深部軟巖巷道底鼓控制的機理與技術(shù)

李少波，范　浩，劉萬榮

(1.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001;3.深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控安徽省重點實驗室，安徽 淮南 232001)

深部軟巖巷道底鼓控制的機理與技術(shù)

李少波1 ,2,3，范浩1 ,2,3，劉萬榮1 ,2,3

(1.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001;3.深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控安徽省重點實驗室，安徽 淮南 232001)

[摘要]深部軟巖巷道底鼓問題是巷道支護的難題之一。通過對淮南謝橋礦軟巖巷道底鼓問題機理的研究，得出減少底鼓的途徑：提高圍巖彈性模量E，減少斷裂寬度a，減少側(cè)壓系數(shù)ξ。創(chuàng)新地提出了錨噴網(wǎng)+底板注漿錨索+底板切槽聯(lián)合支護方法，并對切槽的原理進(jìn)行了分析,得出切槽的最優(yōu)尺寸。理論和現(xiàn)場觀測均證明，該聯(lián)合支護方法對軟巖巷道底鼓控制具有非常好的效果，保證了巷道長期安全使用。

[關(guān)鍵詞]深部巷道；軟巖底鼓；底鼓機理；聯(lián)合支護；底板切槽

我國已進(jìn)入深部開采[1]。深部巷道所處的復(fù)雜工程地質(zhì)條件，具有大變形、大地壓的顯著塑性變形破壞特征。對于深部軟巖巷道，由于軟巖本身特殊的地質(zhì)條件加之深部高地應(yīng)力的環(huán)境[2]，極易產(chǎn)生底鼓事故。巷道底鼓不僅會帶來大量的維修工作，增加巷道的維護費用，而且還會影響礦井的安全生產(chǎn)[3]。在深部開采理論與實踐中，眾多學(xué)者針對底鼓機理提出了很多理論，姜耀東[4]等認(rèn)為底鼓包括擠壓流動性、遇水膨脹性、撓曲褶皺性、剪切錯動性等機理；康紅普[5]等認(rèn)為巷道底鼓的原因是失穩(wěn)的底板巖層向巷道內(nèi)壓曲, 偏應(yīng)力作用下的擴容, 巖石遇水膨脹, 以及巖石流變。針對巷道底鼓治理，國內(nèi)外專家學(xué)者也提出不同的控制技術(shù)：何滿潮提出了深部軟巖煤巷底鼓三控技術(shù)；謝廣祥[6]等提出了超挖錨注回填技術(shù)；楊本生[7]等提出了連續(xù)“雙殼”治理底鼓的技術(shù)。

本文通過對深部軟巖巷道底鼓的機理進(jìn)行分析和研究，在總結(jié)有關(guān)專家學(xué)者提出的底鼓治理的方法并結(jié)合有關(guān)礦上治理底鼓的經(jīng)驗，創(chuàng)新地提出了錨噴網(wǎng)+底板注漿錨索+底板切槽聯(lián)合支護方法，并對切槽的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。理論和現(xiàn)場觀測均證明，該聯(lián)合支護方法可以很好地解決深部軟巖巷道底鼓問題。

1工程地質(zhì)概況

淮南謝橋礦-840m水平軌道上山圍巖主要以砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、泥質(zhì)砂巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，地應(yīng)力較大，通過對該條巷道附近的地應(yīng)力進(jìn)行測試，最大主應(yīng)力為25.32 MPa，側(cè)壓系數(shù)為1.5，所以該巷道水平應(yīng)力比較突出，屬于深部高應(yīng)力軟巖巷道。

巷道原支護：采用錨網(wǎng)噴支護方式(圖1)，頂板和兩幫錨桿采用φ20mm×2300mm樹脂錨固錨桿，間排距700mm×700mm，拱頂每排布置3根φ20mm×7100mm錨索，間排距1700mm×1600mm，錨網(wǎng)片1700mm×900mm，表面噴射100mm厚的混凝土。

圖1　巷道原支護方式

根據(jù)現(xiàn)場勘測，由于底板未進(jìn)行支護，巷道底鼓量超過400mm，底板鼓起較為嚴(yán)重，底鼓變形速度最大為20mm/d。自巷道完成施工至今，由于承擔(dān)輔助運輸?shù)淖饔?，已?jīng)臥底很多次，但是效果甚微，多次臥底還會導(dǎo)致巷道的持續(xù)破壞和變形。因此必須對該巷道底鼓進(jìn)行有效徹底地控制，從而達(dá)到長期使用的目的。

