軟巖巷道底臌機理分析及防治技術(shù)探討

王曉東 汪海平 張紅衛(wèi)

（陜西彬長礦業(yè)集團公司，陜西 彬縣 713500）

隨著煤礦開采深度的增加，地應力的增大，軟巖巷道底臌問題日趨嚴重。巷道底臌導致巷道斷面縮小，妨礙通風，增加風阻，阻礙運輸和人員行走，強烈的巷道底臌不僅增加大量的維修工作，而且還影響礦井安全生產(chǎn)。實測資料表明，在底板不支護的情況下，巷道頂?shù)装逡平恐屑s有2/3～3/4是由底臌造成的。受施工工藝以及目前人們對軟巖巷道支護及其支護性質(zhì)認識上的欠缺，對巷道底板進行支護和補強的重要性認識不夠，巷道底臌問題一直沒有較好地解決。

陜西彬長礦區(qū)大佛寺礦井生產(chǎn)能力為800萬t/a，2008年8月建成并通過竣工驗收。礦井雖建成投產(chǎn)時間不久，但首采區(qū)401采區(qū)及后期改建新增的411采區(qū)共計五條大巷，都出現(xiàn)不同程度的底臌現(xiàn)象，為保證礦井安全生產(chǎn)，幾經(jīng)臥底擴修，但始終難以從根本上解決軟巖巷道底臌防治技術(shù)難題。該礦生產(chǎn)技術(shù)部門結(jié)合理論分析，提出了底角錨桿+底板注漿+底板錨索耦合支護技術(shù)方案，取得了良好的治理效果。

1 工程概況

大佛寺礦401采區(qū)及411采區(qū)大巷，在原來三巷(主運、輔運和回風)基礎上再增加一條回風大巷和一條輔運大巷，形成“五巷制”布局，巷道間距40m，工作面接續(xù)時為四巷制，大巷沿4煤層布置。

4煤層偽頂為0.5m以下的炭質(zhì)泥巖，零星分布。直接頂以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，次為粉砂巖、砂巖，為半堅硬不穩(wěn)定頂板?；卷敹酁榧毩Ｉ皫r或粉砂巖，局部為中～粗粒砂巖，為半堅硬較穩(wěn)定頂板～穩(wěn)定頂板。底板多為鋁質(zhì)泥巖，次為泥巖或炭質(zhì)泥巖，一般2.14～6.75m，遇水泥化，易發(fā)生底臌。

五條巷道均采用錨網(wǎng)噴+錨索支護，頂部采用M22×2700mm等強錨桿，幫部采用M22×2700mm等強錨桿，錨桿間排距800×800mm。錨索采用Φ=15.24mm，L=6900mm鋼絞線錨索。巷道底板未支護。

2 底臌機理分析

（1）圍巖質(zhì)點位移。巷道開挖改變了圍巖的應力狀態(tài)，從而導致了圍巖質(zhì)點的形狀及體積彈性改變。而圍巖質(zhì)點的流動就是每一個微小的質(zhì)點形狀及體積的改變引起相鄰質(zhì)點位移所形成的。大佛寺礦401采區(qū)及411采區(qū)五條大巷底板均未支護，導致底板一定范圍內(nèi)的圍巖質(zhì)點位移比頂幫部位大得多。

（2）蠕變動力難以自制。圍巖質(zhì)點均是向巷道方向移動，在厚層軟巖情況下，巷道上下左右均被軟巖所包圍，因此質(zhì)點位移來自巷道四面八方，圍巖蠕變位移得不到支護反力的約束，或者支護反力小于蠕變動力，巷道就會從最薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生變形。大佛寺礦401采區(qū)及411采區(qū)五條大巷沿4煤層布置，頂?shù)装寰鶠槟鄮r且厚度大，圍巖強度低，并且經(jīng)過多次臥底刷擴修復，底板松動圈擴大，巷道圍巖蠕變動力隨松動圈擴大而加快。見圖1。

圖1 巷道圍巖蠕變動力演化示意圖（軟巖層較厚情況）

（3）巷道底板圍巖遇水膨脹。地質(zhì)資料顯示，4煤底板普遍分布有一層鋁土質(zhì)泥巖，遇水極易膨脹軟化，雖在設計時為避免鋁土質(zhì)泥巖對巷道的影響，在巷道掘進時沿巷道底板留設1m左右的底煤，但在實際施工過程中很難控制，受巷道施工用水、巖體中靜態(tài)儲水、水溝水等水的影響，鋁土質(zhì)泥巖遇水膨脹，在巷道其他三方受支護的反力作用，巷道變形只能從底板作為突破口。

