高應力軟巖底鼓巷道錨注聯(lián)合支護技術研究

曹永國，王俊超

(1.四川廣旺能源發(fā)展(集團)有限責任公司，四川 廣元 648017;2.四川廣旺集團船景煤業(yè)有限責任公司，四川 宜賓 645250)

近年來，隨著軟巖礦井開采深度的不斷加大，高應力軟巖巷道的底鼓問題極為突出，對煤礦的安全生產造成嚴重影響。根據(jù)現(xiàn)場調查表明，在底板不支護的情況下，頂?shù)装逡平考s2/3是由底鼓［1，2］引起的，底板的嚴重變形增加了維修工作及相關費用，還嚴重影響到礦井的安全生產。因此，高應力軟巖巷道的底鼓問題亟待解決。

1 地質條件

船景煤礦首采區(qū)軌道上山圍巖主要以砂巖、泥質砂巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，遇水極易破碎，強度急劇降低，埋深500～635 m，地應力較大，特別是水平地應力尤為突出，底板碎裂變形呈現(xiàn)為軟巖的特性，屬于典型的高應力軟巖巷道［3，4］。軌道上山原支護方案為半圓拱+錨網(wǎng)索聯(lián)合支護，對底板不支護使得兩幫和頂板的變形較小，而底板變形較為嚴重，自完成施工至今，已經(jīng)多次維修，因此必須對巷道底鼓進行治理，以便長期使用。

2 斷面參數(shù)確定

2.1 斷面形狀的選擇

通常情況下，巷道斷面均采用直墻半圓拱型，然而在高應力軟巖底鼓中，直墻半圓拱形無法有效控制底板的變形，因此，提出在直墻半圓拱形的基礎上加上反底拱，即帶反底拱的直墻半圓拱形，通過數(shù)值模擬對比分析，得出帶反底拱直墻半圓拱的圍巖應力與變形規(guī)律及其優(yōu)勢。

1)剪應力分布規(guī)律。

兩種斷面圍巖最大剪應力峰值基本一樣，見圖1。

圖1 圍巖剪應力分布特征圖

直墻半圓拱型斷面加反底拱之后，由于其巷道幫部與底板連接處是圓滑過渡，應力均勻分布，巷道周邊圍巖的應力較直墻半圓拱形有很大的改善，巷道周邊的最大剪應力分布均勻度較高。因此帶反底拱直墻半圓拱型斷面巷道穩(wěn)定性大于直墻半圓拱形斷面巷道，有利于控制巷道的穩(wěn)定性。

2)巷道圍巖最大主應力分布規(guī)律。

圍巖最大主應力分布特征見圖2。

圖2 圍巖最大主應力分布特征圖

由圖2可知，帶反底拱直墻半圓拱型斷面巷道圍巖最大主應力峰值為負值，表示巷道穩(wěn)定性好，且分布均勻度較高，都是負值，且絕對值比直墻半圓拱要大，表明其對于控制巷道的穩(wěn)定性有較大的優(yōu)勢;而直墻半圓拱最大主應力有正有負，應力分布不均勻，應力值之間有一定的差別，說明其圍巖受力不均，有可能會發(fā)生較大范圍的變形，不利于減小圍巖變形。

3)軟巖巷道圍巖垂直位移分布規(guī)律。

圍巖垂直位移分布特征見圖3。

圖3 圍巖垂直位移分布特征圖

由圖3可知，在同樣的圍巖應力條件下，兩種斷面巷道頂板下沉量基本一樣;但底鼓量相差較大，直墻半圓拱形斷面巷道底鼓量為260 mm，而帶反底拱直墻半圓拱型斷面巷道底鼓量僅有100 mm，從控制巷道底板變形角度來說，帶反底拱直墻半圓拱型斷面要優(yōu)于直墻半圓拱斷面。

2.2 反底拱拱高的確定

由數(shù)值模擬分析得出，帶反底拱的直墻半圓拱形巷道更易于控制巷道底鼓，因此，最終確定修復方案采用反底拱。確定合理的反底拱的拱高對底板的穩(wěn)定性控制很關鍵，不僅能夠防治底板變形，而且能夠對頂板兩幫的變形起到抑制作用。根據(jù)圍巖的水平力以及所處的工程地質條件，建立反底拱的力學計算模型，推導出巷道反底拱各處彎矩的計算表達式，最終確定較為合理的反底拱的拱高。

1)巷道底板的反拱力學計算模型。

力學計算模型的建立主要是基于把反底拱所受的水平及豎直方向的力直接轉化為法向力，結合曲線梁的特點，將該力學模型簡化為具有一定初始撓度的兩端簡支梁，假設初始的撓曲線是圓弧線，這里取反底拱的法向力為q，綜合建立巷道的反底拱的力學計算模型，見圖4。

圖4 反底拱力學計算模型圖

只對反底拱的一半進行研究，簡化力學模型見圖5。

圖5 簡化力學模型圖

2)建立巷道反底拱的拱高與彎矩的關系。

建立兩者的關系式，計算反底拱各處的彎矩 M(θ)，見式(1)。

假設簡支梁初始撓度為 ω，建立直角坐標系推出:

推出反底拱各點彎矩:

式中，M0為初始撓度的彎矩，初始撓度為:

