靠近巷幫的底板錨桿安設(shè)角度為與垂線成20°。采用拱形高強(qiáng)度托板，規(guī)格為200mm×200mm×8mm。錨固方式為水泥注漿，水灰比是1∶2.5，并加入水泥添加劑1.5%(與水泥比)。

圖4 8902回風(fēng)巷底板鉆錨注加固方案

4.2 礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

在8902回風(fēng)巷內(nèi)分別距離工作面100m和200m處設(shè)立了2個(gè)表面位移測(cè)站，前一測(cè)站位于底板未加固段，后一測(cè)站位于底板加固段。

工作面回采期間，對(duì)巷道底板變形進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，得到：底板未加固段巷道底板變形曲線如圖5所示，巷道底臌量為1376mm；底板加固段巷道底板變形曲線如圖6所示，巷道底臌量為392mm。

圖5 8902回風(fēng)巷未加固段底板變形曲線

圖6 8902回風(fēng)巷錨注加固段底板變形曲線

分析觀測(cè)結(jié)果可知，底板未加固段底臌量是加固段的3.5倍，鉆錨注加固顯著減小了巷道底臌量，有效控制了巷道底板變形。

5 結(jié)論

1) 由于圍巖應(yīng)力大、底板巖層強(qiáng)度低、支護(hù)強(qiáng)度低，造成8902回風(fēng)巷發(fā)生擠壓流動(dòng)性底臌。

2) 采用底板鉆錨注加固技術(shù)，可及時(shí)支護(hù)和封閉巷道底板，提高巷道支護(hù)強(qiáng)度，控制底板軟弱巖層的變形，是防治巷道底臌的根本措施。

3) 工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明：鉆錨注加固顯著減小了巷道底臌量，有效控制了巷道底板變形，保證了巷道的安全使用。

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