（4）巷道底板未進行有效支護。大佛寺礦401采區(qū)及411采區(qū)五條大巷頂板采用了錨網(wǎng)噴+錨索進行了有效支護，而巷道底板未進行支護。正是由于巷道底板未進行支護，巷道底板在圍巖質(zhì)點位移、蠕變動力及底板鋁質(zhì)泥巖遇水膨脹的作用下產(chǎn)生底臌。礦井多次采用臥底刷擴的方式進行簡單巷修，頻繁的臥底擴修又造成新的擾動應力，并且松動圈也進一步擴大，支護承載結(jié)構(gòu)基礎進一步降低，巷道底臌速度更快更嚴重，如此反復，造成惡性循環(huán)。

3 防治技術(shù)方案

3.1 支護方案

采用底角錨桿+底板注漿+底板錨索耦合支護。

底角采用M22×2700mm等強錨桿，錨桿間距800mm，角度與水平呈45°，位置處于幫底交界處。

巷道底板布置兩個注漿孔，沿底板寬度等分布置，排距1600mm，注漿錨桿長3.0m，采用6′鋼管制成，前端0.7m間隔200mm內(nèi)錯開孔，端頭25mm開絲，孔徑為8mm。漿液采用水泥水玻璃漿液，水泥采用525#，水玻璃濃度45°Bé，用量為水泥重量的3%～5%，漿液水灰比為0.7，最大注漿壓力2.0MPa，注漿時間以達到注漿壓力后保持10min為準。

底板錨索規(guī)格采用Φ=15.24mm，L=5000mm鋼絞線錨索，沿巷道底板中部對稱布置2根，間排距1600×1600mm。

3.2 支護方案分析

（1）底角錨桿的作用。巷道底角是應力集中程度最高的部位，是圍巖破碎最嚴重的部位，但其破碎變形不會在此處直接顯現(xiàn)，而是通過圍巖質(zhì)點位移以兩幫內(nèi)縮和底板底臌的形式表現(xiàn)。正常情況下，巷道兩幫進行了有效支護，所以均是以巷道底臌的形式呈現(xiàn)。

通過在底角左右部位施工兩排高密度錨桿，能夠?qū)⑾锏乐車h(huán)向應力及水平應力部分轉(zhuǎn)移至底腳錨桿上，起到了應力轉(zhuǎn)移作用。

底角錨桿在轉(zhuǎn)移應力的同時，固定的兩端也可以承接上方和水平方向的作用力，因此對于上方的圍巖質(zhì)點移動起到了邊界作用，其作用是可以使上方地應力通過壓力拱傳遞，外圍圍巖中的破壞得到控制，穩(wěn)定性也得到保證。

錨桿的約束力抑制了松動圈的擴大，底角部位穩(wěn)定后，相鄰圍巖質(zhì)點位移也得到了有效控制，巷道的底臌程度就會減少。

圖2 松動圈穩(wěn)定增強技術(shù)分析圖

（2）底板注漿的作用。注漿加固使破碎圍巖形成一個整體，給深部圍巖提供一個較大的徑向約束，改善巷道圍巖應力狀況，從而控制圍巖變形。

（3）底板錨索的作用。底板錨索對圍巖的作用，不僅表現(xiàn)在底板巖體的位移約束和改變應力狀態(tài)兩個方面，還能將巷道近距離圍巖所承受的應力轉(zhuǎn)移至巷道遠距離圍巖中去，較大地減輕了應力集中的程度，達到用較大范圍的巖體來承受本應由近距離圍巖承受的高密度的集中應力的目的，起到削弱圍巖應力的作用。

3.3 施工要求

施工底板注漿錨桿及錨索前，先將底板剝離到底板設計標高以下150mm；安裝底板注漿錨桿后，對底板澆筑50mm厚混凝土，然后進行注漿，注漿要控制好漿液水灰比，并按施工要求施工。注漿結(jié)束后，通過底板錨索鉆機施工底板錨索，要求安裝底板錨索預應力不低于70kN，并將超出底板設計標高的錨索頭剪掉，最后對底板進行二次澆筑混凝土至底板設計標高。

4 結(jié)束語

對401采區(qū)及411采區(qū)大巷底臌機理進行研究，提出了底角錨桿+底板注漿+底板錨索耦合支護技術(shù)。通過現(xiàn)場實際觀測，該支護方案能有效控制巷道底臌，目前已在大佛寺礦井巷道底臌修復中全面應用，在掘進巷道底板支護中也推廣應用，取得了良好的支護效果，具有推廣應用價值。