2深井軟巖巷道底鼓機理

深井軟巖巷道底鼓主要來自底板巖層的壓曲變形，隨著采深的增加，上覆巖層應(yīng)力也隨之增大，從而導(dǎo)致巷道周邊圍巖承受的應(yīng)力增大，造成巷道頂板下沉和兩幫變形。由于只重視巷道頂板和兩幫的支護，巷道底板沒有進(jìn)行支護，在高水平應(yīng)力作用下底板巖層被壓曲向巷道內(nèi)部變形，進(jìn)而產(chǎn)生底鼓[8]。底板巖層賦存情況見圖2。

圖2　底板巖層賦存情況

根據(jù)彈性力學(xué)薄板理論[9]，底板巖層可視為四邊簡支的矩形薄板，設(shè)板厚為s1,s2,…sn；板沿著巷道橫斷面方向的斷裂寬度為a,受力為fx；板沿著巷道軸向斷面折斷長度為b,受力為ξfx，ξ為側(cè)壓系數(shù)。薄板的受力情況見圖3。

圖3　薄板的受力情況

設(shè)s1層板中面內(nèi)力為Tx,Ty,Txy,由圖可知：Tx=-fx,Txy=0,Ty=ξfx

根據(jù)彈性力學(xué)中的薄板理論，層板壓曲方程為:

(1)

式中，E為彈性模量；v為泊松系數(shù)；D為薄板的抗彎強度；ω為撓度；δ為板厚。

得出臨界載荷：

(2)

式中，F(xiàn)x為臨界載荷；k=a/b。

由式(2)可計算出在臨界載荷作用下的s1巖層的臨界應(yīng)力為：

(3)

臨界應(yīng)力大小與底板巖層厚度s、底板斷裂寬度a、彈性模量E、側(cè)壓系數(shù)ξ、泊松系數(shù)v有關(guān)，底鼓的大小和臨界應(yīng)力有關(guān)，臨界應(yīng)力σx越大，底鼓量越小，所以可根據(jù)臨界應(yīng)力公式得出減少底鼓的途徑：提高圍巖彈性模量E、增加巷道底板巖層厚度s、減少斷裂寬度a、減少側(cè)壓系數(shù)ξ。

具體采取的措施：

(1)提高圍巖彈性模量E：增加圍巖強度，采用底板注漿錨索支護。

(2)減少斷裂寬度a：開底板卸壓槽。

(3)減少側(cè)壓系數(shù)ξ：開底板卸壓槽，釋放水平應(yīng)力。

在此理論的基礎(chǔ)上，在巷道原有的錨噴網(wǎng)支護基礎(chǔ)上，打底板注漿錨索以及進(jìn)行底板切槽。

3深井軟巖巷道底鼓的控制

3.1底板切槽的優(yōu)化分析

3.1.1底板切槽深度的分析

(1)切槽深度h小于巷幫距切槽的距離s,即s/h>1，如圖4所示。邊長比s/h>1的巖梁受到彎曲應(yīng)力作用,在力的作用下,巖梁向上彎曲,底板發(fā)生變形破壞。

圖4　底板切槽的尺寸分析(s/h>1)

(2)當(dāng)邊長比s/h<1時，就是短懸臂的特殊情況，如圖5所示。在這種情況下，開有切槽的巖塊不是受彎曲應(yīng)力的作用，而是受剪切作用。研究表明，當(dāng)開有切槽的巖塊寬為s=2.3m時，將該巖塊推頂起來所需的力，經(jīng)計算大小為400kN/m2，在這樣大的支護阻抗力的情況下，即使在深部高水平應(yīng)力作用下，也很難使切槽下面的巖層向上斷裂，所以該邊長比可以很好地控制底鼓。

圖5　底板切槽的尺寸分析(s/h<1)

綜合以上對比結(jié)果，得出當(dāng)邊長比s/h<1，即切槽深度h大于巷幫距切槽的距離s，可以保證底板不會變形破壞。由于切槽深度為巷道寬度1/2左右切槽效果最好[10]，綜合考慮，切槽的深度選2500mm較合適。

3.1.2底板切槽充填的分析

考慮到底板常常積水的緣故，對底板切槽進(jìn)行充填是十分必要的，設(shè)充填材料的初始強度為σ0=104kN/m2，在切槽不閉合的情況下，即填充材料強度與兩幫側(cè)壓力平衡時，開有切槽底板的抗剪強度為：

τ剪=τ0+σ0·tanφ

式中，τ0為巖石黏聚力，取5000kN/m2；φ為巖石內(nèi)摩擦角，取37°。

計算得出的抗剪強度τ剪=12500kN/m2，相當(dāng)于不填充切槽底板的支護阻力的3倍左右。而且切槽進(jìn)行充填，由于填充材料的強度可以產(chǎn)生抵抗兩幫側(cè)壓力的支護阻力，切槽的寬度可以選的小一點，可以選400mm。充填切槽的材料選擇泡沫聚氨酯。現(xiàn)場試驗證明，該材料不僅具有一定的支撐力，而且可以有效地抵抗變形，是一種較好的充填切槽的材料。

