高應力軟巖巷道底板支護技術探討

[摘 要]通過對許疃煤礦33采區(qū)回風下山下段在高應力軟巖條件下巷道底板支護難題進行研究，分析了主要影響圍巖變形的高地壓、圍巖蠕變動力及巷道底鼓幾個因素，結合現(xiàn)場實際施工，提出了底角錨桿+底板+注漿聯(lián)合支護方案對巷道底板進行支護，以較小的投入取得了理想的支護效果。為巷道的安全施工和后期維護提供有利的技術保障，具有推廣運用價值。

[關鍵詞]高應力 軟巖 底板支護 推廣應用

中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）13-0219-01

1、工程概況

許疃煤礦核定生產(chǎn)能力為3.50Mt/a。礦井劃分兩個水平，第一水平標高-500m，第二水平標高-800m。礦井主采32、71、72、82煤層。目前33采區(qū)-720m以淺部分已全部回采完畢，需進行開拓延伸至-800m水平。

33采區(qū)回風下山下段（-720m～-800m）上接-720m車場聯(lián)巷，下至-800m車場聯(lián)巷，整個下山有兩部分構成： 14°傾角的斜巷部分（303m）和3‰斜度的近平巷部分（151m）。巷道共穿過斷層3條，分別為：DF333 ？700 H=0～4m，DF337 ？500～800 H=0～25m，DF375 ？5700 H=0～3m，巷道附近有斷層2條，分別為：DF336 ？500～800 H=0～20m，DF342 ？400～700 H=0～20。采區(qū)煤巖層走向與回風下山走向基本一致。

依據(jù)測井柱狀，-720m～平巷70m處，巷道處于粉砂巖包圍中，此間巷道穿過斷層DF333和DF337；平巷70m處～90m處，泥巖從頂板漸至巷道底板；此后，巷道完全處于泥巖的包圍之中，且隨著深度的增加，底板泥巖厚度增厚，至-800m時，底板泥巖厚度增值約14m，該部位底臌將十分嚴重，且長期存在。

根據(jù)33采區(qū)回風下山上段（-500m～-720m）巷道維護情況，33采區(qū)回風下山上段設計斷面為直墻半圓拱形，設計尺寸為凈寬×凈高=4800×4200mm，采用錨噴支護，錨桿采用M20 L=2000mm等強錨桿，在實際生產(chǎn)過程中受高應力和采動影響等多重構造應力的影響，巷道變形嚴重，主要表現(xiàn)形式為：巷道頂部冒頂、兩幫移近量大、巷道底鼓嚴重。類比33采區(qū)回風下山上段巷道維護情況，下段巷道維護特點主要為：巷道圍巖強度低、埋深大、地應力較大、服務時間長。

2、理論分析

依據(jù)工程地質(zhì)狀況、圍巖性質(zhì)、地應力以及相關理論研究，許疃煤礦33采區(qū)回風下山下段圍巖變形因素主要體現(xiàn)在高地壓、圍巖蠕變動力及巷道底鼓幾個方面。

（1）高地壓

33采區(qū)回風下山上自-720m水平，下至-800m水平，層位較深，礦區(qū)地表標高約+27m，回風下山（-720m～-800m）埋深為747～827m，若上覆巖層平均密度按2700kg/m3考慮，在不考慮構造及采動影響的前提下，垂直應力：σz=γH，理論上達到20.17～21.88Mpa，原始地應力大。

該采區(qū)除回風下山之外，與之平行的還有運輸下山、軌道下山和進風暗斜井。4條巷道之間的水平間距為30m，相距較近，彼此影響，產(chǎn)生次生應力疊加，導致巖石流變加劇。從采區(qū)斷層的分布情況及相關地應力測試情況分析，該采區(qū)底板巖層具有構造應力。此外，采區(qū)為雙翼布置回采工作面開采，后期工作面回采會在巷道上面留設大量不規(guī)則形狀的保護煤柱，根據(jù)33采區(qū)上部留設的煤柱經(jīng)驗，一翼留設保護煤柱約為80m，現(xiàn)有研究結果表明，工作面回采后在煤柱內(nèi)形成的支承壓力往往數(shù)倍于原巖應力，由于煤柱內(nèi)積聚的支承壓力將向底板進行傳遞，使得各采區(qū)主體巷道所處的應力水平顯著增高。因此，幾方面共同影響產(chǎn)生的高地壓將對巷道圍巖的穩(wěn)定性造成很大威脅。

（2）圍巖蠕變動力

巖石的變形不僅表現(xiàn)出彈性和塑性，而且也具有流變性質(zhì)。所謂流變性質(zhì)就是指材料的應力-應變關系與時間因素有關的性質(zhì)。當應力不變時，變形隨著時間而增長的現(xiàn)象稱為蠕變。

