深井軟巖巷道底鼓治理技術(shù)研究

何福勝

(西山煤電股份有限公司鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030203)

隨著煤炭開采深度的增加，圍巖應(yīng)力水平顯著提高，巷道維護(hù)日益困難。傳統(tǒng)支護(hù)往往只對(duì)巷道幫頂變形進(jìn)行控制，底板支護(hù)因?yàn)槭┕ぽ^為困難，常被忽略。然而實(shí)際生產(chǎn)過程中，因底板強(qiáng)烈變形而導(dǎo)致巷道圍巖整體失穩(wěn)現(xiàn)象很常見，尤其對(duì)于泵房、變電所以及有軌巷道來說，一旦出現(xiàn)強(qiáng)烈底鼓，將嚴(yán)重影響設(shè)備的正常運(yùn)行，成為制約礦井安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。因此，亟需找到一種切實(shí)可行的底鼓防治技術(shù)。

1 工程概況

某礦三水平軌道大巷實(shí)際埋深約850 m，為雙軌運(yùn)輸巷道，是礦井生產(chǎn)的咽喉通道，對(duì)支護(hù)要求較高。軌道大巷為煤層底板巷道，距離上煤層約20 m，圍巖巖性以砂巖和泥巖為主，圍巖裂隙較為發(fā)育，巷道綜合柱狀圖見圖1。

2 巷道支護(hù)現(xiàn)狀

2.1 原有支護(hù)形式

軌道大巷掘出后采用錨網(wǎng)索支護(hù)，局部圍巖破碎段在錨網(wǎng)索支護(hù)基礎(chǔ)上進(jìn)行了注漿加固。

錨桿采用d22 mm×2 800 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，頂部錨桿間排距為800 mm×800 mm，幫部錨桿間排距為850 mm×800 mm;錨索采用d17.8 mm×5 300 mm1860級(jí)鋼絞線，間排距為1 500 mm×1 600 mm;注漿段每個(gè)斷面布置7根注漿錨桿，長2 600 mm。錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)與注漿參數(shù)見圖2。

圖1 三水平軌道大巷地質(zhì)綜合柱狀圖

2.2 巷道變形特征

軌道大巷支護(hù)狀況典型圖片見圖3。從圖3可以看出，采用高強(qiáng)錨網(wǎng)索以及注漿對(duì)幫頂加強(qiáng)支護(hù)后，幫頂變形得到了有效控制。但巷道底鼓嚴(yán)重，最大底鼓量超過400 mm，巷道經(jīng)過多次臥底，嚴(yán)重影響了礦車的安全運(yùn)行。同時(shí)可以看到，多次臥底破壞了底板巖層結(jié)構(gòu)，影響兩幫圍巖穩(wěn)定性，出現(xiàn)了幫腳內(nèi)移現(xiàn)象。

圖2 三水平軌道大巷原有支護(hù)參數(shù)示意圖

圖3 三水平軌道大巷維護(hù)現(xiàn)狀圖

3 底鼓原因分析

結(jié)合三水平軌道大巷實(shí)際地質(zhì)條件，分析造成巷道強(qiáng)烈底鼓的原因主要有以下幾個(gè)方面:

1)埋深大，應(yīng)力水平高。

軌道大巷實(shí)際埋深達(dá)到850 m，上覆巖層平均容重按2 500 kg/m3計(jì)，垂直應(yīng)力水平約為20.5 MPa。

2)圍巖整體性差。

由圖1可知，軌道大巷圍巖巖性以泥巖為主，巖塊強(qiáng)度較低，且受構(gòu)造影響，圍巖裂隙較為發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)差，易產(chǎn)生碎脹變形。

3)支護(hù)缺乏針對(duì)性。

由軌道大巷服務(wù)期間變形情況看，底板變形顯著大于幫頂變形，而現(xiàn)有支護(hù)只對(duì)幫頂進(jìn)行加固，底板未作處理，導(dǎo)致底板成為支護(hù)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，即圍巖變形的突破口，而反復(fù)的臥底，又破壞了底板巖層的原有結(jié)構(gòu)，極易誘發(fā)兩幫內(nèi)移，從而影響巷道圍巖整體穩(wěn)定性。

4 高強(qiáng)錨網(wǎng)索治底技術(shù)研究

根據(jù)三水平軌道大巷實(shí)際采礦地質(zhì)條件，運(yùn)用FLAC數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值分析模型，分析不同支護(hù)條件下巷道底鼓量變化情況。