3.2具體控制措施

結(jié)合上述分析結(jié)果，提出采用錨噴網(wǎng)+底板注漿錨索+底板切槽聯(lián)合支護方法。施工過程為：

(1)對于已經(jīng)產(chǎn)生底鼓的巷道，首先進(jìn)行臥底，使其達(dá)到巷道設(shè)計斷面要求，即5600mm×4800mm。

(2)進(jìn)行底板中部切槽。底板卸壓槽沿巷道走向布置在巷道中間，為防止軌道受影響，槽左側(cè)偏離軌道0.8m，底板卸壓槽尺寸為寬×高=400mm×2500mm?？紤]到巷道底板巖性和卸壓槽的深度較大情況，為省時省力，卸壓槽施工時采用松動爆破配合人工開挖進(jìn)行。在施工過程中如果發(fā)現(xiàn)卸壓槽內(nèi)有積水，必須使用氣動隔膜泵將卸壓槽內(nèi)的積水排凈，以利于打眼放炮。開挖好的卸壓槽內(nèi)填充泡沫聚氨酯材料，并且采用10mm 厚的鋼板對槽進(jìn)行蓋板防護，防止底板積水流入。

(3)施工底板錨索孔。錨索孔間排距1600mm, 鉆孔深度小于錨索長度300mm。

(4)安裝錨索。底板錨索為新型中空注漿錨索，φ20mm×8000mm,間距為1600mm，強度1760MPa，破斷力≥420kN。

(5)封孔并進(jìn)行高壓注漿。選用P.O32.5普通硅酸鹽水泥漿，水泥漿按1∶1的水灰比配制，添加ACZ-I型水泥注漿添加劑8%～10%。

巷道聯(lián)合支護方案見圖6。

圖6　巷道聯(lián)合支護

3.3現(xiàn)場觀測結(jié)果

為驗證該聯(lián)合支護方式對淮南謝橋礦-840m水平軌道上山巷道底鼓的控制效果，在該巷道安設(shè)礦壓觀測測站，測站測得控制措施后巷道的底鼓量、底鼓速度。圖7，圖8為底板底鼓量和底鼓變形速度曲線。

圖7　底板底鼓量曲線

圖8　底鼓變形速度曲線

從圖7，圖8可以看出，在觀測前10d內(nèi)，底鼓變形速度呈線性增加趨勢，是由于注漿錨索漿液未完全與圍巖凝結(jié)，但是底板切槽和底板錨索發(fā)揮著作用，底鼓量最大不到20mm；觀測20d后底鼓

變形速度開始降低，注漿錨索的錨固力由20MPa增加到40MPa；45d后，底鼓變形量維持在35mm左右，底鼓變形速度趨于穩(wěn)定且小于1mm/d，說明該聯(lián)合支護方式可以有效地控制底鼓的變形。

4結(jié)論

(1)針對深井軟巖巷道底鼓的問題，以謝橋礦軟巖巷道為例，認(rèn)為底鼓的大小和底板巖層厚度、底板斷裂寬度、底板巖性、側(cè)壓系數(shù)等有關(guān)。

(2)為控制該軟巖巷道底鼓，創(chuàng)新地提出了錨噴網(wǎng)+底板注漿錨索+底板切槽聯(lián)合支護方法。根據(jù)對底板切槽原理的分析，確定切槽深度h大于巷幫距切槽的距離s最優(yōu)，分析了進(jìn)行切槽充填的必要性。

(3)礦壓觀測結(jié)果表明，在該聯(lián)合支護完成15d后，底鼓變形速度小于2mm/d，50d后趨于穩(wěn)定；且最大底鼓量不到40mm，該聯(lián)合支護方法有效地控制了該礦的底鼓變形，為類似的軟巖巷道底鼓治理積累了經(jīng)驗。

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[責(zé)任編輯：王興庫]

Techniques and Principle of Floor Heave Controlling of Soft Rock Roadway in Deep

[收稿日期]2015-09-24[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.021

[作者簡介]李少波(1990-)，男，安徽宿州人，碩士研究生，研究方向為礦山壓力與巖層控制及巷道支護。

[中圖分類號]TD353

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]B

[文章編號]1006-6225(2016)03-0078-03

[引用格式]李少波，范浩，劉萬榮.深部軟巖巷道底鼓控制的機理與技術(shù)[J].煤礦開采，2016，21(3)：78-80，42.