巷道開挖后各種因素將造成了圍巖應力狀態(tài)的巨大改變，具有蠕變特性的巖石又會因為應力狀態(tài)的改變而發(fā)生緩慢的形狀改變，最終導致圍巖質(zhì)點的移動，由于這種“質(zhì)點移動”只能向著巷道方向發(fā)生，故在支護反力小于蠕變動力的情況下，巷道變形在所難免。

對于巷道所處軟巖層厚度很厚時，因應力狀態(tài)改變所導致的質(zhì)點位移來自于巷道的四面八方，而不僅僅來自于巷道的兩側，圍巖的蠕變位移過程收不到相關約束力的作用，很長時期內(nèi)巷道圍巖蠕變的動力不僅不會衰減，反而會隨著圍巖松動圈的擴大而加快速度，松動圈對支護材料的壓力也會隨著松動圈的擴大而增加。

33采區(qū)回風下山（-720m～-800m）圍巖性質(zhì)變化較大，有全部為粉砂巖的區(qū)段，有全部為泥巖的區(qū)段，有泥巖與粉砂巖兼有的區(qū)段。對于圍巖為泥巖的區(qū)段，其圍巖蠕變動力十分強勁，加上該區(qū)段主要為水平段，底板含水較大，巖石軟化情況嚴重，因此，該區(qū)段是底板控制的重要對象。

（3）巷道底鼓

對于軟巖巷道，底臌往往是導致巷道整體破壞的主要原因。巷道開挖后由于應力集中的影響均會出現(xiàn)破碎、松動、塑性，形成破碎圈、松動圈和塑性圈，松動圈、塑性圈的外圍在地壓的作用下自動形成壓力拱，上、下、左、右四部分的壓力拱之間因為要傳遞環(huán)向應力，從而形成封閉的環(huán)向應力環(huán)。水平地應力較大時，環(huán)向應力圈的上下部分中的環(huán)向應力值較大，此時基于巖石的蠕變效應，該部位巖體將發(fā)生徑向方向的較大應變，進而引起質(zhì)點的移動，下方發(fā)生底臌，上方發(fā)生冒頂。目前我國巷道支護都是采用一定的手段對幫頂進行支護，且支護強度高，其外圍的應力狀態(tài)均可得到一定程度的改善，故幫頂?shù)姆€(wěn)定性是較易控制的。長期以來，由于底板缺乏成孔設備，錨索無法應用；反底拱等措施又難以推廣，且成本高昂，故一般煤礦巷道的底板是不加支護的。正是由于底板沒有支護，故軟巖巷道的破壞均從底臌開始。

3、支護方案及支護參數(shù)

根據(jù)巷道圍巖維護特點及目前巷道支護施工工藝，全斷面為泥巖，且底板泥巖厚度大于1000 mm段，采用底角錨桿（排距700mm）+底板錨索（2根）+注漿對巷道底板進行支護。

底角錨桿在二次噴射混凝土前施工，錨桿選用M22 L=3000mm等強錨桿，角度與水平呈450，位置處于幫底交界處。排距600mm。

布置底板錨索，錨索規(guī)格采用φ22mm L=6300mm，間排距1600mm×1600mm，每斷面2根，錨索錨固與底板注漿一并進行。

沿底板寬度等分布置2個注漿孔。漿液采用水泥水玻璃漿液，水泥采用525#，水玻璃濃度45B′e，用量為水泥重量的3%～5%，漿液水灰比為0.7，最大注漿壓力2.0 MPa，注漿時間以達到注漿壓力后保持10分鐘為準。

4、結束語

許疃煤礦33采區(qū)回風下山（-720m～-800m）在高地壓、圍巖蠕變動力難以自制、巷道底鼓等影響因素下，根據(jù)巷道圍巖維護特點及目前巷道支護施工工藝，在巷道頂幫滿足支護的前提下，對巷道底板提出了底角錨桿（排距700mm）+底板錨索（2根）+注漿對巷道底板進行支護，從現(xiàn)場的支護效果來看，該支護方案在有效控制圍巖的前提下，以較小的投入取得了理想的支護效果。從后期的礦壓監(jiān)測來看，該支護技術的應用，大大減小了巷道的底鼓以及底鼓所引起的變形，滿足安全生產(chǎn)的要求，同時避免了后期巷道的維修所帶來的不便。實踐證明，其施工支護技術所選用的支護形式和設計參數(shù)是合理的，能夠滿足安全生產(chǎn)的需要，在同類軟巖條件下巷道底板支護中能夠推廣運用。

作者簡介

張超（1977～），男，安徽宿州人，1997年7月畢業(yè)于安徽省煤炭工業(yè)學?！，F(xiàn)在淮北礦業(yè)（集團）有限責任公司許疃煤礦技術科掘進組工作。