式中:

qx—反底拱承受的巷道水平力，N;

qy—反底拱承受的豎直應力，N;

R—反底拱半徑，m;

h—反底拱拱高，m;

B—巷道寬度，m，取 3.6。

θ—一般在0～α之間取值，取α。

代入式(4)繪制出反底拱的中點C的彎矩隨拱高的變化曲線，見圖6。

圖6 反底拱中點處彎矩隨拱高變化曲線圖

由圖6可知，中點處的彎矩與反底拱拱高有一定的關系，先隨拱高的增加而減小，后又逐漸增大，當反底拱的拱高在0.78 m時，中點處的彎矩達到最小，所能承受的力也達到極限值，因此確定出巷道的反底拱的拱高為0.8 m。

3 底板結構體穩(wěn)定性分析

由圖4受到底層對其施加的力q，產生垂向作用力qy，兩幫施加的垂直壓力ry，底板兩根注漿錨索的垂向力 G，建立力學關系式［5］:

式中:

qmax—取qy的最大值;

Bx—巷道寬度，m，取 3.6;

Bz—巷道軸向寬度，m，取 3.0。

上述三種反底拱所受作用力中，底板巖層的垂向作用力ry及底板錨索施加的力G均為主動力，不同的是ry是對反底拱的穩(wěn)定性起破壞作用，而G對反底拱的穩(wěn)定性起到積極作用;對兩幫圍巖的垂向壓力ry來說是被動力，僅在G＜qmaxBx/2時才會存在，主要用于穩(wěn)定及平衡反底拱。底板設計每排施工兩根d15.24 mm×5 300 mm注漿錨索，由G=2Pcosβ可以計算出其極限拉力為3 500 N，再由 P0=2S/(BxBz)得出反底拱所需要的支護反力為0.648 MPa。

其中:P為單根注漿錨索的極限拉力，kN，取2 000;β為注漿錨索與垂直方向夾角，取30°。

注漿錨索的作用不只是有利于漿液的充分擴散，且施加的拉力G可以直接平衡底板巖層的底鼓力。軌道上山底板發(fā)生變形所需應力為0.23～0.32 MPa，可知反底拱安全系數(shù)＞2，說明反底拱結構能夠保證軌道上山底板巖層的穩(wěn)定。

4 錨注加固方案

該修復方案主要是通過表面封閉圍巖及錨注加固圍巖的方法來治理底鼓［6］。注漿錨桿對底板淺部碎裂圍巖注漿錨固，加固碎裂底板，封閉底板表面圍巖，形成承載梁;注漿錨索又將淺部承載梁錨固到深部穩(wěn)定巖層，共同形成承載結構體系［5］。

巷道斷面采用半圓拱+反底拱形式，頂幫部均采用錨網(wǎng)索鋼帶支護，選用規(guī)格為d20 mm×2 500 mm的高強度左旋螺紋鋼系列錨桿，全長均為等強度，預緊力不低于70 kN，間排距800 mm×900 mm，使用規(guī)格為 MSCK2350的樹脂藥卷兩支進行端頭錨固，每組布置12根;反底拱采用規(guī)格為d20 mm×2 500 mm的高強度左旋螺紋鋼系列注漿錨桿［8］，全長等強，預緊力也不低于70 kN，間排距800 mm×900 mm，使用規(guī)格為 MSCK2350的樹脂藥卷兩支進行全錨，每組布置5根，拱頂布置1根，每根錨桿都要垂直拱頂。在拱頂兩側施工兩根d15.24 mm×5 300 mm的雙股籠形的注漿錨索，強度級別達到1 860 MPa，且單股錨索的破斷載荷絕不能低于2 000 kN，錨索長度5 300 mm，間距2 000 mm，排距3 000 mm。

巷道斷面支護參數(shù)特征見圖7。

5 礦壓結果分析

在軌道上山試驗段巷道布置3個監(jiān)測斷面，沿巷道軸向間隔30 m，采用十字布點法布置表面位移監(jiān)測斷面，觀測巷道圍巖的變形情況。

圖7 斷面支護參數(shù)特征圖

根據(jù)3個月的礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得出，原支護方案下頂板、兩幫及底板最大移近量分別為62 mm、168 mm、194 mm，平均為 48 m、113 mm、138 mm;采用修復支護方案下兩幫及底板最大移近量分別為105 mm、76 mm，平均為 82.5 mm、52.5 mm，頂板沒有發(fā)生明顯下沉，礦壓結果表明，修復方案有效控制了軌道上山的變形，尤其是底板的變形。

6 結論

1)數(shù)值模擬表明，帶有反底拱的直墻半圓拱形更具穩(wěn)定性，相對直墻半圓拱形更易控制底板變形。

2)借助反底拱力學模型，分析了底板拱結構的穩(wěn)定性，可有效控制高應力軟巖巷道底板的塑性變形。

3)采用帶反底拱的直墻半圓拱形+注漿錨桿索聯(lián)合錨注支護技術，能有效提高高應力軟巖巷道圍巖巖體強度及改善圍巖力學性能和結構，從而增強圍巖整體承載能力。

工程實踐表明，該修復支護方案有效控制了船景煤礦首采區(qū)軌道上山的底板變形，緩解了底鼓帶來的壓力。

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