4.1 建立數(shù)值分析模型

建立數(shù)值分析模型，見圖4，模型尺寸為40 m×40 m，采用莫爾、庫侖模型，在模型中間開挖5 m×5 m直墻半圓拱形巷道。

模型的左右邊界及下部邊界定義為全約束邊界，上部邊界為應(yīng)力邊界，即在上邊界施加18 MPa的垂直應(yīng)力，等效上覆800 m厚的上覆巖層壓力影響。

圖4 數(shù)值分析模型圖

模型巖體力學(xué)參數(shù)見表1，巷道布置在泥巖巖層中。

表1 數(shù)值模型巖石力學(xué)參數(shù)表

4.2 數(shù)值模擬方案

通過改變模型支護(hù)條件，分析底板無支護(hù)、底板錨網(wǎng)支護(hù)、底板高強(qiáng)錨網(wǎng)索支護(hù)3種情況下的底鼓差異。分析不同方案控底效果時(shí)，幫頂支護(hù)方案均采用高強(qiáng)錨網(wǎng)索支護(hù)。

4.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

采用不同方案控底時(shí)的巷道圍巖位移場分布情況圖見圖5。從圖5可以看出，底板不采取任何治底措施時(shí)，巷道變形特征表現(xiàn)為底板強(qiáng)烈鼓起，兩幫內(nèi)移嚴(yán)重，底鼓量占頂?shù)装逡平康?0%以上。與軌道大巷實(shí)際變形特征一致。

采用錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)控底時(shí)，巷道淺部巖體中形成了較為完整的支護(hù)結(jié)構(gòu)，圍巖變形得到較大程度的控制，但不難發(fā)現(xiàn)由于錨桿加固范圍較小，底板淺部巖體出現(xiàn)整體上移，底鼓量仍然較大。

在錨網(wǎng)支護(hù)基礎(chǔ)上，通過高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索能夠?qū)㈠^桿在底板圍巖中形成的結(jié)構(gòu)層錨到深部穩(wěn)定巖體上，大幅提高了錨網(wǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。從數(shù)值模擬結(jié)果也能看出，采用高強(qiáng)錨網(wǎng)索控底后巷道底鼓量很小，控底效果理想。

圖5 不同控底方案條件下巷道圍巖位移場分布情況圖

5 現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)

5.1 三水平軌道大巷高強(qiáng)錨網(wǎng)索治底方案

根據(jù)三水平軌道大巷跨度，在兩排枕木之間布置底板錨桿，同時(shí)采用錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。底板錨桿選用d22 mm×3 000 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿;錨索選用d17.8 mm×5 000 mm1860鋼絞線。錨桿索間排距為900 mm×1 000 mm，分A、B斷面相間布置，具體支護(hù)見圖6。

圖6 三水平軌道大巷底板錨網(wǎng)索支護(hù)方案圖

5.2 支護(hù)效果分析

在試驗(yàn)巷道，選擇典型斷面對(duì)實(shí)施高強(qiáng)錨網(wǎng)索控底后的巷道表面位移變化進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測，測試斷面內(nèi)測點(diǎn)布置見圖7。AB變化為兩幫內(nèi)移量，EF變化為左邊底鼓量，OD變化為中間底鼓量，CG變化為右邊底鼓量。

圖7 巷道表面位移測點(diǎn)布置斷面圖

巷道圍巖表面位移觀測結(jié)果見圖8。從圖8可以看出，在底板治理結(jié)束42 d時(shí)，巷道兩幫移近量及底鼓量達(dá)到最大值，最大兩幫內(nèi)移量約5 mm，最大底鼓量約4 mm，此后巷道表面位移量趨于穩(wěn)定，位移速度也已明顯降低，并趨于零，兩幫及底鼓變形得到有效控制。

圖8 巷道圍巖表面位移變化圖

6 結(jié)論

1)煤炭開采進(jìn)入深部以后，巷道底鼓問題日益突出，底鼓的有效防治成為控制巷道強(qiáng)烈變形的關(guān)鍵。

2)單純采用錨桿支護(hù)控底能夠起到一定的控底效果，但由于錨桿支護(hù)范圍小，導(dǎo)致巷道底鼓得不到徹底控制。而在錨桿支護(hù)基礎(chǔ)上采用預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，往往控底效果更佳。

3)底板支護(hù)施工困難是阻礙底鼓治理技術(shù)推廣實(shí)施的關(guān)鍵因素，在實(shí)施底板支護(hù)方案時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程特點(diǎn)，制定切實(shí)可行的施工措施，確保支護(hù)施工質(zhì)量達(dá)到預(yù)期。

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